Cr12Mo V 的電火花（huā）線切割加工工藝參（cān）數研究-數控機床市場網

您現在的位（wèi）置（zhì）：數控機床市場網> 專題>線（xiàn）切割加工技術（shù）專（zhuān）題

Cr12Mo V 的電火花線切割（gē）加工工藝參數研究

2016-9-12 來源：太原理工大學作者：啟（qǐ）靜凱李文斌

摘要:隨著人們對工業（yè）產品的精度、質量要求越來越高，相關模具（jù）的製造精度、表麵質量以（yǐ）及模具材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到不斷提高。Cr12Mo V 滿足了（le）模具材料在硬度、耐磨性、耐腐蝕性方麵（miàn）的要求，作為一種廣泛使用的冷作（zuò）模具鋼，應用於生產（chǎn）截麵麵積大、外形（xíng）複雜的各種冷衝模具。

Cr12Mo V 鋼具有高硬度性能，尤其為提高模具成（chéng）型（xíng）精度，經（jīng）熱處理後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統切（qiē）削方式很難加工。基於此，利用電火花線切割加工 Cr12Mo V 成為最（zuì）佳選擇。電火花線切割加工是利用脈衝火花（huā）放電蝕除材料，並通過數控（kòng）係統對工件切割成形，可解決這種模具材料的難加工問題，並能滿（mǎn）足（zú）製造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火（huǒ）花線切割加工工藝參數（shù）（本文主要以電參數為主，包括脈寬時間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓）對材料去除率和表麵（miàn）粗糙度的影響，以達到對電參數優化選取的目的，從而提高電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工效率和表麵質量。

利用（yòng）單因素試驗法，通過改變電（diàn）火花線切割機床的電參數，得出各個電參數對電火花線切割（gē）加工Cr12Mo V的材料去除率與（yǔ）表麵粗（cū）糙度的影響規（guī）律。在此基（jī）礎上，利用有限元（yuán）分析軟件 ANSYS，依據（jù）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（gé），確定（dìng）能量在放電通道內分布的形式，施加荷載並求解，得到（dào）電火花（huā）線切割加工（gōng） Cr12Mo V 鋼的溫度場分布，來預測峰值電流（liú）的改變對表麵粗（cū）糙度的影響。將白層厚度考慮在（zài）內並且（qiě）修正仿真凹（āo）坑深度（dù）值後，與實際加（jiā）工的結果進（jìn）行對比驗證，得出了更為吻合的修正凹坑深（shēn）度曲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（chǎng）進行電參（cān）數的合理選擇（zé）。

應用正交實驗法，通（tōng）過合理設置考察因素水平，設計表頭，確（què）定（dìng）以 L16(45)正交表進行正（zhèng）交試驗，得到（dào）試驗（yàn）結果。對試驗結果分別進行極差（chà）分（fèn）析（xī）和（hé）方差分析，探索電火花線切割的脈寬時間（jiān）、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對材料去除率和表麵粗糙度影響的主次（cì）順序和顯著性。以正交試驗結果為基礎應用灰關聯分析法，將材料去除（chú）率和表麵粗糙度（dù）量綱歸一化後進行關聯分（fèn）析，計算關聯度值，選取關聯值最大的一組電參數為最優（yōu）參（cān）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，並進行試驗驗證。結果表（biǎo）明，利用經優（yōu）化後的參數組合切割加工試件，達到了預期的加工效果，解決了參數組合的優化問題（tí）。

總之，本文通（tōng）過一係列（liè）試驗和分析方法，研究了電火花（huā）線切割加（jiā）工Cr12Mo V 的電參數的選取（qǔ）和優化問（wèn）題（tí），為實際生產提供（gòng）理（lǐ）論指導。

關鍵詞：電火花線切割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率，表麵粗糙度，有限（xiàn）元分（fèn）析

