Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝（yì）參數研究
2016-9-5 來源： 太 原 理（lǐ） 工 作者： 啟靜凱 李 文（wén） 斌
摘要:隨著人們對工業產品的精度、質量要求越來越高，相關模具（jù）的製造精度、表麵質量以及模具（jù）材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得（dé）到不斷提高（gāo）。Cr12Mo V 滿（mǎn）足了模具材（cái）料在硬度、耐磨性、耐（nài）腐蝕性方麵的要求，作為一種廣泛使用的冷作模具鋼，應用於生產截麵麵積大、外形複雜的各種冷衝模具。
Cr12Mo V 鋼具有高硬度性能，尤（yóu）其（qí）為提高模具（jù）成型精（jīng）度，經熱處（chù）理後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利（lì）用傳統切削方式很難加工。基於（yú）此，利用（yòng）電（diàn）火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 成為最佳選擇。電火花（huā）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（mó）具（jù）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（xiàn）切割加工工藝參數（本文主要以電參數為（wéi）主，包括脈寬時間、脈間時間、峰值電流以（yǐ）及間隙電壓）對材料去除率和表麵粗糙度的影響，以達到對電參數優化（huà）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。
利用單因（yīn）素試驗法，通過改變電（diàn）火花線切割機床的（de）電參數，得出各個電參數對電（diàn）火（huǒ）花（huā）線（xiàn）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（hé）理的物理模型（xíng）和數學（xué）模型（xíng），劃分網（wǎng）格，確定能量在（zài）放電通道內分布的形式，施（shī）加荷載（zǎi）並求（qiú）解，得到電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼 的溫度場分布，來預測峰（fēng）值電流的改變對表麵粗糙度（dù）的影（yǐng）響。將白層（céng）厚度（dù）考慮（lǜ）在（zài）內並且修正仿真凹坑深度值後（hòu），與實（shí）際加工的結果進行對比驗證，得出了更為（wéi）吻合的（de）修正凹坑深度曲線（xiàn）與表麵粗糙度曲線，表明可通過ANSYS 仿（fǎng）真（zhēn）電火花加工溫度場進行電參數的合理選擇。
應用正交實驗法，通過合理設置考察因素水平，設計表頭，確定以 L16(45)正交表進行（háng）正（zhèng）交試驗，得到試驗結果。對試驗（yàn）結果分別進行極差分析和方差分析，探索電火（huǒ）花線切割（gē）的脈寬時間、脈（mò）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順序和顯著性。以正交試驗結果為基礎應用灰關聯分析（xī）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，計算關聯度值，選取關聯值最大的一組電參數（shù）為（wéi）最優參數組合，即：脈（mò）寬時間為（wéi） 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。結果表明，利用經優（yōu）化（huà）後的參（cān）數組合切割加工試件，達到了預期的加工（gōng）效（xiào）果（guǒ），解決了參數組合的優（yōu）化問題。
總之，本文（wén）通過一係列（liè）試驗和分析方法，研究了電火花（huā）線（xiàn）切割加工Cr12Mo V 的電參數（shù）的選取和優化問題，為（wéi）實際生產提供理論指導。
關鍵詞：電（diàn）火花線切割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率（lǜ），表麵粗（cū）糙度，有限元分析
2、電火花線切割加工Cr12Mo V 試（shì）驗方案確定
2.1 電火花線切割加工Cr12Mo V 的（de）試（shì）驗設備和試驗材料的選取
2.1.1 電火花線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 的試驗設備
北京阿奇夏米爾有限公司是一家合資的高新技術（shù）企業，是國內電加工機床的領導者，其生產的機床種類齊全，性能優異。本（běn）課題研究以該公司生產的 FW-1 型高速走絲電火花線切割機床為試驗平台，如圖（tú） 2-1 所示為該型號機床的外觀及主要部件。
