往復(fù)走絲電火花線切割多次切割工藝試驗

賈志新，劉譯允，高堅強，黃磊陽

（1.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京100083；2.蘇州新火花機床有限公司，江蘇蘇州215128）

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往復(fù)走絲電火花線切割多次切割工藝試驗

賈志新1，劉譯允1，高堅強2，黃磊陽1

（1.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京100083；2.蘇州新火花機床有限公司，江蘇蘇州215128）

摘要：對“中走絲”電火花線切割加工機床的多次切割工藝參數(shù)進行了研究，圍繞脈寬、占空比、峰值電流、走絲速度等因素進行實驗。采用綜合評分法對實驗數(shù)據(jù)進行處理，使多目標(biāo)優(yōu)化變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化。通過正交試驗法優(yōu)化出第二次切割和第三次切割的工藝參數(shù)，并進行驗證。實驗結(jié)果能為“中走絲”電火花線切割加工工藝提供參考。

關(guān)鍵詞：中走絲；電火花線切割加工；多次切割；工藝試驗

隨著模具工業(yè)的發(fā)展及市場形勢的需求，電火花線切割加工不僅要求切割速度快，還要求具有良好的加工表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的往復(fù)走絲電火花線切割機床之所以沒有取得明顯的突破，究其原因是運絲系統(tǒng)沒有根本性改進，而近年來有所發(fā)展的“中走絲”線切割機床由于受到結(jié)構(gòu)的限制，加工精度也未得到明顯提高。縱觀我國的電火花線切割加工機床，并未按金屬加工的一般原則進行加工，即將整個加工過程分為粗、中、細(xì)三檔，故加工精度很難提高?！爸凶呓z”線切割機床的多次切割工藝優(yōu)勢很明顯，因此，本文對其進行試驗研究，通過實驗量化“中走絲”多次切割所能達到的工藝水平[1]。

1　實驗方案

先進行二次切割多因素正交試驗，得出二次切割優(yōu)化結(jié)果并進行驗證；再進行三次切割多因素正交試驗，得出三次切割優(yōu)化結(jié)果并進行驗證。電火花線切割工藝的好壞更多地是由設(shè)備性能決定的，如果零件的加工需通過多次切割來完成，則必須兼顧切割速度和表面粗糙度這2項工藝指標(biāo)，本文就以此來探究“中走絲”多次切割的工藝規(guī)律[2-3]。

實驗采用綜合評分法來評估各組合的優(yōu)劣，從中選出較優(yōu)的切割參數(shù)組合。綜合評分法是根據(jù)每個實驗指標(biāo)重要程度的不同來分配權(quán)重系數(shù)，然后對各組實驗進行相應(yīng)的評分，評分公式為：式中：Wi為各組對應(yīng)的加權(quán)綜合評分；Mij為切割速度和表面粗糙度2個評價指標(biāo)的各自得分；ωj為各指標(biāo)權(quán)重。

這樣，多指標(biāo)問題就轉(zhuǎn)化成為以實驗綜合得分為指標(biāo)的單指標(biāo)問題。

2　二次切割實驗

2.1實驗準(zhǔn)備

二次切割實驗選用厚40 mm的Cr12材料，在M332“中走絲”電火花線切割機床上進行，測量設(shè)備有表面粗糙度儀、濃度檢測儀、數(shù)顯千分尺等。

采用正交試驗，因素有4個，分別為：走絲速度（A）、峰值電流（B）、脈寬（C）及占空比（D）。由于走絲速度的水平數(shù)為3個，其余均為4個，沒有合適的正交試驗表可選，故用擬水平法將認(rèn)為可能較合適的走絲速度2.2 m/s重復(fù)一次，湊成四水平，從而選用較合適的正交表L16（45），第5列不使用（表1）。

表1　二次切割正交試驗因素水平表

在二次切割前，第一刀切割選用單次切割正交優(yōu)化所得的參數(shù)為：脈寬30 μs，占空比1∶4，峰值電流45 A，走絲速度6.6 m/s。第二刀的理論修刀量為45 μm。