4、電火花線切割加工 Cr12Mo V 的仿真分析研究

4.1 引言

研究電火花線切割加工Cr12Mo V的加工工藝參數，利用單因素試驗可以很好地得出各（gè）個電參數對（duì）材料去除率和表麵粗糙度（dù）的影響，但是這一係列的試驗（yàn）需要大量的前期準備、試驗過程以及後（hòu）期數據采集分析，還要耗費一定的人力和物力。因此，科學經濟（jì）地提高電火花線切割加工Cr12Mo V模具鋼的（de）加工質量（liàng）顯得尤為重要。

ANSYS在熱分析方麵強大的功能滿足了（le）這一要求，通過（guò）仿真模擬電火花線切割加工Cr12Mo V鋼的溫度場分布，來預估電參數的改（gǎi）變（biàn）對表麵粗糙度的（de）影響（xiǎng），由單因素試驗可知，脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間（jiān）隙電壓都對表麵粗糙度有影響，如果將這些變量都考慮在內，這樣模型（xíng）無法建立（lì），不能進行模擬。因此，本研究利用（yòng）ANSYS仿真（zhēn）模擬是在單脈衝條件下進行的，這樣可（kě）以不考慮脈間時（shí）間這（zhè）些因素，其次單脈衝是研究電火花線切（qiē）割加工的基礎（chǔ），以此得到其他電參（cān）數（shù）對整（zhěng）個加工過程的影響。

本章通過（guò）仿真模擬電火花線切割加工Cr12Mo V鋼的溫度場分布，來預測峰值電流（liú）的改變對表（biǎo）麵粗（cū）糙（cāo）度的影響，並將白層厚（hòu）度考慮在內修（xiū）正仿（fǎng）真凹（āo）坑深度（dù）值，與實際加工（gōng）的（de）結果進行對比（bǐ）驗證，希望（wàng）得出較（jiào）為吻合的修正凹坑深度曲線與表麵粗糙度曲（qǔ）線，證（zhèng）實利用ANSYS模擬電火（huǒ）花加工溫度場進行（háng）電參數的（de）合（hé）理選擇，以此改善加（jiā）工質量的（de）可行性（xìng）。

4.2 模型的（de）建立（lì）

4.2.1 物理模型的建立

本研究的試驗（yàn）平台是（shì） FW-1 型（xíng）高速走絲電火花（huā）線切割機床（chuáng），其采用 Φ0.18 mm 的鉬絲作為電極絲，試驗材（cái）料為經過高溫淬火的 Cr12Mo V 鋼。為便於分析所建立的電火（huǒ）花線切割（gē）加工物理模型如圖4-1 所（suǒ）示。

圖 4-1 電火花線切割加工物理模型（xíng）

1）放電通道（dào）的形成

由等（děng）離子體組成的放電通道中包括中性離子（zǐ）、原子或分子以（yǐ）及帶正（zhèng）電和帶負電的的正離子和電子（zǐ）。電火花線切割加工過程中，極間施加一個脈衝（chōng）電壓形成電場。在電場的作用下，處於負極的（de）電極絲（sī）逸出電子並且高速向正極運動，與工作液中的分子或原子碰撞，形成帶正電的粒子，導致帶電（diàn）粒子雪崩式增（zēng）多（duō），當工件與電極絲之間的脈衝電壓增大到大於工作介質之間的擊（jī）穿電壓時，形成（chéng）放電通道。

2）放電通道半徑

由於現有觀察設備和計量設備的限製，放電通道的半徑很難確定。不少（shǎo）學者對此作了研究，總結得出了一些經驗公式。放電（diàn）通道的半徑與峰值電（diàn）流，脈寬時間有（yǒu）關係。

Dibitonto，Eubank[22]等人研究（jiū）發（fā）現（xiàn），每一個峰值電流，都有一個對應的最佳脈寬時間（jiān），他們（men）得到的經驗公式為：

