基于多次切割工藝的第一次切割參數(shù)優(yōu)化策略研究

齊文春,麻長(zhǎng)平,高堅(jiān)強(qiáng)

(1.蘇州科技學(xué)院機(jī)電工程系,江蘇 蘇州 215015;2.蘇州新火花機(jī)床有限公司,江蘇 蘇州 215128)

在往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上應(yīng)用多次切割加工技術(shù)以后,國(guó)內(nèi)許多企業(yè)推出了“中走絲”概念的線切割機(jī)床,并在應(yīng)用過(guò)程中獲得了較好的工藝效果[1-2]。但也有用戶反映使用1～2個(gè)月后加工工藝水平就開始下降,這可能成為多次切割往復(fù)走絲線切割機(jī)床發(fā)展的瓶頸[3],其原因與目前的往復(fù)走絲線切割機(jī)床多次切割技術(shù)在第一次切割時(shí)仍采用11 m/s左右的高速走絲切割方案有關(guān)。多次切割工藝的第一次切割是否一定要采用高速走絲方案?走絲速度能否降下來(lái)?本文試圖從參數(shù)優(yōu)化策略的角度對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 工藝試驗(yàn)方案

作為多次切割的第一次切割,應(yīng)當(dāng)在保證電極絲不斷且損耗盡可能小的前提下獲得最大加工效率。因此,本試驗(yàn)以加工效率作為主要考核指標(biāo),探究?jī)?yōu)化多次切割的第一次切割參數(shù)。由于影響第一次切割工藝指標(biāo)的因素很多,各因素對(duì)工藝指標(biāo)影響權(quán)重差異性很大。為了減少試驗(yàn)的工作量,本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法選擇脈沖寬度 ti、脈間/脈寬k、峰值電流IA、走絲速度 n作為優(yōu)化目標(biāo)工藝參數(shù),以切割時(shí)的加工效率和表面粗糙度 Ra作為考核指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化研究,考察走絲速度 n的影響權(quán)重及最佳走絲速度,然后采用單因素試驗(yàn)法,研究走絲速度對(duì)加工效率的影響規(guī)律。

1.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)在蘇州新火花機(jī)床有限公司的DK7740M中走絲電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行。電控柜是CNC-W5,其電源參數(shù)采用數(shù)字化設(shè)計(jì),電源輸出空載電壓為70 V,脈寬、脈間及峰值電流等電源參數(shù)的可選擇范圍較廣。走絲速度 n有7檔可供選擇,電極絲進(jìn)給跟蹤速度可在加工狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化調(diào)節(jié)。工作液是佳潤(rùn)JR2A水基復(fù)合工作液,配比1∶15,加工過(guò)程中采用帶有紙質(zhì)濾芯的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)濾。電極絲選用直徑0.18mm的鉬絲,工件材料為厚度60mm的Cr12淬火模具鋼。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為L(zhǎng)16(45),設(shè)計(jì)五因素四水平正交表進(jìn)行試驗(yàn),第5列為空列,用于顯著性評(píng)價(jià)時(shí)的誤差估計(jì)。根據(jù)機(jī)床加工使用經(jīng)驗(yàn),針對(duì)60mm厚的Cr12淬火模具鋼,4個(gè)目標(biāo)工藝參數(shù)的具體參數(shù)范圍(水平)取值見表1。

表1 第一次切割的正交試驗(yàn)因素水平表

2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

切割試驗(yàn)采用4mm×16mm的正四邊形試件,加工效率是指切割正四邊形試件的平均加工效率,表面粗糙度值是指在 X和Y兩個(gè)方向測(cè)出的Ra最大值。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 第一次切割的正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 結(jié)果分析及討論

按正交試驗(yàn)原理采用直觀分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,計(jì)算各因素各水平的極差,試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。其中,Ki(i=1、2、3、4)為各因素下 4 個(gè)水平對(duì)應(yīng)的工藝指標(biāo)均值,R為極差,S為各列對(duì)應(yīng)的偏差平方和,F為偏差平方和之比。第一次切割的正交試驗(yàn)加工效率結(jié)果分析見表3,表面粗糙度Ra結(jié)果分析見表4(Ra以最大值計(jì)算)。圖1是各因素水平對(duì)應(yīng)的加工效率和 Ra曲線圖。

