Cr12Mo V 的電（diàn）火花線切割加工工藝參數研究
2016-9-6 來源： 太 原（yuán） 理 工大 作者： 啟靜凱 李 文 斌
摘要:隨著人們對工業產品的精度、質量要求越（yuè）來越高，相關模具的製造（zào）精度、表麵質量以及模具材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到不（bú）斷提高。Cr12Mo V 滿足了模具材料在硬度、耐磨性、耐腐蝕性方麵的要求，作為一種廣（guǎng）泛使用的冷作模（mó）具鋼，應用於生產截麵麵積大、外形複雜的各（gè）種冷衝模具。
Cr12Mo V 鋼具有（yǒu）高硬度性能，尤其為（wéi）提高模（mó）具成型精度，經熱處理後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統切削方式很難加工。基於（yú）此，利用電火花線切割加工 Cr12Mo V 成為最佳選（xuǎn）擇。電火花線切割加（jiā）工是利（lì）用脈衝火花放電蝕除材料（liào），並通過數控（kòng）係統對工件切割（gē）成形（xíng），可解（jiě）決這種模（mó）具材料（liào）的難加工問題，並能滿足製（zhì）造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火花線切割加工（gōng）工藝參數（本文主要以（yǐ）電參數為主，包括脈寬時間、脈間時（shí）間、峰值電流以及間隙電壓（yā））對材料去除率和表麵粗糙（cāo）度的（de）影（yǐng）響，以（yǐ）達到（dào）對電參數優化選取的目的，從（cóng）而提高電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工效率（lǜ）和表麵質量。
利用單因素試驗法，通過改變電火花線切割機床的電參數，得出各個（gè）電參（cān）數對電火花線切割加工Cr12Mo V的材料去除率與表麵粗糙度的影響規律。在此基礎上，利用（yòng）有限元分析軟件 ANSYS，依據電火花線切割加工的微觀機理，建立合理的物理模型和數學模型（xíng），劃分網格，確定能量在放電通道內分布的形式（shì），施加荷載並求解，得到電火花線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 鋼 的溫度場分布，來預測峰（fēng）值電流（liú）的改變對表麵（miàn）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值後，與實際加（jiā）工的結果進行（háng）對比驗證，得出了更為吻合的修正凹坑深度曲（qǔ）線與表麵粗糙度曲線，表明（míng）可通（tōng）過ANSYS 仿真電火花加工溫度（dù）場（chǎng）進（jìn）行（háng）電參數的合理選擇。
應用正（zhèng）交實驗法，通過合理設置考察因素水平，設計表頭，確定以（yǐ） L16(45)正交表（biǎo）進行正交試驗，得到試驗結果。對試（shì）驗結果分別進行（háng）極差分析（xī）和方差分析，探索電火花線切割的脈寬時間、脈間時間、峰值電（diàn）流和間隙電壓對（duì）材料去除率和表麵粗糙度影響的主次順序和顯著性。以（yǐ）正交（jiāo）試驗結果為基礎應用灰關聯分（fèn）析法，將（jiāng）材料去除率和表麵粗糙度量綱歸一化後進（jìn）行關聯分析，計算關聯度值，選取關聯值最大的一組電（diàn）參數為最優參數組合，即：脈寬時間為 10 μs，脈間時間為 20 μs，峰值電流（liú）為 2 A，間隙電（diàn）壓為 3 V，並進行試驗驗證。結果表明，利用經（jīng）優化後（hòu）的（de）參數組合切割加工試件，達到了預期的（de）加工效（xiào）果，解決了參數組合的優化問題。
總之，本文通過一係（xì）列試驗和分析方法，研究了電火花線切割（gē）加工Cr12Mo V 的電參數的選取和優（yōu）化問題，為實際生產提供理論指導。
關鍵詞：電火花線切（qiē）割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率，表麵粗糙度，有限元分析