2.2實驗數(shù)據(jù)分析

第二次切割作為第一次切割和第三次切割之間的一次過渡，其主要作用是修正，在提高加工精度的同時，保證較高的表面質(zhì)量和加工速度。因此，第二次切割的優(yōu)化工作可采用評分法進行較簡單的優(yōu)選，得出一組加工速度較高、表面粗糙度值較低的參數(shù)組合。

二次切割正交試驗結(jié)果見表2，以最高切割速度481.93 mm2/min作為切割速度基準(zhǔn)1，以最佳表面粗糙度Ra1.791 μm作為表面粗糙度基準(zhǔn)1，Mi1為各實驗結(jié)果的切割速度與切割速度基準(zhǔn)1的比值，Mi2為各實驗結(jié)果的表面粗糙度值與表面粗糙度基準(zhǔn)1的比值的相反數(shù)。由于越往后的刀次，其表面粗糙度的權(quán)重越高，故多次切割的第二次切割權(quán)重分配為切割速度40 %、表面粗糙度60 %，所得加

式中：Wi為第二次切割各組對應(yīng)的加權(quán)綜合評分；vwi為第二次切割的切割速度；Ra為第二次切割的表面粗糙度[4]。權(quán)綜合評分記為Wi。因此，二次切割實驗各組的加工結(jié)果所對應(yīng)的綜合加權(quán)計算公式為：

表2　二次切割正交試驗結(jié)果

由表2所示的加權(quán)綜合評分可看出，得分最高的為第11組，所以第二刀切割應(yīng)選用該組對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，即走絲速度4.4 m/s，峰值電流15 A，脈寬5 μs，占空比1∶5。優(yōu)化結(jié)果見表3。

表3　二次切割優(yōu)化電參數(shù)

對綜合評分法得出的優(yōu)化方案進行3次樣件切割驗證實驗，測量結(jié)果為：二次切割的平均切割速度為318.60 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值為Ra2.000 μm；對該結(jié)果進行綜合評分為-0.406，高于表2所示的其余15組方案，表明該優(yōu)化參數(shù)組合能穩(wěn)定地實現(xiàn)較優(yōu)的二次切割工藝。同時，與第一次切割所得的切割速度50.28 mm2/min、表面粗糙度Ra2.79 μm相比，明顯效率更高、表面質(zhì)量更好。

3　三次切割實驗

3.1實驗準(zhǔn)備

三次切割實驗選用厚20 mm的Cr12材料，在M332“中走絲”電火花線切割機床上進行，測量設(shè)備有TR210表面粗糙度儀、濃度檢測儀及千分尺。

本實驗的目的是建立相應(yīng)的修刀加工工藝數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化出一組或多組能保證較優(yōu)表面粗糙度的修刀參數(shù)。為此設(shè)計了正交試驗，其因素水平見表4。其中，占空比的水平數(shù)為4個，其余因素的水平數(shù)為2個，故選用正交表L8（4×24）進行正交試驗，第5列不使用。

表4　三次切割正交試驗因素水平表

按表3所示的參數(shù)進行第一次、第二次切割。因為第三次切割的主要作用是修光，使工件表面粗糙度值達到盡可能低的水平，同時僅需保證能進行連續(xù)穩(wěn)定的放電加工即可，所以三次切割實驗選用較小的理論修刀量（5 μm）和較小的脈沖能量。

3.2實驗數(shù)據(jù)分析

三次切割正交試驗結(jié)果見表5，以最高切割速度300 mm2/min作為切割速度基準(zhǔn)1，以最佳表面粗糙度Ra1.24 μm作為表面粗糙度基準(zhǔn)1，Mi1為各實驗結(jié)果的切割速度與切割速度基準(zhǔn)1的比值，Mi2為各實驗結(jié)果的表面粗糙度與表面粗糙度基準(zhǔn)1的比值的相反數(shù)。由于第三次切割主要考慮表面粗糙度，所以切割速度權(quán)重系數(shù)為30 %，表面粗糙度權(quán)重系數(shù)為70 %，則所得加權(quán)綜合評分Wi為：

