Cr12Mo V 的電（diàn）火花線切割加工（gōng）工藝參數研究
2016-9-12 來源：太原理工大學 作者：啟靜凱 李 文 斌
摘（zhāi）要:隨著人們對工業產品的精度、質量要求（qiú）越來越高，相關模具的製造精度、表麵質量（liàng）以及模具材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到不斷提（tí）高。Cr12Mo V 滿（mǎn）足了模具材料在硬（yìng）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（gāng），應用於生（shēng）產（chǎn）截麵麵積大、外形複雜的各種冷衝模具。
Cr12Mo V 鋼具有高（gāo）硬度性能，尤其為提高模具成型精度，經熱處理後（hòu）的（de） Cr12Mo V 硬度（dù）≥60HRC，利用傳統切削方式很難加工。基於此，利用電火花線切割加工 Cr12Mo V 成為（wéi）最佳選擇。電火（huǒ）花（huā）線切割加工是利用脈衝火花（huā）放電蝕除材料，並通過數（shù）控係（xì）統對工件（jiàn）切割成形，可（kě）解決（jué）這種模（mó）具材料的難加工問題，並能滿足製造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝參數（本文主要以電（diàn）參數為主，包括脈寬時間、脈間時間、峰（fēng）值電流以及間隙電壓）對材料去除率和表（biǎo）麵粗糙度的影響，以達到對（duì）電參數優化選取的（de）目的，從而提高電火花線切割加工（gōng） Cr12Mo V 的加工效率和表麵質量。
利（lì）用（yòng）單因素試驗法，通過改變電火花線切割機床的電參數，得出各個電參數對電火花（huā）線切割加工Cr12Mo V的材（cái）料去除率與表麵粗糙度的影響規律。在此基礎上，利用有限元分析軟件 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，劃分網格，確定能量在放電通道內分布的形式，施加荷（hé）載並求解，得到電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼 的（de）溫（wēn）度場分布，來預測（cè）峰值電（diàn）流的改變對（duì）表麵粗糙度的影響。將白層厚度考慮（lǜ）在內並且修正仿真凹坑深度值後，與實際加工（gōng）的結果進行對（duì）比驗證，得出了更為吻合的修正凹（āo）坑深度曲線與表（biǎo）麵粗糙度曲線，表明可通過ANSYS 仿真電火花加（jiā）工溫度場進行電參（cān）數的合理選擇。
應用正交實驗法，通過合理設置考（kǎo）察因素水平，設計表頭，確定以 L16(45)正交表進行正交試驗，得到試驗結果。對試驗結果分（fèn）別進行極差分（fèn）析和方差分析，探索電火花線切割的脈寬時間、脈間時（shí）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（zhǔ）次順序和顯（xiǎn）著性。以正交試驗結果為基礎（chǔ）應用灰（huī）關聯分析法，將材料去除率和表麵粗糙度量綱歸一化後進行關聯分析，計算關聯度（dù）值，選取關聯值最大的一組電（diàn）參數為最優參數組合（hé），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。結果表明，利用經優化後的參數組（zǔ）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（huà）問題。
總之，本文通（tōng）過一係列（liè）試驗和分析方法，研究了（le）電火花線切割加工Cr12Mo V 的電參數的選取和優化問題，為實（shí）際生產提供理論指導。
關鍵（jiàn）詞：電火花線切割加（jiā）工（gōng），Cr12Mo V，電（diàn）參數，材料去除率，表麵粗糙度，有限元分析（xī）
