Cr12Mo V 的電火花線切割（gē）加工工藝參數研究
2016-9-5 來源： 太 原 理 工 作（zuò）者： 啟靜凱 李 文 斌
摘要:隨著人們（men）對（duì）工業產品的精度、質量要求越來越高，相關模具的製造精度、表麵質量（liàng）以及模具（jù）材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到不斷提高。Cr12Mo V 滿足了模具（jù）材料在硬度、耐磨性、耐腐蝕（shí）性方麵的要求，作為一種廣泛使用的冷作模具鋼，應用於生產截麵麵積大、外形複雜的各種冷（lěng）衝模具。
Cr12Mo V 鋼具有高硬（yìng）度性能，尤其為提高模具成型精度，經熱處理後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統（tǒng）切削方式很難加工。基於（yú）此，利用電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 成為最佳選擇。電火花線切割加工是利用脈衝火花放電蝕除材料，並通過數控係（xì）統對工件切割成形，可解決這種模具材料的（de）難加工問題，並能滿足製造精度要（yào）求（qiú）。因此，研（yán）究 Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝（yì）參（cān）數（本文主要以電參（cān）數為主，包括脈寬時間、脈（mò）間時間、峰值電（diàn）流以及間隙電壓）對材料去除率和表麵粗糙（cāo）度的影響，以達到（dào）對電參數優化選取的目的（de），從而提高電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的加工效率和表麵質量。
利用單因素試（shì）驗（yàn）法，通過改變電火花線切割機床的電參數，得出各個（gè）電參數對電火花線切割加工Cr12Mo V的材料去除率與表麵（miàn）粗糙度的影響規（guī）律。在此基礎上，利用有限元分析軟件 ANSYS，依據電火花線切割加工的微（wēi）觀機理，建立合（hé）理的物理模（mó）型和數學模型，劃分網格，確定（dìng）能量（liàng）在放電（diàn）通道內分布的形式（shì），施加荷載並求解，得到電火（huǒ）花線切割（gē）加工 Cr12Mo V 鋼 的溫度場（chǎng）分布，來預測峰值電流的改變對表麵粗糙度的影響。將白層厚度考慮在內並且修正仿真凹坑深度（dù）值後，與實際加工的結果進行對比驗證，得出了更為吻合的（de）修正凹坑深度曲（qǔ）線與表麵粗糙度曲線，表明可通（tōng）過ANSYS 仿真電火花加工溫度場進（jìn）行電參數的合理（lǐ）選擇。
應（yīng）用正交實驗法（fǎ），通過合理設置（zhì）考察因素水平，設計表頭，確（què）定以 L16(45)正交表進行正交試驗，得到試驗結果。對試（shì）驗（yàn）結（jié）果分別進行極差分析和方差分析，探（tàn）索電火花線切割的脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對材料去除率（lǜ）和表麵粗（cū）糙度影響的主次順序和顯（xiǎn）著性。以正交試驗結果為基礎應用灰關聯分析法，將材料去除率（lǜ）和表麵（miàn）粗糙度量綱歸一化後進行關（guān）聯分析，計算關聯度值，選（xuǎn）取（qǔ）關聯值最大的一組（zǔ）電參數為最優（yōu）參數（shù）組合，即：脈寬時間為 10 μs，脈間時間為 20 μs，峰值電流為 2 A，間隙電壓為 3 V，並（bìng）進行試（shì）驗驗證。結果（guǒ）表明，利用經優化後的參數組合切割加工試件，達到（dào）了預期的加工效（xiào）果，解決了參數組（zǔ）合的優化問題。