式中：Wi為第三次切割各組對應(yīng)的加權(quán)綜合評分；vwi為第三次切割的切割速度；Ra為第三次切割的表面粗糙度。

對加權(quán)得分進行極差分析，結(jié)果見表6。可看出，因素A應(yīng)取1水平，因素B應(yīng)取1水平，因素C應(yīng)取1水平，因素D應(yīng)取2水平，即最優(yōu)組合為A1B1C1D2。此時，綜合評分最高，切割效果最佳。

三次切割的優(yōu)化結(jié)果見表7。對其進行驗證發(fā)現(xiàn)，第三刀平均切割速度為170.5 mm2/min，加工工件總體平均切割速度（即加工工件的表面積與總時間的比值）為55.08 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值為Ra1.15 μm。該結(jié)果的綜合得分為-0.479，高于表5所示的8組方案，表明該參數(shù)組合能穩(wěn)定地實現(xiàn)較優(yōu)的三次切割工藝。和之前所做的一次切割與二次切割實驗相比，切割總效率有所提高，表面粗糙度Ra1.15 μm已達到傳統(tǒng)機械精加工的精度范疇。

表5　三次切割正交試驗結(jié)果

表6　三次切割綜合得分極差分析表

表7　三次切割優(yōu)化電參數(shù)

通過優(yōu)化工藝參數(shù)來滿足“中走絲”電火花線切割加工需求，能極大地提高機床加工精度，豐富線切割工藝數(shù)據(jù)庫[5]。

4　結(jié)論

（1）本文對“中走絲”電火花線切割多次切割工藝參數(shù)進行優(yōu)化，運用綜合分析法得出第二次切割和第三次切割的較優(yōu)工藝參數(shù)，并進行了驗證。

（2）二次切割最優(yōu)方案中，第二刀切割速度達到312.5 mm2/min，總體平均切割速度為78.49 mm2/ min，表面粗糙度的平均值達到Ra1.97 μm。

（3）三次切割最優(yōu)方案中，第三刀切割速度達到170.5 mm2/min，總體平均切割速度為55.08 mm2/ min，表面粗糙度可達Ra1.15 μm。

（4）通過多次切割工藝參數(shù)的優(yōu)化，得出既能保證表面粗糙度、又能提高加工速度的參數(shù)，為“中走絲”電火花線切割加工工藝提供指導(dǎo)。

參考文獻：

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

[2]劉志東，俞容亨.高速走絲電火花線切割機床多次切割的實現(xiàn)[J].中國機械工程，2007，18（20）：2410-2413.

[3]齊文春，麻長平，高堅強.基于多次切割工藝的第一次切割參數(shù)優(yōu)化策略研究[J].電加工與模具，2012（3）：50-53.

[4]宋華斌，李玉貴.論正交法與三次設(shè)計中的綜合評分[J].數(shù)理統(tǒng)計與管理，1994，13（5）：36-40.

[5]朱寧，葉軍，韓福柱，等.電火花線切割加工技術(shù)及其發(fā)展動向[J].電加工與模具，2010（增刊）：53-63.

Repeated Cutting Process Experiment of Reciprocating Traveling WEDM

Jia Zhixin1，Liu Yiyun1，Gao Jianqiang2，Huang Leiyang1
（1. School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2. Suzhou New Spark Machine Tool Co., Ltd.，Suzhou 215128，China）

Abstract：The repeated cutting process parameters of middle speed wire eletrical -discharge machines are studied. Four factors such as pulse width，duty cycle，peak current and wire speed are adopted in the process. The comprehensive scoring method is used to deal with the data，which makes the multi objective optimization to turn into the single objective optimization. The technological parameters of the second cutting and third cutting are optimized by orthogonal test，and the process parameters are verified. The experimental results can provide reference for middle speed WEDM process.

Key words：middle speed；WEDM；repeated cutting；process test

第一作者簡介：賈志新，男，1968年生，教授。

收稿日期：2015-09-11

中圖分類號：TG661

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0055-04