4、電火花線切割（gē）加工（gōng） Cr12Mo V 的仿真分（fèn）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（chū）各個電參（cān）數對材料去除率和表麵粗糙（cāo）度的影響，但是這一係列的試驗（yàn）需要（yào）大量的前期準備、試驗過程（chéng）以及後期數據采集分析，還要耗費（fèi）一定的人力和物力。因此，科（kē）學（xué）經濟地提高電火（huǒ）花線切割加工Cr12Mo V模具鋼的加工質量顯（xiǎn）得尤為（wéi）重要。
ANSYS在熱分析方麵強大的功（gōng）能滿足了這一要求，通過仿真模（mó）擬電火花線切割加（jiā）工Cr12Mo V鋼的溫度場分布，來預估電（diàn）參（cān）數的（de）改變對表麵粗糙度的影響，由單因素試（shì）驗可（kě）知，脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓都對表麵粗糙度有（yǒu）影響，如果將這些變量都考慮在內，這樣模型無法建立，不能進行模擬。因此，本研究利用ANSYS仿真模擬是在單（dān）脈衝條件下進（jìn）行的，這樣可（kě）以不考慮脈間時間這些因素，其（qí）次單脈（mò）衝是（shì）研究電火花（huā）線切（qiē）割加工（gōng）的基礎，以此得到（dào）其（qí）他電參數對整個加工過程的影響。
本章通過仿真模擬電火（huǒ）花線切割加工Cr12Mo V鋼（gāng）的溫度場分布，來預測峰值電流的改變對表麵粗糙度的影響，並將白層厚（hòu）度考慮在內修正仿真（zhēn）凹坑深度值，與實際加工的結果進（jìn）行對比驗證，希望得出較為吻合的修正凹坑深度曲線與表麵粗糙度曲（qǔ）線，證實利用ANSYS模（mó）擬電火（huǒ）花加工溫度場進行電參數（shù）的（de）合理選（xuǎn）擇（zé），以此改善加（jiā）工質（zhì）量的可行性。
4.2 模型的建立
4.2.1 物（wù）理模型的建（jiàn）立
本研究的試驗平（píng）台是 FW-1 型高速走絲電火花線切割機床，其采用 Φ0.18 mm 的鉬絲作為電極絲，試驗材料為經過高溫淬火的 Cr12Mo V 鋼。為便於分析所建立的電火花線切割加（jiā）工物理模型如圖4-1 所示。
圖 4-1 電火花（huā）線切割加工物理模型
1）放電（diàn）通道的（de）形成
由等離子體組成的放電通道中包括中性離子、原子或分子以及帶正（zhèng）電和帶負電（diàn）的的正離子和電子。電火花（huā）線切割加工過程中，極間施加一個脈衝電壓形成電場。在電場的作用（yòng）下（xià），處於負極的電極絲逸出電子並且高速（sù）向正極運動，與工作液中的（de）分子或原子碰撞，形成帶正電的粒子，導致帶電粒子雪崩式增多，當工件與電極絲（sī）之間的脈衝電壓增大到大於工作介質之（zhī）間的擊穿電壓時，形（xíng）成放電通道（dào）。
2）放電通道半徑（jìng）
由於現有觀察設備和計量設備的限製，放電通道（dào）的半徑很難確定。不少學者對此作了研究，總結得出了一些經驗公式。放電通道的半徑與峰值電流，脈寬時間（jiān）有關係。
Dibitonto，Eubank[22]等人研究發現，每（měi）一個峰值（zhí）電流，都有一個對應的（de）最佳脈寬時間，他們得到的經驗（yàn）公式為：
Tb=-0.00002I4+-0.0025I3-0.0122+2.7292+1.2881 （4-1）
式中：Tb—最佳脈寬（kuān）時間，μs；
I —峰值電（diàn）流，A。
樓樂明[23]在此基礎上對放（fàng）電通（tōng）道進行了研究（jiū），並總（zǒng）結出了放電通道半徑的經驗公式：
上海交（jiāo）通大學的薛瑞[24]總結前人研究，認為通道半徑為：
式中：R（t）—通道半（bàn）徑，m；
I，Tb與（4-1）式相同；
t—時間，s。
通（tōng）道半徑是隨時間（jiān）變化（huà）而逐漸增大，形狀大致（zhì）是圓柱體（tǐ）[25]。本研究采用式（4-3）來（lái）確定通道半徑。
3）熱（rè）源形式