總之，本文通過一係列試驗（yàn）和分析方（fāng）法，研究了電火（huǒ）花（huā）線切割加（jiā）工Cr12Mo V 的電參數的選取和優化問題，為實際生產提供理（lǐ）論指導。
關（guān）鍵詞：電火花線切割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率，表麵粗糙度（dù），有限元分析
2、電火花線切割加工Cr12Mo V 試驗（yàn）方案確定
2.1 電火花線切割加工（gōng）Cr12Mo V 的試驗（yàn）設備和試驗材料的選取
2.1.1 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的試驗設（shè）備
北京（jīng）阿奇夏米爾有限公司是一家合資的高新技術（shù）企業，是（shì）國內（nèi）電加工機床的（de）領導者，其生產的機床種類齊全，性能（néng）優異。本課題研究以該公司（sī）生產的 FW-1 型高速走絲（sī）電火花線切割機床為試驗平台，如圖 2-1 所示為該型號機床的外觀及主要部件。
圖（tú） 2-1 FW-1 型高速走絲電火花線切割機床
硬件方麵，FW-1 型電火（huǒ）花線切割機床采用大截麵式立柱結構、鑄鐵床（chuáng）身，結構緊湊，整機剛性好，且擁有精（jīng）密級直線滾動導軌和滾（gǔn）珠絲杠副，運（yùn）動精度高。為提高線切割工作液的使用周期，改善加工質量，減少環境汙染（rǎn），該電火花線切（qiē）割機床獨（dú）特設計了帶有濾芯（xīn）的過濾（lǜ）係統。具（jù）有恒張力控（kòng）製的走絲機構，確保高的加工（gōng）精度（dù），而且設有（yǒu）如圖2-2 所示功能強大的人（rén）機交互界麵。
圖 2-2 FW-1 的人機交互界麵
在（zài）軟件方麵，FW-1 型（xíng）電火花線（xiàn）切割機床（chuáng）具備自動半徑補償功能，以提高零件加工精度。通過數控係統實現 X、Y、U、V 四軸聯動，進行錐度加工。還可（kě）以采用手（shǒu）動編程和（hé）全中文的 CAD/CAM 自動編程，編程代碼既可用 ISO 代碼編程，亦可使用 3B/4B格式編程。
FW-1 型高速走絲電火花線切割機床在硬件和軟件方麵都有（yǒu）其優越（yuè）的性能，市場占有率高，表 2-1 列出了（le）該機床的主要規格及參數。
表 2-1 FW-1 型高速走絲電火（huǒ）花線切割（gē）機床主要參數
2.1.2 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的試驗材料的選取（qǔ）
Cr12Mo V 鋼中（zhōng）的 C 和（hé） Cr 元素含量較（jiào）高，是萊氏體鋼。其在（zài）淬火後耐磨性較高，表（biǎo）麵能形成致（zhì）密氧化膜，提高抗腐蝕能力（lì）和降低摩擦係數[12]。因此 Cr12Mo V 鋼被廣泛應（yīng）用（yòng）於製造冷作模具，同時為了提高模具成型精度，防（fáng）止（zhǐ）熱加工對零件的影響，一般是熱（rè）處理完成後再利用（yòng）線切割加（jiā）工（gōng）[13]。Cr12Mo V 經過熱處理後硬度≥60HRC，利（lì）用傳統加工方式很難進行（háng），且對（duì）刀具損害較大，故利用電火花（huā）線切割適（shì）合加工難加（jiā）工材料的優勢，選擇利用其加工 Cr12Mo V 鋼。
綜上所述，本（běn）研究采用的試驗（yàn）材料為高溫淬火後的 Cr12Mo V 鋼。試驗（yàn）材料的尺寸大小為 120mm×20mm×10mm，如圖 2-3 所示。為提高此材料的利用率，切割的（de）試件（jiàn）為1mm×20mm×10mm，其（qí）外形尺寸如圖 2-4 所示。
圖 2-3 試驗工（gōng）件毛（máo）坯外形尺寸
圖 2-4 試件尺（chǐ）寸