圖 2-1 FW-1 型高速走（zǒu）絲電火花線切割（gē）機床
硬件方麵，FW-1 型電火花線切割機床采用大截麵式立柱結構、鑄鐵床身，結（jié）構緊湊，整機剛性好，且擁有精密級直線滾動導軌和滾珠絲杠副，運動精度高。為提（tí）高線切割工作液的使用周期，改善加工質（zhì）量，減少環境汙染，該電火花線（xiàn）切割機床獨特設計了帶有濾芯的過濾係統（tǒng）。具有（yǒu）恒張力控製的走絲機構，確保高的加工精度，而（ér）且設有如圖2-2 所示（shì）功能強（qiáng）大的人機交互界麵。
圖 2-2 FW-1 的人機交互界麵
在軟件方麵，FW-1 型電火花線切割機床具備（bèi）自動半徑補償功能，以提高（gāo）零件加工精度（dù）。通過（guò）數控係統實現 X、Y、U、V 四軸聯動，進行錐度加工。還可以采用手動編程和全中文的 CAD/CAM 自（zì）動編程，編程代碼既可用 ISO 代碼編程，亦可使用 3B/4B格式（shì）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其優越的性能，市場（chǎng）占有率高，表 2-1 列出了該機床的主要規格及參數。
表 2-1 FW-1 型高速走絲電火花線切割機床主要參數
2.1.2 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的試驗材料的選（xuǎn）取
Cr12Mo V 鋼中的 C 和 Cr 元素含量較高，是萊氏體鋼。其（qí）在淬（cuì）火後耐磨性較高，表麵能形成致密氧化膜，提高抗腐蝕能力和降低摩擦係數[12]。因此 Cr12Mo V 鋼被廣泛（fàn）應用於製造冷作模具（jù），同時為了提高模具成型精度，防止熱加工對零件的影響，一般是熱（rè）處（chù）理完成後再利用線切割加工[13]。Cr12Mo V 經過熱處理後硬度≥60HRC，利用（yòng）傳統加工（gōng）方（fāng）式很難（nán）進行，且對刀具損害較大，故利用電（diàn）火花線切割適合加工難加工材料的優勢，選擇利用其加工 Cr12Mo V 鋼。
綜上所述（shù），本研究采用的試驗材料為高溫淬火後的（de） Cr12Mo V 鋼。試驗材料的尺（chǐ）寸大小為 120mm×20mm×10mm，如圖 2-3 所示。為提高（gāo）此材料的利用率，切割的（de）試件為1mm×20mm×10mm，其（qí）外形尺寸如圖 2-4 所示。
圖 2-3 試驗工件毛（máo）坯外（wài）形尺寸
圖 2-4 試件尺寸
2.2 電火（huǒ）花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的工藝指標及其影響（xiǎng）因素
2.2.1 電火（huǒ）花線切割加工 Cr12Mo V 的工（gōng）藝指標
工藝指標是指一種加工方（fāng）式加工完成後所（suǒ）滿足工藝要求的指標。材料去除率、電極絲的損耗量、表（biǎo）麵粗糙度和尺寸精度是電火花（huā）線（xiàn）切割加工的四個工藝指標（biāo）。其中材（cái）料去除率（lǜ）和表麵粗糙（cāo）度是電火花線切割加工 Cr12Mo V 的（de）兩（liǎng）項重要的工藝指（zhǐ）標[14]。本（běn）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（dān）位時（shí）間（jiān）內的切割麵積，單位為 mm2/min。材料去除率數（shù）值可以通（tōng）過機床係統（tǒng）記錄的加工時（shí）間與加（jiā）工表麵積比值計算。
表麵粗（cū）糙度是對加工質量的度（dù）量，采用輪廓算術平均偏差 Ra（μm）來表（biǎo）示。Ra 值可（kě）通過 TR200 粗糙（cāo）度測量（liàng）儀測定。如圖 2-5 所示為 TR200 粗糙度（dù）測量儀。
圖2-5 TR200手持式表麵粗糙度測量儀
2.2.2 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響因素
1）被（bèi）加工材料的熱力學屬性對加工的影響（xiǎng）
高溫（wēn）熔化、氣化工件材料是電火花線切割加工蝕除材料，達到工件成形目（mù）的的方式，熱現象是整（zhěng）個加工過程的最主要物理現象，因此（cǐ）被加工材料自身的熱力學（xué）屬性對（duì）加工速度和表麵（miàn）質量影響很大。這些熱（rè）力學屬性包括熔點、比熱容和熱導率等。
在一定熱能作用（yòng）下，熔點和比熱容越低的材料就越容易加工（gōng），反之則越難加（jiā）工。對於熱導率，它的數值越（yuè）高則導熱性越好。在（zài）相同的熱能作用下，導熱率越強，能量擴散（sàn）越快，使（shǐ）得熱能不能集中（zhōng）到一塊迅速達到材料熔點、沸點（diǎn），加工效率下降。