Tb=-0.00002I4+-0.0025I3-0.0122+2.7292+1.2881 （4-1）

式中（zhōng）：Tb—最佳脈寬時間，μs；

I —峰值電流（liú），A。

樓樂明[23]在此基礎上對放電通道進行了研究，並總結出了（le）放電通道半徑的（de）經驗公式：

上海交通（tōng）大學的薛瑞[24]總結前人研究，認為通道（dào）半徑為：

式中：R（t）—通道半徑，m；

I，Tb與（4-1）式相同；

t—時間，s。

通道半徑是隨時間（jiān）變化而逐漸增大，形狀大致是圓柱體[25]。本研究采用式（4-3）來確定通道半徑。

3）熱源形式

電火花線（xiàn）切割加工蝕除材料的過程是高溫熔化、氣化工（gōng）件材料的過程，對於這一過程中產生高溫的熱源的形式有兩種：一種是體積（jī）熱源，一種（zhǒng）是表麵熱（rè）源。兩種（zhǒng）熱源（yuán）形式的作用效果也是不同的。

體積熱源作用於導電性差的電火花加工或者是放電加工開始階段（duàn），此時處（chù）於形成電場初期，工作液（yè）中所形成（chéng）的帶電粒子沒有雪崩（bēng）式增多，電流（liú）密度較小，溫（wēn）度較（jiào）低，溫度變化發生在工件內部，對於去除材料作用有限。因此，體（tǐ）積熱源對於電火花線切割加工過程作（zuò）用很小，基本忽略不計。表麵熱源作用於電子與工作（zuò）液碰（pèng）撞產生電離，造成帶電（diàn）粒子迅速增多，形成放電通道的過程中。此時由於帶電粒子相互撞擊，產生大量的熱，通道溫度急劇（jù）上升。這（zhè）樣大量的熱傳遞到工件表麵，並且向工件內部傳導，達到（dào）工件熔點，使得工件熔化，甚至氣（qì）化（huà）達到蝕除材料的目的。

綜上所（suǒ）述，本次研究的電火花線切割（gē）加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場分（fèn）布中熱源形式（shì）為表麵熱源。體積熱（rè）源的作用（yòng）很（hěn）小，在模擬仿真的過程中忽略不計。

4.2.2 數學模型的建立

模擬電火花線切割（gē）單（dān）次脈衝放電加工，這一過程在幾十微（wēi）秒的時間內即可（kě）完（wán）成。在幾十微秒內產生大量（liàng）的熱量並且集中在（zài）很小的（de）區域內，所以該過程屬於瞬態非線性傳導問題，對於非線性瞬態分析可得到圓柱坐標係下的傳（chuán）導方程：

4.3 仿真（zhēn）分析

4.3.1 建模與（yǔ）劃分網格

電火（huǒ）花線切割加工過程是複雜且難（nán）以觀察的，模擬電火花線切割（gē）蝕除材料比較困難，因此在建立模型時，需（xū）要簡化一些（xiē）次要因素，達到優化並且保證分析正確的目的（de），故假設（shè）下列條件：

1）模型是軸對稱（chēng）圖（tú）形；

2）放電通道（dào）是圓柱形的，且映射到工（gōng）件表麵為圓（yuán）形；

3）忽略熱輻（fú）射的作用；

4）忽略焓的作用；

5）熔化材料被全部排出。

通過仿真前的分析可（kě）知，電火花放電蝕除材料的範圍（wéi）很小，一般（bān）在幾十微米以內，因此合理的（de）建模很重要（yào）。由於分（fèn）析的模型是軸對稱的，所以建立半徑為 80 μm 的 1/4 圓形。

網格的劃分是 ANSYS 仿真分析過程（chéng）中占用工作（zuò）時間最長且最為關鍵的（de）一步，其劃分的好壞對（duì）仿真分析結果的正確與否造成直接影響。電火花線切割加工（gōng）溫（wēn）度場（chǎng）在很小的範圍（wéi）內溫度急劇變化（huà），因此（cǐ）在放電點周圍的網格（gé）需要劃分的較細。基於對工作效率的考慮，在遠離放（fàng）電點的（de）區域，其網格相（xiàng）對可以大些[26]。本研究仿真分析劃分（fèn）網格大小為 5 μm，並且在局部進行細（xì）化。圖 4-2 為劃分網格後的二維模型，單元類型采用 4 節點的PLANE55。