2.2 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的工藝指標及其影響（xiǎng）因素
2.2.1 電（diàn）火花線切割加工 Cr12Mo V 的工藝指標
工藝指標是指一種（zhǒng）加（jiā）工方式（shì）加工完成後所滿足（zú）工藝要求的指標。材料去除率、電極絲的損耗量、表麵粗糙（cāo）度和尺寸精度（dù）是電火花線切割加工的四個工藝指標。其中材料去除率和表麵粗糙度是電火花線切割加工 Cr12Mo V 的兩項重要的工藝指標（biāo）[14]。本課題主要是以這兩項指標為研究對象。
材料去除率即加工速度，是單位時間內的切割麵積，單位為 mm2/min。材料去除率數值可以（yǐ）通（tōng）過機床係統記錄的加工時間（jiān）與加工表麵積比值（zhí）計算。
表麵粗糙度是對加工質量的度量，采用輪廓算術平均偏差 Ra（μm）來表示。Ra 值可通過 TR200 粗糙度測量儀測定。如圖 2-5 所示為（wéi） TR200 粗糙度測量儀。
圖2-5 TR200手（shǒu）持式表麵粗糙度測量儀
2.2.2 電火花線切割加工（gōng） Cr12Mo V 的影響（xiǎng）因素（sù）
1）被加工材（cái）料的熱力學屬性對加工的（de）影響
高溫熔化、氣（qì）化工件（jiàn）材料是（shì）電（diàn）火花線切割加（jiā）工蝕除（chú）材料，達到工件成形目的的方式，熱（rè）現象是整個加工過程的最主要物理現象，因此被（bèi）加工材料自身的（de）熱力學（xué）屬性對加工速度和表麵質量影響很大。這些熱力（lì）學（xué）屬性包括熔（róng）點、比熱容和熱（rè）導（dǎo）率等。
在一定熱能作用下，熔點和比熱容（róng）越（yuè）低的材料就越容易加工，反之則越難加工。對於（yú）熱導率，它的數值越高則導熱性越好。在相同的熱能作用（yòng）下，導熱率越強，能量擴散越快，使得熱能不能集中到一塊迅速達到材料熔點（diǎn）、沸點，加工效率下降。
2）非電參數對加工的影響
電火花線切割加（jiā）工過程中除（chú）了受被加（jiā）工材（cái）料本身的屬性的影響，機床本身的參數對（duì）加工的作（zuò）用是相當大的，包括電參數和非電參數（shù）。而工作液性質及噴液的壓力、工件厚度和電極絲的（de）張力都屬於對加工有影響的非電參數。
其（qí）中（zhōng）工作液的作用在加工過（guò）程中非常重要。它在脈衝放（fàng）電下形成放電通（tōng）道，並在單次脈衝後使放電間隙恢複絕緣狀態，幫助蝕除物排出，還能對工件和電極絲產生冷卻作用。壓縮放電通道（dào）可以提（tí）高通道的能量密度，單位能量密度的增加有利於提高加工效率，采用介電性能好、密度（dù）和粘度大的工作液能幫（bāng）助（zhù）達到這一目的。但粘度過高使蝕除物的排出困（kùn）難，這時可以選擇通過調節噴液的壓力來提高排（pái）出速度。工件的厚度也會影響加（jiā）工，加工較厚的工件，同樣噴液壓力情況下，相比於薄工件其加工過（guò）程（chéng）排屑困難，使得加工過程出現不穩定[15]。電極絲張力的大小（xiǎo）對表麵粗糙度（dù）的影響較大，增加張力可以減小表麵粗（cū）糙度值[16]。這是由於增大張力可以減小工作液壓（yā）力和放電爆炸造成的（de）電極絲振動。
3）電參數對加工的影響
電火花線切割在加（jiā）工過程中，對表麵粗糙度（dù）和材料去除率產生（shēng）影響的主（zhǔ）要電參數包括脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電（diàn）流 IP 和（hé）間隙電壓 SV[17]。
本（běn）研究的所（suǒ）使用的電火花線切割機床對上述四個參數的大小有相應的規定：
