正交與灰關(guān)聯(lián)分析的電火花精加工多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化研究＊

唐 霖，范植堅(jiān)，干為民，楊 森

（1．西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710021；2．常州工學(xué)院 江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213002；3．中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，西安710021）

電火花加工是一種將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使局部工件材料熔化或氣化，可實(shí)現(xiàn)高精度、高表面質(zhì)量加工的一種加工方法，以其優(yōu)越的性能可加工高強(qiáng)度、高硬度、高熔點(diǎn)、形狀復(fù)雜的難切削金屬材料，在航空航天、武器裝備、模具等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，被認(rèn)為是加工整體渦輪盤類零件最有前途的技術(shù)之一，美國(guó)的Nucon公司采用電火花加工技術(shù)加工閉式整體葉輪，獲得比數(shù)控銑削加工還高的加工效率［1］．瑞典Volvo公司采用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花技術(shù)加工出的閉式整體葉盤已成功應(yīng)用到Ariane-5火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中［2］．

Agrawal采用電火花磨削復(fù)合加工技術(shù)［3］，Uhlmann采用超聲振動(dòng)輔助電火花加工技術(shù)［4］均在一定程度上提高了效率和表面質(zhì)量．文獻(xiàn)［5-7］采用共軛軌跡法進(jìn)行電極運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，設(shè)計(jì)出比傳統(tǒng)方法更飽滿的電極，有效地提高了渦輪盤的加工效率．文獻(xiàn)［8］提出逆向搜索軌跡法解決了成型電極與工件易發(fā)生干涉的問題．文獻(xiàn)［9-10］對(duì)閉式整體葉輪異形渦道進(jìn)行合理分區(qū)，采用等間隙法在線設(shè)計(jì)并制造電火花加工成型電極，降低了電極的設(shè)計(jì)難度，縮短電極研制周期，同時(shí)研究了電火花加工參數(shù)對(duì)材料去除率、表面粗糙度和表面變質(zhì)層的影響規(guī)律．此外，采用混粉電火花加工技術(shù)［11］和多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［12-13］均在不同程度上提高了工件表面質(zhì)量和加工效率．

電火花加工中電參數(shù)的選擇對(duì)工件表面質(zhì)量、加工效率以及加工穩(wěn)定性有著重要的影響．而針對(duì)S-03特種鋼材料的電火花加工工藝基礎(chǔ)研究很少見報(bào)道．本文在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，采用灰關(guān)聯(lián)分析與正交設(shè)計(jì)相結(jié)合的理論對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，研究各參數(shù)對(duì)加工的影響規(guī)律，尋求兼顧加工精度、效率和穩(wěn)定性的最優(yōu)工藝參數(shù)，最后通過對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證該優(yōu)化方法的正確性．

1 電火花加工試驗(yàn)裝置

S-03材料是一種超低碳馬氏體時(shí)效特種鋼，材料成分見表1，可在-253～500℃的范圍內(nèi)使用，具有良好的低溫韌性、鍛造性能和焊接性能，材料成本低，與高溫合金力學(xué)性能相當(dāng)，被廣泛應(yīng)用在高壓液氧泵，高壓液氧導(dǎo)管、高壓燃?xì)鈿怏w發(fā)生器以及大型運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等重要零部件上．由于S-03材料強(qiáng)度大、硬度高、韌性好，普通切削加工中易硬化，刀具磨損嚴(yán)重，使得S-03的切削加工性能極差，屬于一種難切削加工材料．

表1 S-03特種鋼組成元素含量Tab．1 Chemical composition of S-03special steel

為提高異形型腔的電火花精加工表面質(zhì)量和精度、降低再鑄層的厚度、減少表面微裂紋，需對(duì)S-03特種鋼材料進(jìn)行電火花精加工工藝基礎(chǔ)試驗(yàn)研究．本文采用ACTSPARK EDM電火花成型機(jī)床，以煤油為工作液，采用?8mm銅電極對(duì)S-03特種鋼材料進(jìn)行電火花精加工，工件接負(fù)極，電極接正極，通過磁力吸盤將工件固定好，整個(gè)加工裝置如圖1所示．

圖1 電火花加工試驗(yàn)裝置Fig．1 The EDM machine and experiment setup

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

脈沖放電能量對(duì)電火花加工質(zhì)量有著很重要的影響．而脈沖放電能量受放電電壓、峰值電流和脈寬的影響．

式中：ue（t）為放電間隙中隨時(shí)間而變化的電壓；ie（t）為放電間隙中隨時(shí)間而變化的電流；Ue為放電電壓；Ie為峰值電流；ton為脈沖放電時(shí)間．