圖 4-2 二維模型與網格劃分

為便於分析，建立圖 4-3 所示的（de） 1/4 三維模型並進行網格劃分，單元類型采用 8 節點的 SOLID70。

圖 4-3 1/4 三維模型（xíng）與網格劃分

4.3.2 定義（yì）材料屬性

Cr12Mo V 鋼（gāng）的導熱係數與（yǔ）比熱容是隨溫度變化的。電火花線切割加工過程中溫度急劇變化，最高（gāo）溫度（dù）可達 10000℃，利用 ANSYS 中 Add Temperature 功能將這些離散的參數輸入，係統會自動進行插值。表 4-1 所示（shì）為 Cr12Mo V 鋼（gāng）的物理性能參數。

表 4-1 Cr12Mo V 鋼的（de）熱物理性能參數

4.3.3 初始條件與（yǔ）邊界條件

1）初始條件

模擬電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場是一個瞬態熱分析的過程，它的溫度是隨（suí）著時間（jiān）變化而變（biàn）化的。由於條件限製，所模擬（nǐ）溫（wēn）度場是單次脈衝寬度時間內產生的。因此，需要設置的初始條件為 t=0 時的溫度（dù）。t=0 是指帶電粒子雪崩式增多，表麵熱源作（zuò）用於工件表麵，即將形成放電通道的時刻（kè）。所以初始條件即 t=0 時，溫度（dù）為室溫T0=20℃。

2）邊界條件

準確模擬電火花（huā）線切割加工的溫度場，需明確（què）熱的作（zuò）用形式。在單次脈衝作用下，放電通道映射（shè）到工件表（biǎo）麵（miàn）的圓形區域為熱流密度作用區域，與工作液接觸的表麵為熱對流區域，其他表麵及內部為熱傳導（dǎo）區域。如圖 4-4 所示。

圖 4-4 熱載荷施加示意圖

建立邊界條（tiáo）件的（de）數學模型時，除熱流密度輸入（rù）區域與熱對流區域，需假設模型大小為無窮大，因此其他麵都為 20℃。其數學（xué）模（mó）型為：

4.3.4 荷載施加

當放電通道形成後，電子與離子碰撞產生高溫。由於圓柱（zhù）形通道中心（xīn）處發生的（de）碰撞最多，沿徑向碰撞逐漸減少，因此通道的能量分（fèn）布（bù）與高（gāo）斯分布相符[28]，如圖 4-5 所示。

帶（dài）電粒子相（xiàng）互（hù）碰撞產生大量的（de）能量，其（qí）中有一（yī）部分是被工作液帶走或者以熱輻（fú）射的形式散（sàn）失[29]，大（dà）部分能量以熱能形式分配到（dào）正負極上，由於極性效應，正（zhèng）負極所得到的能量分別占到 40%和 20%[30]。

圖 4-5 高（gāo）斯熱源

ANSYS 中對於（yú）熱分析提供下（xià）列幾種載荷形式：

1）溫度：是一種自由度約束作用於溫度已知的邊（biān）界上。

2）對（duì）流：是（shì）一種麵載荷作用於模型的外表麵。

3）熱（rè）流密度：是一種麵載荷作用於模型的（de）外表麵或表麵效應單元。

本次研究中（zhōng）分配到正極即工件表麵的能量以熱流（liú）密（mì）度形式輸入，表 4-2 為加工（gōng）參數（shù），熱流密度的輸入半徑（jìng）即（jí）放電通道半徑值列於表 4-2，它的值隨峰值電流的改變而改變。熱對流與熱傳導區域在圖 4-4 中表示。熱流密（mì）度 q 的表達（dá）式為：

電火花線切割加工時，極間產生的通道的直徑很小，因此為簡化計算（suàn），假設通道圓形（xíng）截麵上的（de）能量是均（jun1）勻的，即熱流密度輸入是均勻的，將（4-6）式簡化後的表達式（shì）為：