表3 第一次切割的正交試驗(yàn)加工效率結(jié)果分析表

表4 第一次切割的正交試驗(yàn) Ra結(jié)果分析表

對(duì)于加工效率,由表3的極差比較及顯著性分析得到,4個(gè)因素對(duì)加工效率影響的大小順序?yàn)?電流＞脈間/脈寬＞脈寬＞走絲速度。從顯著性來(lái)看,在α=0.01水平上有顯著性影響的因素是:峰值電流、脈寬、脈間/脈寬,而走絲速度即使在α=0.1水平上的影響也不顯著。在顯著性影響因素中,峰值電流對(duì)加工效率的影響最大,脈寬、脈間/脈寬對(duì)加工效率的影響也都顯著。由圖1a可直觀地看出:峰值電流越大,加工效率越高,故峰值電流應(yīng)取最大值,即52.5 A;脈寬加大,加工效率也增大,但有一個(gè)最佳值,在本試驗(yàn)條件下 ,最佳脈寬是 45μs;脈間/脈寬加大,加工效率降低,因此,為保證加工效率,脈間/脈寬應(yīng)取最小值4;走絲速度對(duì)加工效率的影響不大,提高走絲速度,加工效率略有增大,在本試驗(yàn)條件下,其最佳走絲速度是6檔,即8.8 m/s。這一結(jié)論表明,在多次切割工藝中,為了追求第一次切割時(shí)的切割效率,在保證不斷絲、不增加電極絲損耗的前提下,首先從提高峰值電流入手,其次是盡可能減少脈間/脈寬比,脈寬的選擇有一個(gè)最佳值,走絲速度雖也有一個(gè)最佳值,但其對(duì)加工效率的影響不大。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,走絲速度在4.4～11 m/s的范圍內(nèi),加工效率的極差只有3.9,影響約為5%,但采用4.4 m/s的走絲速度可使導(dǎo)輪及絲筒系統(tǒng)的運(yùn)行速度下降60%,這對(duì)于降低導(dǎo)輪、軸承、導(dǎo)電塊等的機(jī)械磨損,減小電極絲的振動(dòng)及提高機(jī)床的可持續(xù)精度是非常有利的。

從表4的極差比較及顯著性分析中可看出,4個(gè)因素對(duì) Ra影響的大小順序?yàn)?脈寬＞峰值電流＞脈間/脈寬＞走絲速度。從顯著性來(lái)看,在 α=0.01水平上脈寬對(duì) Ra有顯著性影響,在 α=0.1水平上峰值電流對(duì)Ra有顯著性影響,脈間/脈寬和走絲速度對(duì) Ra的影響不顯著。由圖1b可直觀地看出:脈寬越大,Ra值增大,故脈寬應(yīng)取最小值即15μs;峰值電流加大,Ra值也加大,故峰值電流也應(yīng)取最小值即22.5 A;脈間/脈寬和走絲速度對(duì) Ra的影響不大,但有一個(gè)最佳值,在本試驗(yàn)條件下,最佳脈間/脈寬為6,最佳走絲速度為 4～5檔,即4.4～6.6 m/s。這一結(jié)論表明,在多次切割工藝中,即使考慮Ra值,第一次切割時(shí)也應(yīng)取較低的走絲速度。

綜合以上分析,對(duì)于多次切割的第一次切割,以最大切割效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),兼顧表面粗糙度而優(yōu)化得出的工藝參數(shù)組合是A3B1C4D2,即脈寬為45μs,脈間/脈寬為4,峰值電流為52.5 A,走絲速度為5檔(6.6 m/s),利用效能計(jì)算分析法進(jìn)行計(jì)算可得出,該參數(shù)可達(dá)到的工藝指標(biāo)理論值為Ra 4.9μm,加工效率可達(dá)135mm2/min左右。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性,對(duì)優(yōu)化出來(lái)的工藝參數(shù)在相同條件下再次進(jìn)行了切割試驗(yàn),其結(jié)果為 Ra 4.8～4.9μm,加工效率達(dá)130mm2/min。試驗(yàn)結(jié)果表明這種優(yōu)化方法是可靠的,理論值與實(shí)測(cè)值具有較高的一致性。因此,對(duì)于多次切割的第一次切割,電極絲的走絲速度是可以采用中速或中低速的,而并不一定是高速走絲的方式。

2.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了進(jìn)一步考察降低走絲速度的可能性,采用單因素試驗(yàn)法,研究走絲速度對(duì)加工效率的影響規(guī)律。切割試驗(yàn)采用4mm×16mm的正四邊形試件,切割電參數(shù)及其他條件固定,改變走絲速度,每個(gè)參數(shù)切割兩個(gè)試件,加工效率取平均值。試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從試驗(yàn)結(jié)果中可看出,相同條件下峰值電流分別為45、52.5 A,走絲速度≥4.4 m/s時(shí),加工效率均可達(dá)到120mm2/min及以上,這就說(shuō)明多次切割工藝中第一次切割的走絲速度可降到4.4 m/s。當(dāng)走絲速度降低到2.2 m/s時(shí),變頻跟蹤速度需調(diào)慢一些,加工過(guò)程才能正常穩(wěn)定,加工效率有明顯的下降,但這時(shí)仍有80mm2/min左右的加工效率。這一結(jié)果表明走絲速度的下降是有一定空間的,往復(fù)走絲機(jī)床多次切割工藝的第一次切割采用中速或中低速走絲的方案是可行的,但也是有條件的,首先電極絲必須低損耗且有較小的斷絲概率,其次是必須有足夠高的加工效率。在本試驗(yàn)條件下,采用的佳潤(rùn)JR2A水基復(fù)合工作液具有良好的冷卻潤(rùn)滑洗滌性能,放電加工時(shí)工作介質(zhì)在電極絲表層形成了一層液體保護(hù)膜。這層保護(hù)膜可減少放電通道內(nèi)熱量對(duì)電極絲產(chǎn)生的熱疲勞影響,即使產(chǎn)生電蝕影響,其形成的電蝕坑也會(huì)淺而小,這樣就極大地降低了電極絲的損耗,同時(shí)延長(zhǎng)了電極絲的使用壽命,并可用較大能量加工[4-5]。