ON：設定脈寬時間。值為（ON+1）μs，且（qiě） ? 32μs； OFF：設定脈間時間。值為（OFF+1）×5μs，且 ? 160μs； IP：設定峰值（zhí）電流，範圍為 0.5~9.5，小數點後的值在（zài） 0~4 之間（jiān）認為是（shì） 0，在（zài） 5~9 之間則認為是 5。接觸感知時 IP 為 0.5。
SV：設定（dìng）間隙（xì）電壓，其值 7V。
依據 FW-1 型電火花線切割機（jī）床對脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV 設置的規定來選擇單因（yīn）素試驗和正交（jiāo）試驗中（zhōng）電參數數值尤為重要。
脈寬時間和峰值電（diàn）流是影響脈衝能量的重要參數[18]。增（zēng）大（dà）脈寬時間和峰（fēng）值電流能夠提高單個脈衝的能量，但是提高能量加快切割速度的同時，電蝕坑變大，這樣加工的表麵質量就會下降（jiàng）。脈間時間為（wéi）相鄰電壓脈衝之間的間隔（gé），脈間時間減小（xiǎo）則平均電流（liú）就會增（zēng）大，這樣有利於提高加工速度，但是過小的脈間時間也會造（zào）成來不及（jí）消（xiāo）電離而斷絲。間隙電壓是電（diàn）極絲與工件之間的（de）加（jiā）工電壓，它的改變直接影響加工間隙的大小，從而改變排屑的（de）順暢程度（dù）。
2.3 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的試驗方法
研究電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工工藝（yì）參數的影響，首先要確定的是這種材料的加工（gōng）工藝參數即電（diàn）火花線切割的電（diàn）參數，包（bāo）括脈寬時間 ON、脈間時間（jiān） OFF、峰值電流 IP 和間隙電（diàn）壓 SV。通過研究各電參數對材料（liào）去除率和表麵（miàn）粗糙度的影響（xiǎng），從而優化一組電參數組合，達到材料去除率和表麵粗糙度最優（yōu）的目的。因此本課題選用了單（dān）因素試（shì）驗（yàn）法、ANSYS 仿真分（fèn）析、正交試（shì）驗法及灰關聯分析法進行探討。
2.3.1 單因素試驗法
控（kòng）製其餘因素不變（biàn），隻變單（dān）個（gè）因素（sù）的試驗叫做單因素試驗（yàn）。單因素試驗可以通過等分法、黃（huáng）金分割法和分數（shù）法等來進行因（yīn）素的取值和範圍的確定。
其中等分法適（shì）用於考（kǎo）察因素已經清楚，需通過試驗來明確其對結（jié）果的影響；黃金（jīn）分割法需要了解先驗信（xìn）息，來確定試（shì）驗範圍[a，b]；分數法不僅要清楚先驗信（xìn）息，而且需提（tí）前了解試驗的總（zǒng）次數（shù）。實際情況是，我們對電火花線切割加工 Cr12Mo V 過程中脈寬時間（jiān）、脈間時間、峰值電流、間隙電壓對加工速度以及表麵質量的影響規律並不了解，也沒有先驗信息來確定（dìng）試驗的範圍和試驗的總次數。
因此，本研究選用等分法。在做試驗之前我們通過已有的加工經驗（yàn）以及廠商提供的工藝參數表確（què）定脈衝寬度、脈衝間隙、峰值電流、間隙電壓的範圍，利用均分法把這些參數（shù）的數（shù）值放（fàng）在等分點上，這樣試驗簡單，靈活性強。
2.3.2 ANSYS 仿真分析
ANSYS 作為（wéi）廣泛使用的有限元分析軟件，由於（yú）其卓越的（de）仿真功能，且操作簡單（dān）方便，成世界上（shàng）使用範圍（wéi）最廣的（de） CAE 軟（ruǎn）件。它在各個（gè）學科都有廣泛應用，例如結構（gòu）、熱、聲（shēng）、流體以（yǐ）及電磁場等學科。因此，使其涉及（jí）眾多領域，例如：核能（néng）、鐵路、航天、機械製（zhì）造、礦產、水利、國（guó）防軍工、土木建築、造船等。