首先進(jìn)行4因素、3水平的電火花加工L9（34）正交預(yù)試驗(yàn)研究，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2．

電火花加工后，采用高精度EX1103ZH天平測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后工件質(zhì)量之差，通過質(zhì)量、密度、體積以及加工時(shí)間，計(jì)算電火花加工材料去除率．采用由北京天晨科技有限公司生產(chǎn)TR200表面粗糙度儀測(cè)量加工后的表面粗糙度，測(cè)得結(jié)果見表3．

表2 L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab．2 L9（34）orthogonal array

表3 L9（34）正交試驗(yàn)測(cè)試值Tab．3 L9（34）orthogonal array，control parameters and observed values

3 灰關(guān)聯(lián)分析

灰關(guān)聯(lián)度理論分析方法是將試驗(yàn)結(jié)果的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱統(tǒng)一化處理，獲得電解加工參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系，對(duì)于材料去除率，數(shù)值越大越好，故采用望大性公式為

式中：Δv為偏差的平均值；εΔ為平均偏差值在最大偏差中所占的比例．經(jīng)計(jì)算ζ取0．8．通過計(jì)算可得到各因素、水平的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及等級(jí)見表4．

通過對(duì)表5中4因素3水平的灰關(guān)聯(lián)平均值進(jìn)行計(jì)算結(jié)果見表5，峰值電流對(duì)電火花加工表面質(zhì)量和效率的綜合影響最大，4因素中對(duì)加工影響由主到次依次為峰值電流、脈間、脈寬及伺服電壓．

表4 灰關(guān)聯(lián)等級(jí)系數(shù)及等級(jí)Tab．4 Gray relational coefficients and grades

表5 加工參數(shù)的水平對(duì)灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的影響Tab．5 Process parameters effecting on gray relational grade

由電火花加工工藝參數(shù)對(duì)灰關(guān)聯(lián)等級(jí)的影響可得最佳的組合參數(shù)為A2B2C2D3，由正交試驗(yàn)得到的最佳優(yōu)化參數(shù)組合為A2B1C2D3．

分別對(duì)A2B1C2D3和A2B2C2D3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其加工結(jié)果見表6．

對(duì)加工后的工件進(jìn)行表面形貌分析，如圖2所示．圖2（a）為正交試驗(yàn)得到的A2B1C2D3的表面形貌，圖2（b）為采用灰關(guān)聯(lián)分析得到的A2B2C2D3的表面形貌．

此外，對(duì)A2B2C2D3參數(shù)加工后的工件進(jìn)行表面元素分析，如圖3所示．采用銅電極在煤油電火花工作液中加工S-03材料，發(fā)現(xiàn)Cu和O元素在工件上．由于煤油的分解以及銅電極在高溫條件下的熔化和氣化，部分材料濺射到工件表面．

表6 對(duì)比試驗(yàn)Tab．6 Results of the confirmation experiment

圖2 電火花加工后的工件表面形貌Fig．2 Micrographs of the machined work piece with EDM technology

圖3 A2B2C2D3參數(shù)下S-03工件表面成分Fig．3 Energy-dispersive x-ray spectroscopy of S-03with A2B2C2D3

采用OLYMPUS OLS3000型共聚焦掃描電鏡對(duì)A2B1C2D3和A2B2C2D3參數(shù)加工后的工件進(jìn)行測(cè)試，由于A2B1C2D3峰值電流較A2B2C2D3小，故放電能量較后者小，加工后的表面粗糙度較A2B2C2D3好，如圖4所示．由圖4可以看出，采用正交設(shè)計(jì)與灰關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合的方法得到的電火花精加工工藝參數(shù)獲得了良好的質(zhì)量，用于參數(shù)優(yōu)化問題有效可行．

圖4 工件底面放電凹坑的共聚焦表面形貌Fig．4 Surface morphology of confocal laser scanning discharge crater

4 結(jié) 論

采用正交設(shè)計(jì)與灰關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合的方法開展電火花精加工工藝參數(shù)試驗(yàn)，得到影響電火花加工綜合指標(biāo)的由主到次的因素依次為峰值電流、脈間、脈寬、伺服電壓．采用A2B2C2D3參數(shù)即伺服電壓40V，峰值電流7A，脈沖寬度50μs，脈沖間隔100μs時(shí)可獲得的材料去除率為13．3mm3·min-1，表面粗糙度達(dá)1．4μm．研究表明采用該方法將多目標(biāo)下的參數(shù)優(yōu)化轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)下灰聯(lián)度的優(yōu)化，對(duì)解決工程實(shí)踐中多目標(biāo)下參數(shù)優(yōu)化問題是一種簡(jiǎn)單有效的方法．

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