簡化（huà）後的熱流密度是一個關（guān）於時間的函數，利用 ANSYS 中的函數編輯器（qì）編輯函數並通過加載器施加一個隨時間變化的熱流密度到模型表麵。

表 4-2 加工參數

4.4 結果與驗（yàn）證

4.4.1 求解

保持其他電參數不變，通過改變峰值電流的大小，仿真（zhēn）分析其對表（biǎo）麵（miàn）粗糙（cāo）度的影響，表 4-2 中為（wéi）其參數範圍。如圖 4-6 中（a），（b），（c），（d）分別（bié）為（wéi）峰值電流 I=2，3，4，5A 時溫度（dù）場的分布雲圖。由圖（tú）中可知，中心區域（yù）的溫度可達近 10000℃，並且隨著峰值電（diàn）流的增大，中心區域的溫度也不斷增加。Cr12Mo V 鋼的熔點在（1000-1150）℃，在近達 10000℃的高溫下，工件材料（liào）迅速熔化氣化，達到蝕除材（cái）料的目的。

圖 4-6 不同峰值電流（liú）下的（de）溫度場分（fèn）布雲圖

單個脈衝能（néng）量增大，則（zé）材料（liào）蝕除率增加，但是表麵質量會變差（chà），因此（cǐ）峰值電流的改變（biàn）必然會影響（xiǎng）表麵（miàn）質量。圖 4-7 中（a），（b）），（c），（d）所示為在峰（fēng）值電流 I=2，3，4，5A 時（shí），溫度沿深（shēn）度方向變化的曲線。由（yóu）圖可知沿（yán）著遠離熱流（liú）密度輸入表麵的方向，溫度逐漸降低。由於 Cr12Mo V 鋼的熔點為 1000-1150℃，故將 4 個（gè）不同峰值電流（liú）情（qíng）況下，沿深度方向溫度大於（yú） 1150℃的長度認為是放（fàng）電加工完全蝕除工件材料形成凹坑的深度，表 4-3 中為不同峰值（zhí）電流下得到的凹（āo）坑深度值的記錄（lù）。

圖 4-7 沿深度方向的溫度分布（bù）曲線

表 4-3 凹坑深度

4.4.2 試驗驗證（zhèng）

利用仿真分析的試驗平台電火花線切割機床，設定與模擬過程中（zhōng）相同的電參數進行加工（gōng）。將切割得到的試件測量（liàng）其表麵粗糙度值，同樣將不同峰值電流下表麵粗糙度（dù）的變化（huà）趨勢在圖 4-10 中表示，從圖 4-10 可以看出，通過仿真預測的表麵粗糙度趨勢與試（shì）驗結果（guǒ）相符。但是數值（zhí）上有一定的偏差，這（zhè）是由於白層（céng）的影響。在放電加工過程中（zhōng），溫度（dù）急（jí）劇（jù）變化，一部分熔化材料來不及（jí）被排（pái）出使得冷卻後重新（xīn）凝結與基體上，這一層也就是白層[31]。關於白層的厚度，它不僅與電參數（峰值電流、脈寬時間），還與走絲速度有關係[32]。利用三維超景深顯微鏡可以觀察到白層在最表層，接下來是熱影響層，還（hái）有基體。圖 4-8 為峰值電流 I=4A 時的（de）工件表麵形（xíng）貌，圖 4-9 是峰值（zhí）電流 I=4A 時工件側麵觀察到白層、熱影響層以及基體的分布。

圖 4-8 I=4A 放大（dà） 500 倍 Cr12Mo V 試件表麵形貌

圖 4-9 峰（fēng）值電流 I=4A 條件下試件結構分布

因此，修正（zhèng）後的凹坑深度應為仿（fǎng）真凹坑深度減去白層的厚度，表 4-4 中所示為利用三（sān）維超景深顯微（wēi）鏡觀察並測（cè）量峰值電流 I=2，3，4，5A 時白層（céng）的厚度。將得到的修正值的變化趨勢在圖 4-10 中表示出來，從圖 4-10 中可以看出（chū）修正後的值與實際（jì）表麵（miàn）粗糙度已經很接（jiē）近了。

表 4-4 白（bái）層厚度與（yǔ）修正值