電火花線切割加工蝕除材料的過程是高溫（wēn）熔化、氣（qì）化工件材料的過程（chéng），對於這一過程中產生高溫的熱源的（de）形式有兩種：一種是體積（jī）熱源，一種是表麵熱源。兩（liǎng）種熱源（yuán）形式的作用效果也是（shì）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（gōng）開始階段，此時處於形（xíng）成電場初期，工作液中所形成的（de）帶電粒子沒有雪崩式增多，電（diàn）流密度較小，溫度較低，溫度變化發（fā）生在工件內部，對於去（qù）除材料作用有（yǒu）限。因此，體積熱源對於電火花線切割加工（gōng）過程作用很小，基本忽略不計。表麵熱源作用於電子與工作液碰（pèng）撞產生（shēng）電離，造成（chéng）帶電粒子（zǐ）迅速增多，形成放電通（tōng）道的過（guò）程中。此時由於帶電粒子相互撞擊，產生大量的熱，通道溫度急劇上升。這樣大量的熱（rè）傳遞到工件表麵，並且向工件內部傳導，達到工件熔點，使（shǐ）得工件熔化，甚至氣化達到蝕除材料的目的。
綜上所述，本次（cì）研究的電火（huǒ）花線切割加工 Cr12Mo V 鋼（gāng）的溫度場分布中（zhōng）熱源形式為表麵熱源。體積熱源的作用（yòng）很小（xiǎo），在（zài）模擬仿真的過程中忽略不計（jì）。
4.2.2 數學模（mó）型的建立
模擬電火花線（xiàn）切割單（dān）次脈衝放電加工，這一過（guò）程在幾十（shí）微秒的時間內即可完成。在幾十微秒內產生大量的熱量並且集（jí）中在很小的區域（yù）內，所以該過程屬於瞬態非線性傳導問題，對於非線（xiàn）性瞬態分（fèn）析（xī）可得到圓柱坐（zuò）標係下的傳導方程：
4.3 仿真分析
4.3.1 建模與劃分網格
電火花線切（qiē）割加工過程是複雜且難以觀察的（de），模擬電火（huǒ）花線切割蝕除材（cái）料比較困難（nán），因此在建立模型時，需要簡化一些次（cì）要因（yīn）素，達到優化並（bìng）且保證分析（xī）正確的目的，故假設下列條件：
1）模（mó）型是軸對稱圖形；
2）放電（diàn）通道是圓柱形的，且映射到工件表麵為圓形；
3）忽略熱輻射的作（zuò）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知，電火花放（fàng）電蝕除材料的範圍（wéi）很小，一（yī）般在幾（jǐ）十微米（mǐ）以內（nèi），因此合理的建模很重要。由於分析的（de）模（mó）型是軸對稱的，所以建立半徑為 80 μm 的 1/4 圓（yuán）形。
網格的劃分是 ANSYS 仿真分析過程中占用工（gōng）作時間最長且最為關鍵（jiàn）的一步，其劃分的好壞對仿真分析結果的正確與否造成直接影響。電火花線切割（gē）加工溫度場在很小的範圍內溫度急劇變化（huà），因此在放電點周（zhōu）圍的網格需要劃分的較細。基於對工作效率的考慮，在遠離放電點的（de）區域，其網格相（xiàng）對可以大些[26]。本研究（jiū）仿真分（fèn）析劃分網格大小為 5 μm，並且在（zài）局（jú）部進行細化。圖（tú） 4-2 為劃分網格後的二維模型，單（dān）元類型采用 4 節點（diǎn）的PLANE55。
圖 4-2 二維模型與網（wǎng）格劃分
為便於分析，建立圖 4-3 所示的 1/4 三維模型並進（jìn）行網格劃分，單（dān）元類型采用 8 節點（diǎn）的（de） SOLID70。
圖 4-3 1/4 三維模型與網格劃分
4.3.2 定義材料屬性
Cr12Mo V 鋼的導熱係數與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，最高溫度可達 10000℃，利用（yòng） ANSYS 中 Add Temperature 功能將這（zhè）些離散的（de）參數輸入，係統會自動進行插值。表 4-1 所示為 Cr12Mo V 鋼的物理性能參數。
表 4-1 Cr12Mo V 鋼的熱（rè）物理性能參（cān）數