2）非電參數對加（jiā）工的影響
電（diàn）火（huǒ）花線（xiàn）切割加工過程中除了受被加工材料本身（shēn）的屬性的影響（xiǎng），機床本身的參數對加（jiā）工的作用是相當大的，包括電參（cān）數和（hé）非電（diàn）參（cān）數。而工作液性質及噴液的壓力、工件厚度和電極絲的張力都屬於對加工有（yǒu）影響（xiǎng）的非電參數。
其中工作液的作用在加工過程中非常重要。它在（zài）脈衝放電下形成放電通道，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（chǎn）生冷（lěng）卻作用。壓縮放電通道可以提高通道的能（néng）量（liàng）密度，單位能量密度（dù）的增加有利於提高加工效率，采用介電性能好、密度和粘度大的工作液能幫助達到這一（yī）目的。但粘度過高使蝕除物的排出困難，這時可以（yǐ）選擇通過調節（jiē）噴液的壓力來提高（gāo）排出速（sù）度。工件的厚（hòu）度也（yě）會（huì）影響加工，加工較厚（hòu）的（de）工件（jiàn），同樣噴液壓力情況下，相比於薄工件其加工過程排屑困難，使得加工過程出現不穩定[15]。電極絲張力的大（dà）小對（duì）表麵粗糙（cāo）度的影（yǐng）響較大，增加張力（lì）可以減小（xiǎo）表麵（miàn）粗糙度值[16]。這是由於增大張（zhāng）力可以（yǐ）減小工（gōng）作（zuò）液壓力和放電（diàn）爆炸造成的電極絲振動。
3）電參（cān）數對加工的影響
電火花線切割在加工過程中，對表麵粗糙（cāo）度和材料去除率產（chǎn）生影響的主要電參數包括脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV[17]。
本研究的（de）所使用的電火花線切割機（jī）床對上述四個參數的大小有相應的（de）規定：
ON：設定脈寬時間。值為（ON+1）μs，且（qiě） ? 32μs； OFF：設定脈（mò）間時間。值為（OFF+1）×5μs，且（qiě） ? 160μs； IP：設定峰值電流，範圍為（wéi） 0.5~9.5，小數點後的值在 0~4 之間認為是 0，在 5~9 之間則認為是 5。接觸感知時 IP 為 0.5。
SV：設（shè）定間隙電壓，其（qí）值 7V。
依據 FW-1 型電火花線切割機（jī）床對（duì）脈寬時間 ON、脈間時（shí）間 OFF、峰值電流 IP 和間隙（xì）電壓 SV 設置的規定來選擇單因素試驗和正交試驗中電參數數值尤為重（chóng）要。
脈寬時（shí）間和峰值電流是影響脈衝能量的重要參數[18]。增大（dà）脈寬時間和峰值電流能夠提高單個脈（mò）衝的能量（liàng），但是提高能量加快切割（gē）速度的同時，電（diàn）蝕（shí）坑變大（dà），這樣加工的（de）表麵質量就會下降。脈間時間為相（xiàng）鄰電壓脈衝之間的間隔，脈間時間減小則平均（jun1）電流就會增大，這樣（yàng）有利於提高加工速度，但（dàn）是過小的脈間時間也會造成來不及消電離而（ér）斷絲。間隙電壓是電極（jí）絲與工件（jiàn）之間的加工電壓，它的改變直接影響（xiǎng）加工間隙的大小，從而改變排屑的順暢程度。
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 的加工工藝參數的影（yǐng）響，首先要確定的是這種材（cái）料的加工工藝參數即電火花線切（qiē）割的電參數，包括脈寬時（shí）間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV。通（tōng）過研究（jiū）各電參數對材料去除率和表麵粗糙度（dù）的影響，從（cóng）而優化一組電參數組（zǔ）合，達到材（cái）料去除率和表麵粗糙度最優的目的。因此本課題選用了單（dān）因（yīn）素試驗法、ANSYS 仿真分析、正（zhèng）交試驗法及灰關聯分析法進行探討。
2.3.1 單因素試驗法
控製其（qí）餘因素不變，隻變單個因素的試驗叫做單因素試驗。單因素試驗可以通（tōng）過等分法、黃金分割法和（hé）分（fèn）數法等來進行因素的取值和範（fàn）圍的確定。
其中等分法適用於考察因素已經清楚，需通過試（shì）驗（yàn）來明確其對結果的影響；黃金分割法需要了解先驗信息（xī），來確定試（shì）驗範圍[a，b]；分數（shù）法不僅要清楚先驗信息，而（ér）且需提前了解試（shì）驗的總次數。實（shí）際情況是，我們對電火花（huā）線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 過程中脈寬（kuān）時間、脈間時間、峰值電流、間隙電壓對加工（gōng）速度以及表麵質量的（de）影響規律並（bìng）不了解，也沒有先驗信息來確定試驗的（de）範圍和試驗的總次數。