一個完整的 ANSYS 分析大致包含 3 個環節：創建模型、加載（zǎi）求解、得出結果。其中定義單元屬性（xìng），創（chuàng）建實體模（mó）型，劃分（fèn）網格是（shì）第一步創建模型的主要內容也是影響後麵求解與分析（xī）結（jié）果好壞的重要步驟。加（jiā）載可以根據分析（xī）的形式選擇載荷的類型。利用軟件強大的後處理功（gōng）能求解，根據需要提（tí）取（qǔ）分析結果。
ANSYS 的熱分析是以熱平衡（héng）方程為（wéi）基礎，通過計算各節（jiē）點的溫度，由此（cǐ）得（dé）出實（shí）體的（de）溫度場分布。其中穩態傳熱、瞬態（tài）傳熱、熱耦合分析是熱分析主要的三種形式。
電火花線切割加工過程中，高溫使得材料熔化，熔（róng）化材料在各種作（zuò）用力（lì）下從表麵被拋（pāo）出，形成電蝕坑，材料被蝕除，工件加（jiā）工成形[19]，電火花線切割加工的過程就是一個熱（rè）作用的過程。因此，本次課題利用 ANSYS 仿真模擬放電加工 Cr12Mo V，其極間的溫度隨時間而改變，屬（shǔ）於熱分（fèn）析的瞬（shùn）態傳熱過程。
2.3.3 正交試驗法與灰關聯（lián）分析法
1）正交（jiāo）試驗法
正交試驗法是根據考察因素與試驗（yàn）目的使用正交表設計試驗的方法[20]。在實際（jì）生產與（yǔ）科研過程（chéng）中，需要考慮的因素一般多於兩個，如果（guǒ）對（duì）於每個因素都組合進行試驗，那樣所需的人力、物力都是驚人的，采用正（zhèng）交試驗可以很好地解決這個問題。同時相對於單（dān）因素試驗法，正交試驗法還可以（yǐ）利用所得的數據進行極差分析與方差分析，可以直（zhí）觀的了解各個（gè）因素影響的主次順序和（hé）顯著性。
2）灰（huī）關聯分析法
灰色（sè）關聯分析主要目的是明確各指標之間的關（guān）聯程度，進而確定（dìng）指標之間內在關係（xì）。
數理統計中用來進（jìn）行係統特征分析的方法包括回歸分析、方差分析（xī）等。但回歸分析、方差分析等方法通常要求大批的數據，且數據需要滿足一定的規律（lǜ）。灰關聯分析法（fǎ）彌補了上述方法在分析過程出現的缺陷。它不需要大量（liàng）的樣本數據且樣（yàng）本（běn）不需要服從（cóng）一定（dìng）的
規律。采用灰關聯分析法能夠減小計算量，且量化分（fèn）析與定性分析不矛盾。
2.4 本章小結
本章介紹了研究電火花線切割加工 Cr12Mo V 的工（gōng）藝參數的試驗方案，包括試驗設備（bèi）和試驗材（cái）料的選取，工藝（yì）指標（biāo）、影響因素以及研究所采用的試驗方法的確定。具體有一下內容：
1）選（xuǎn）擇（zé） FW-1 型電火（huǒ）花線切割機床為本課題研究（jiū）的試驗平（píng）台，試驗材料為經過熱處理的 Cr12Mo V 鋼，其毛坯外形尺寸為 120mm×20mm×10mm。加工所得（dé）的試件尺寸為1mm×20mm×10mm。
2）確定本課題研究的工藝指標為材料（liào）去除率和（hé）表麵粗（cū）糙度，而影響因（yīn）素為線切割機床的電（diàn）參數，包括脈寬時（shí）間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓。
3）確定采用（yòng）單因素試（shì）驗法、ANSYS 仿（fǎng）真（zhēn）分析、正交（jiāo）試驗法以（yǐ）及灰關聯分析法這一係列試驗方法作為本課題研究電參數對工藝指標的影響，並優化一組電參數組合，使得材（cái）料去除率和表麵粗糙度達到預期加工目的。
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