4.3.3 初始條件與邊界條件
1）初始條件
模擬電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼（gāng）的溫度場是一個瞬態熱（rè）分析的過程，它的溫度是隨著時間變化而（ér）變化的。由於條件限製，所模擬溫度場是單次脈衝寬度（dù）時間內產生的。因此，需要設置（zhì）的初始條件為（wéi） t=0 時的溫度。t=0 是指帶電（diàn）粒子雪崩式增多，表麵熱源作用於工件表麵，即將形成放電通道的時刻（kè）。所以初始條件即 t=0 時，溫度為室（shì）溫T0=20℃。
2）邊界（jiè）條件（jiàn）
準確（què）模擬電火花線切割加工的溫度場，需明確熱（rè）的作用（yòng）形（xíng）式。在單次脈衝作用下（xià），放電（diàn）通道（dào）映射到工件表麵的圓形區域為熱流密度作用區域（yù），與工作液接觸的表麵為熱對流區域（yù），其他（tā）表麵（miàn）及內部為熱傳導區域。如圖 4-4 所示。
圖 4-4 熱載（zǎi）荷（hé）施加示意圖
建立邊（biān）界條件的數（shù）學模型時，除熱流密度輸入區域與熱對流區域，需假設模型大小為（wéi）無窮大，因此其他麵都為 20℃。其數學模型為：
4.3.4 荷載施加
當放電通道形（xíng）成後（hòu），電子與離子碰撞產生高溫。由於圓柱形通道中心處發（fā）生的碰撞最多，沿徑向碰撞逐漸減少，因此（cǐ）通道的能量分布與高斯分布（bù）相符[28]，如圖 4-5 所（suǒ）示（shì）。
帶電粒子相互碰（pèng）撞產生大量的能（néng）量（liàng），其中有一（yī）部分是被工（gōng）作液（yè）帶（dài）走或者以熱輻射（shè）的形式散失[29]，大部分能量以熱能（néng）形式分配到正負極上，由於極性效應，正負極所得到（dào）的能量分別占到 40%和（hé） 20%[30]。
圖 4-5 高斯熱源
ANSYS 中對於熱分析提供下列幾種載荷形式：
1）溫度：是一種自由度約束作用於溫度已知的邊界上。
2）對流：是一種麵載荷作用於模型的外表麵。
3）熱流密度：是一種麵載荷作用於模型的外表麵或表麵效應單元。
本次（cì）研究中分配到正極即工件表麵的能（néng）量以熱流密度形式輸入（rù），表 4-2 為加工參數，熱流密度的輸入半徑即放電通道半徑值（zhí）列（liè）於表 4-2，它的值隨峰值電流的改變（biàn）而改變。熱對流與熱傳導區域在圖 4-4 中（zhōng）表示。熱流密度 q 的表達式為：
電火花線切（qiē）割加工時，極間產生的通道的直徑很（hěn）小，因此為簡化計算，假設（shè）通道圓形截麵上的能量是均勻的，即熱流密度輸入是均勻的，將（4-6）式簡化後的表達式為：
簡化後的（de）熱流（liú）密度是一個關於時間的函數，利用 ANSYS 中的函數編（biān）輯（jí）器（qì）編輯（jí）函數並通過（guò）加載器施加一個（gè）隨時間變化的熱流密度到模型表麵。
表 4-2 加（jiā）工參數
4.4 結果（guǒ）與驗證
4.4.1 求解
保持其他電參數不變，通過改變峰值電（diàn）流的大小，仿真分（fèn）析其對表麵粗糙度的影（yǐng）響，表 4-2 中為其（qí）參數範圍。如圖 4-6 中（zhōng）（a），（b），（c），（d）分別為峰值電流（liú） I=2，3，4，5A 時（shí）溫度場的分（fèn）布雲圖。由圖（tú）中可知（zhī），中心區域的溫度可達近 10000℃，並且隨著峰值電流的增大，中心區域的溫度也不斷增加。Cr12Mo V 鋼的熔點在（1000-1150）℃，在近（jìn）達 10000℃的高溫下，工件材料迅速熔化氣化，達到蝕（shí）除材料的目的。
圖 4-6 不同峰值電流下的溫度場分（fèn）布雲圖（tú）