因此，本研究選（xuǎn）用等分法。在（zài）做試驗之前我們通（tōng）過已有的加（jiā）工經驗（yàn）以及廠商提供的工藝參數表（biǎo）確定脈衝寬度、脈衝間隙（xì）、峰值電流、間隙（xì）電壓的範（fàn）圍，利（lì）用均分法把這些參數的數值放（fàng）在等分點上，這樣試驗簡單（dān），靈活性（xìng）強。
2.3.2 ANSYS 仿真分析（xī）
ANSYS 作為廣泛使用的有（yǒu）限元分析軟件，由於其卓越的仿真功能，且操作簡單方便，成世界上使用範圍最廣的 CAE 軟件。它在各個學科都有廣泛應用，例如結構、熱、聲、流體以及電磁場（chǎng）等學科。因此，使其涉及眾多領（lǐng）域，例如：核能、鐵（tiě）路、航天、機械製造、礦產、水利、國防軍工、土木建築、造船等（děng）。
一個完整的 ANSYS 分析大致包含 3 個（gè）環（huán）節：創建模型（xíng）、加載求解、得出結果。其中定義單元屬性，創建實體模型（xíng），劃分網（wǎng）格是第一步創建模型的主要內容也是影響後麵求解與分析結果好壞（huài）的重要步驟。加載（zǎi）可以根據分析的形式選擇載荷的類型。利用軟件強大的後處理功能求（qiú）解，根（gēn）據需要提取分析結果。
ANSYS 的熱分析是以熱平（píng）衡方程為（wéi）基（jī）礎，通過計算各（gè）節點的溫度，由此得出（chū）實體的溫（wēn）度場分布。其中（zhōng）穩（wěn）態傳熱、瞬態傳熱、熱耦合分析（xī）是熱分析主要的三種形式（shì）。
電火花線切割加（jiā）工過（guò）程中，高溫使得材料熔化，熔化材（cái）料在各種作用力下（xià）從表麵被拋出，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（gōng）的過程就（jiù）是一個熱作用的過程（chéng）。因此，本次（cì）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）於熱分析的瞬態傳熱過（guò）程。
2.3.3 正交（jiāo）試驗法與灰關聯分析法
1）正交試驗（yàn）法
正交試驗法是根據考（kǎo）察因素與（yǔ）試驗目的（de）使用正交表設計試驗（yàn）的方法[20]。在實際生（shēng）產與科研過程（chéng）中，需要考慮的因素一般多於兩個，如果對於每個因（yīn）素都組合進行試驗，那樣所需的（de）人力、物力都是驚人的，采用正交試驗（yàn）可以（yǐ）很好地解決這個問（wèn）題。同時相對於單因素試（shì）驗法，正（zhèng）交試驗法還可以利用所得的數據進行極差（chà）分析與方差分析，可以直觀的了解（jiě）各個因（yīn）素影響的主次順序和顯著性（xìng）。
2）灰關聯分析法
灰色關（guān）聯分析主要目的是明確各指標之（zhī）間的關聯程度，進而確定指標之間內在關係。
數理統計中用來進行係（xì）統（tǒng）特征分析的方法包括回歸分析（xī）、方差分析等。但回歸（guī）分析（xī）、方差分析（xī）等方法通常要求大批的數據，且數據需要滿（mǎn）足一定的規律。灰關聯（lián）分析法彌補了上述方法在分析過程出現的缺陷。它不需要大量的樣本數據且樣本不（bú）需要服從一定的
規律。采用灰關聯分析法能夠減（jiǎn）小（xiǎo）計算量，且量化分析與定（dìng）性分析不（bú）矛盾。
2.4 本（běn）章小結
本章介紹了研究電火花線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 的工藝參數的試驗方案，包括試驗設（shè）備和試驗（yàn）材料的選取，工（gōng）藝指標、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）選擇 FW-1 型電（diàn）火花線切割機床為本課題（tí）研究的試驗平台，試驗材料（liào）為經（jīng）過熱處理的 Cr12Mo V 鋼，其毛坯外形尺寸為 120mm×20mm×10mm。加工（gōng）所得的試件尺寸為1mm×20mm×10mm。
2）確定本課題研究的工藝指標為材（cái）料去除率和表麵粗糙（cāo）度，而影響因素（sù）為線切割機床的電參數，包括脈寬時間、脈（mò）間時間、峰值電流以及間隙（xì）電壓。
3）確定采用單因素試驗法、ANSYS 仿真分析、正交試驗法以及灰（huī）關聯分（fèn）析法這一係列試驗（yàn）方法作為（wéi）本課題研（yán）究電參數對工藝指標的（de）影響，並優化一組電參數（shù）組（zǔ）合，使（shǐ）得材料去除率和表麵粗糙度（dù）達到預（yù）期加工目的。
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