3、電火花線切割（gē）加工參數研究及分析
3.1 引言
在電火花線切割加工Cr12Mo V的過程中，影響其表麵（miàn）粗糙度和材料去除率的（de）因（yīn）包括非電參數和電參數。而非電參數的影響（xiǎng）相（xiàng）對於電（diàn）參（cān）數的（de）影響很小，因此探究電參數的影響規律很重要。在每（měi）個廠商的加工工藝參數表（biǎo）中都有（yǒu）針對某一材料，某一加工厚度，某一加工精度製定的參數組合，但是在實際加工過程中（zhōng），這（zhè）些參考並（bìng）沒有達到我（wǒ）們預期的效果。對於某種材（cái）料，能（néng）得到一組材料去除率（lǜ）和表麵粗糙度兼顧的最優（yōu）參數組合（hé），大量的實踐是必須的，除此之外（wài）利用（yòng）單因素試驗掌握電參數對二者的影響規律是得（dé）到最優數組合的基礎。
本章通過單因素試驗（yàn）探究脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的材料去除率和表麵粗糙度（dù）的影響，為（wéi）正交試（shì）驗與灰關聯分析做基礎，得到一組（zǔ）最優加工工藝參（cān）數組合（hé）。本次單因素（sù）試（shì）驗的平台是 FW-1 型電（diàn）火花線切割機床（chuáng），電（diàn）極（jí）絲采用 Φ0.18 mm 的鉬絲，試驗材料為經過熱處（chù）理的 Cr12Mo V 鋼，厚度為 20 mm。
3.2 脈寬時間對加工（gōng） Cr12Mo V 的（de）影響
試驗中要研（yán）究脈寬時間對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影（yǐng）響，采用的方法是單因素試驗法，也就是將（jiāng）脈寬時間（jiān）作為單一變量，其他因（yīn）素（sù）保持不變進行試驗（yàn）。衡量影響的性能指標為材料去除率和表麵粗糙度（dù）值。具（jù）體的試驗（yàn）操作是改變脈寬時間（jiān）的機床加工參數值分別為 7μs、8μs、9μs、10 μs 來切（qiē）割，並測量加工得到的試驗（yàn）試件的表麵粗糙（cāo）度值和計算其材料去除率（lǜ）。表3-1 所示為（wéi）不同脈寬（kuān）時間（jiān）下試驗結果。
為便於（yú）分（fèn）析，將試（shì）驗結（jié）果繪製成圖 3-1。觀察圖可得出，隨脈寬時間的增大，材料去除率加快。電火花（huā）線切割加（jiā）工是使用金屬絲做電極，通過脈衝（chōng）電源對工件進行脈衝放電來蝕除金屬，在數控係統（tǒng）的幫（bāng）助下切割成形的。脈（mò）寬時間是（shì）決定脈衝能（néng）量大（dà）小的重要因素之一（yī），脈寬（kuān）時間增大則放電能量增（zēng）強，提高了加工速度。但脈衝能量增大會導致電（diàn）蝕坑變大（dà），表麵質量下降。加工時，需保證表（biǎo）麵（miàn）質量的同時增大脈（mò）寬時間來提高加工速度，因為（wéi）過大的脈（mò）寬時間會使電蝕產（chǎn）物排出不暢，最終不僅不能提高加（jiā）工速度，甚至會造成斷絲（sī）。
表3-1 脈寬時間變化的影（yǐng）響
圖 3-1 脈寬時間對表麵粗糙度-材料去除率的影響
3.3 脈間時間對加工 Cr12Mo V 的影響
研（yán）究脈間時間對電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的影響，試驗中將脈間時間作為單（dān）一變量，改變其機床加工參數值分別為 20μs、25μs、30μs、35 μs，並（bìng）保持其他因素不變（biàn）。材料去除率和表麵粗（cū）糙度為衡量脈間時間對加工影響的性能指標，將加工得到的試驗試件（jiàn）測量（liàng）並計算其加工速度。表 3-2 所示為記錄的試驗結果。