單個脈（mò）衝能量增大，則（zé）材料蝕除率增加，但是表麵質量會變差，因此峰值電流的（de）改變必然（rán）會（huì）影響表麵質量。圖（tú） 4-7 中（a），（b）），（c），（d）所示為在峰值電流 I=2，3，4，5A 時，溫度沿深度方向變化的曲線。由圖可知沿著遠離熱流密度（dù）輸（shū）入表麵的方向，溫度逐漸降低（dī）。由於 Cr12Mo V 鋼的熔點為 1000-1150℃，故將（jiāng） 4 個不同峰值電流情況下，沿深度方向溫（wēn）度大於 1150℃的長度認為是放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（tóng）峰值電流下得到的凹坑深度值的記錄。
圖 4-7 沿深（shēn）度方向的溫度分（fèn）布曲線
表 4-3 凹坑深度
4.4.2 試（shì）驗驗證
利用仿（fǎng）真分析的試驗平台電火花（huā）線切割（gē）機床，設定與模擬過程中相同的電參數進行加工。將切（qiē）割得到的試件測量其表麵粗糙度值，同樣將不同峰值電流下表麵粗糙度的變化趨勢在（zài）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（shì）與試驗結果相（xiàng）符。但是（shì）數值上有（yǒu）一定的（de）偏差（chà），這是由於白層的影（yǐng）響。在放電加工過程中（zhōng），溫度急劇變化，一部分熔化材料來不及被排出使得冷卻後重新（xīn）凝結與基體上，這一層也（yě）就是白層[31]。關於（yú）白層的厚度，它不僅與電參數（峰值電（diàn）流、脈寬時間），還與走絲速度有關係（xì）[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（lái）是熱（rè）影響層，還有基體。圖 4-8 為峰值電流 I=4A 時的工件表麵形貌，圖 4-9 是（shì）峰值電流 I=4A 時工件側麵觀察（chá）到白層、熱影響層以及基體的分布。
圖 4-8 I=4A 放大 500 倍 Cr12Mo V 試件表麵形貌
圖（tú） 4-9 峰值電流（liú） I=4A 條件下試件結構分布
因此，修正後的凹坑深度應為（wéi）仿真凹坑深度減去白層的厚度，表 4-4 中所示（shì）為利用三維（wéi）超景深顯微鏡觀察並測量峰值電流 I=2，3，4，5A 時白層的厚度。將得到（dào）的修正值的變（biàn）化趨勢在圖 4-10 中（zhōng）表示出來，從圖 4-10 中可以看出修正後的值與實際表麵粗糙度已經很接近（jìn）了。
表 4-4 白層厚（hòu）度與修正值
圖 4-10 凹坑（kēng）深度（dù）、表麵粗糙度和修正值（zhí）趨勢圖
4.5 本章（zhāng）小結
本章在單因（yīn）素試驗的基礎（chǔ）上，通過建模、劃分網格、加載、求解分析，證實了利用ANSYS 仿真分析電火花線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 鋼的溫度場分（fèn）布能夠很好的預測峰值（zhí）電流對表麵（miàn）粗糙度的（de）影響。
1）對比高速走絲電火花線切割加工 Cr12Mo V 的過程，建（jiàn）立合理的物理模（mó）型，是成功（gōng）模擬溫（wēn）度場分布（bù）的基礎。
2）科學構建實（shí）體模型，考（kǎo）慮到分析效率，劃分網格的過程（chéng）中，其（qí）他區域網格稍微大些，而將放（fàng）電點周圍網格進行細化。
3）通過分析高（gāo）速走絲電火花線（xiàn）切（qiē）割加（jiā）工 Cr12Mo V 的微觀過程，掌握放（fàng）電通道的形成過程，能量在放電通道的分布形式（shì），計算得出放電通道半徑，將熱流（liú）密（mì）度準確加載於工件表麵。
4）通過（guò）分析產生白層的原因，利用顯微鏡觀（guān）察驗證了這（zhè）一結構的存在。在仿真分析的過（guò）程中將白層厚度的影（yǐng）響考慮在內，可以（yǐ）得到更加吻合的曲線。
綜（zōng）上所述，利用相同（tóng）的方法也可以研究其（qí）他電（diàn）參數對表麵粗糙度的影響，對（duì）改善加工和增加經濟效益有（yǒu）重要作用。
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