表5 第一次切割不同走絲速度的加工效率試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)所用的機(jī)床,其電源是全功能數(shù)字化脈沖電源,共有9種數(shù)字化脈沖波形,工作頻率達(dá)到40 MHz,輸出信號(hào)定時(shí)誤差小于100 ns,采用數(shù)字電路控制功率管的導(dǎo)通時(shí)間,適應(yīng)不同脈沖寬度對(duì)電流上升斜率的要求。由于采用數(shù)字自適應(yīng)的智能化多波形高頻脈沖電源及采樣電路,加工中的脈寬Ton、脈間 Toff和峰值電流都受到實(shí)時(shí)控制,具有低損耗和高效率的加工效果。由于該機(jī)床正常穩(wěn)定加工時(shí)的加工效率一般都在100mm2/min以上,這為多次切割加工工藝的實(shí)施提供了基礎(chǔ),尤其是為降低第一次切割的走絲速度提供了可能性。

本試驗(yàn)雖然采用了同軸式噴嘴及紙質(zhì)濾芯過(guò)濾器,但工作液的供給壓力并不大,過(guò)濾效果也不理想。工作液主要還是通過(guò)電極絲運(yùn)行帶入加工區(qū),當(dāng)走絲速度降低到2.2 m/s時(shí),由于工作液的有效供給及加工產(chǎn)物排出等不利作用的增加,加工效率會(huì)明顯下降。如果對(duì)工作液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),提高工作液的清潔度及工作液進(jìn)入加工切縫區(qū)的噴入壓力等,有可能使加工效率得到進(jìn)一步提高。由于線切割加工中涉及到的影響因素較多,在多次切割工藝中,對(duì)不同材料及不同厚度的零件,第一次切割時(shí)的走絲速度具體可降到什么程度,還有待于進(jìn)一步探討。

3 結(jié)論

(1)多次切割工藝的第一次切割,無(wú)論從加工效率還是表面粗糙度的角度來(lái)看,提高電極絲的走絲速度并不是最佳方案,一般來(lái)說(shuō)會(huì)有一個(gè)最佳走絲速度。

(2)多次切割工藝的第一次切割,走絲速度為4.4～11 m/s時(shí),對(duì)加工效率的影響不大。從最大加工效率的角度來(lái)看,在確保電極絲不斷絲且損耗不太大的前提下,盡量采用較大的峰值電流和較小的脈間/脈寬比值,脈寬的選擇也有一個(gè)最佳值?？紤]到較高的走絲速度對(duì)機(jī)床的導(dǎo)輪、軸承、導(dǎo)電塊等的機(jī)械磨損及電極絲的振動(dòng)有較多的不利影響,多次切割工藝的第一次切割可盡可能采用中速或中低速的走絲方案。

(3)多次切割工藝的第一次切割采用中速或中低速的走絲方案是有條件的,其前提條件是電極絲必須低損耗且斷絲概率較小,還必須有足夠高的加工效率。本試驗(yàn)機(jī)床的脈沖電源具有較高的加工效率,同時(shí)采用了佳潤(rùn)JR2A水基復(fù)合工作液,使加工效率能穩(wěn)定在100mm2/min以上,電極絲是低損耗的。

(4)在本試驗(yàn)條件下,多次切割工藝的第一次切割走絲速度由11 m/s降到4.4 m/s,加工效率降低約5%,但采用4.4 m/s的走絲速度可使導(dǎo)輪及絲筒系統(tǒng)的運(yùn)行速度下降60%,這對(duì)于降低導(dǎo)輪、軸承、導(dǎo)電塊等的機(jī)械磨損,減少電極絲的振動(dòng),提高機(jī)床的可持續(xù)精度是非常有利的。

[1] 李明輝,楊振步,蔣文英.中走絲電火花線切割機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)[J].航空制造技術(shù),2011(8):32-35.

[2] 蔣文英,楊振步,張建榮.我國(guó)中走絲線切割機(jī)的發(fā)展[J].模具工業(yè),2010(15):60-62.

[3] 第十三屆中國(guó)國(guó)際模展評(píng)定評(píng)述專家組.第十三屆中國(guó)國(guó)際模具技術(shù)與設(shè)備展覽會(huì)現(xiàn)代模具制造技術(shù)及設(shè)備評(píng)述[J].電加工與模具,2010(4):1-10.

[4] 劉志東.高速走絲電火花線切割工作介質(zhì)性能要求研究[J].航空精密制造技術(shù),2006(6):29-32.

[5] 劉志東.高速走絲電火花線切割工作介質(zhì)對(duì)電極絲耐用度影響的研究[J].電加工與模具,2010(6):25-27.