脈間時間（jiān）是（shì）相鄰脈衝的間隙時間，它的大（dà）小影響電極絲與工件間的（de）消電離。隨著脈（mò）間時間的增大，平均電流減（jiǎn）小則加工速度（dù）減小。但是為了提高加工效率（lǜ）不能盲目減小脈間時間，這樣會引起電弧和斷絲[21]。觀察圖3-2得出，表（biǎo）麵粗糙度值的大小隨脈間時間的改變出現（xiàn）先（xiān）降後升（shēng）的現象，並且在25 μs時其達到（dào）最小。這是因為作（zuò）為影響放電加工的重（chóng）要參數，脈間（jiān）時間過大會造成頻繁（fán）短路，導致表麵粗（cū）糙度變差，相反過小會造成間隙不完全消電離和蝕除物來不及排出，致使拉弧（hú）燒傷。
表3-2脈間時間變化的影響（xiǎng）
圖3-2 脈間時間對（duì）表（biǎo）麵粗糙度-材（cái）料去除率的影響
3.4 峰值電流對加工 Cr12Mo V 的影（yǐng）響
峰值電流是影響電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的（de）重要因素。本研究將峰值電（diàn）流（liú）作為（wéi）單一（yī）變量，其（qí）他因素保持不變，他們的取值範圍（wéi）如表 3-3 所示。以（yǐ）材料去除率和表麵（miàn）粗糙度為性能指標，將試驗結果也記錄於表（biǎo） 3-3。
表 3-3峰值電流變化的影響
峰值電流的改變，對（duì）加（jiā）工速度和表（biǎo）麵質（zhì）量的影響尤為重要。從圖3-3可得出，隨著峰值（zhí）電流增大，表麵質量變差，而材料去（qù）除率呈現加快的趨勢。同脈寬時間相同，峰值電流決定脈衝能量的大小。提高峰（fēng）值電流使得加工速度變快而表麵質（zhì）量下降。單方麵通過提（tí）高峰值電（diàn）流來加快加工速度（dù）會造成電蝕產物的顆粒大，表（biǎo）麵質量急劇下降（jiàng），嚴重情況會造成斷絲。
圖3-3 峰（fēng）值電流對（duì）表麵粗糙度-材料去除率的影響
3.5 間隙電壓對加工 Cr12Mo V 的影響
研究間隙電壓對電火花線切割加工Cr12Mo V的影響，將其（qí）他因素保持不變，改變間隙電壓的機床加工（gōng）參數值分別為2 V、3 V、4 V、5 V。表3-4所示為記錄的材料去除率（lǜ）和表麵（miàn）粗（cū）糙（cāo）度的試驗結果。
表3-4 間隙電壓變化的影響
將得到（dào）的（de）試驗結果繪製成圖3-4，可見，隨著間隙電壓的改變，其對材（cái）料去除率和表麵粗糙度（dù）的（de）影響有限。當間隙電壓為3V時，加工效率最大，而表麵粗糙度隨著（zhe）它（tā）的增大而不斷減小。這是因為間隙電壓是兩極間的（de）加工（gōng）電壓，隨著間（jiān）隙電壓增大，改善排屑條件，使加工趨於穩定。但是過大的間隙電壓會（huì）使（shǐ）空載脈衝增（zēng）多，影（yǐng）響加工速度（dù）。
圖3-4 間（jiān）隙電壓對表（biǎo）麵粗糙度-材料（liào）去除率的影響
3.6 本章小結
本章通過電火花線切割加工Cr12Mo V的單因素試驗得到脈寬時間、脈（mò）間時間、峰值電流以及間隙電壓與材料去除率和表麵粗糙度之間的關係。脈寬時間和峰值電（diàn）流是影響（xiǎng）兩項指標的重要參（cān）數，脈間時間和間隙電壓的作用同樣不可忽視。
1）隨著脈寬時間的增大（dà），材料去除率加快，表麵質量變差。
2）脈間時間的改變（biàn）對材料去除（chú）率和表（biǎo）麵（miàn）粗糙度的影響是不一樣的。隨著脈間時間的增大，兩個相鄰脈（mò）衝（chōng）的時間增多，一個脈衝周期就加長，這（zhè）樣加工速度下降，但是對於表（biǎo）麵粗糙度，脈間時間太大或（huò）太小都會（huì）對其產生（shēng）不（bú）利影響。
3）隨著峰值電流的增大，脈衝能（néng）量就增大，這樣材料去除率增（zēng）大，表麵質量（liàng）下降，過大的峰值電流，可能會導致斷絲。
4）間隙電壓相對於（yú）其（qí）他三個電參數的（de）影響較（jiào）小，但是間隙電壓同樣有重要（yào）的作用，它是（shì）使加工過程穩定的（de）重要因素。
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