電火花線切割粗切拐角誤差分析

張 禹，李文斌，侯志利

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

電火花線切割是一種非機(jī)械接觸式加工工藝，利用工件電極和工具電極之間產(chǎn)生脈沖放電來(lái)產(chǎn)生局部、瞬時(shí)高溫，以去除金屬，在軍事、航空航天、模具制造等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。但在加工時(shí)電極絲在靜電力，電磁力，流體力，以及自身張緊力的綜合作用下發(fā)生滯后、彎曲、振動(dòng)的現(xiàn)象，造成電極絲的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離設(shè)定好的數(shù)控程序軌跡，嚴(yán)重影響工件的輪廓精度。

對(duì)于線切割機(jī)床，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法研究電火花多工藝參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行了鈦合金表面粗糙度試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[4]通過(guò)模糊邏輯控制策略來(lái)提高拐角加工的精度。文獻(xiàn)[5]提出通過(guò)改變加工拐角時(shí)的放電參數(shù)以減小角部誤差。文獻(xiàn)[6]提出了“放電角”的概念來(lái)分析了角部的材料去除率的變化。文獻(xiàn)[7]最早提出使用兩條相切圓弧進(jìn)行插補(bǔ)來(lái)控制軌跡。文獻(xiàn)[8]采用控制在線閉環(huán)張力控制系統(tǒng)以減小線切割拐角加工誤差。文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了研究拐角幾何精度的多次切割實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[10]對(duì)加工中的線電極進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。文獻(xiàn)[11]從理論上分析電極絲滯后量對(duì)拐角誤差的影響，建立了拐角切割能量控制策略。文獻(xiàn)[12]提出了一種電火花線切割加工拐角加工精度的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法并建立了關(guān)于該預(yù)測(cè)方法的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)系統(tǒng)。但是電火花線切割放電的過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，不同工藝參數(shù)的組合對(duì)加工結(jié)果會(huì)有完全不同的影響。盡管國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)電火花線切割加工參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，但其中大部分學(xué)者都致力于對(duì)加工效率和表面粗糙度的優(yōu)化。對(duì)于拐角加工，他們大多集中在控制策略上，以提高拐角加工的精度并減小拐角誤差。對(duì)于影響拐角誤差大小的因素以及誤差與加工參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系方面的研究很少。因此通過(guò)穩(wěn)健試驗(yàn)分析不同角度拐角（30°、60°、90°、120°）加工誤差與放電參數(shù)的關(guān)系，并尋找最優(yōu)參數(shù)組合。

2 穩(wěn)健試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件

工件材料選用的是H13 熱作模具鋼（相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)4Cr5MoSiV1鋼）。試驗(yàn)采用阿奇夏米爾CF20 慢走絲機(jī)床，電極材料為φ0.25mm 黃銅絲，電介質(zhì)為去離子水，工件材料尺寸為（60×80×20）mm。試樣拐角輪廓的測(cè)量采用三維電控超景深顯微鏡。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取電流I，空載脈沖百分率TD，脈沖寬度Ton，噴流力FLP 四因素作為可變因素，拐角誤差ERR 作為工藝指標(biāo)，設(shè)計(jì)四因素四水平的正交試驗(yàn).其因素和水平，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平Tab.1 Experimental Factors and Levels

3 穩(wěn)健試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果處理

為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比S/N處理。根據(jù)響應(yīng)采用望小特性損失函數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：Lij—第i 個(gè)工藝指標(biāo)在第j 次試驗(yàn)的損失函數(shù)；

n—試驗(yàn)次數(shù)；

yij—第i 個(gè)工藝指標(biāo)在第j 次試驗(yàn)的結(jié)果。

利用式（2）可以將損失函數(shù)轉(zhuǎn)化為信噪比。按照設(shè)計(jì)的田口試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。利用Minitab 軟件對(duì)信噪比進(jìn)行主效應(yīng)以及方差分析。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental Results

拐角誤差采用切入誤差與切出誤差總和ERR=err1+err2來(lái)衡量角部加工的誤差，如圖1 所示。切入誤差err1要由電極絲在加工過(guò)程中受到放電力及外部噴流壓力所產(chǎn)生的滯后量構(gòu)成，而切出誤差err2則主要取決與預(yù)先設(shè)定好的放電參數(shù)。對(duì)30°、60°、90°、120°的拐角總誤差進(jìn)行信噪比主效應(yīng)和方差分析，結(jié)果如圖2、表 3 所示。

圖1 拐角加工誤差Fig.1 Cutting Error of Corner

圖2 信噪比主效應(yīng)Fig.2 Main Effects of S/N

表3 信噪比方差分析Tab.3 ANOVA of S/N

3.2 信噪比主效應(yīng)分析

3.2.1 30°、60°拐角

拐角誤差隨著電流和脈沖寬度的增加而顯著增大，如圖2（a）、圖2（b）所示。這是因?yàn)殡S著放電能量的增加電極絲受到的滯后彎曲量也隨之增加，而且在銳角的拐角處放電集中現(xiàn)象也更加的明顯。相反，拐角誤差隨著噴流壓力和空載脈沖百分率的增加而減小。這是因?yàn)檩^大的空載脈沖百分率可以減小加工過(guò)程的放電能量，噴流壓力的增大能夠帶走更多的蝕除產(chǎn)物，從而改善在尖銳的拐角處產(chǎn)生的放電集中和熱集中現(xiàn)象。

3.2.2 90°、120°拐角

拐角誤差總體隨著放電能量的增大而增大，如圖2（c）、圖2（d）所示。隨著空載脈沖百分率和噴流壓力的增大而呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。但是當(dāng)角度從銳角增大到鈍角時(shí)，拐角誤差隨著不再隨著放電能量的增大而單調(diào)增加，這是因?yàn)楣战钦`差由切入誤差err1和切出誤差err2兩部分組成，err1主要由電極絲滯后量構(gòu)成與放電能量和外部載荷成正比，而err2主要取決于機(jī)床放電參數(shù)與放電能量成反比，所以通過(guò)增大電流和脈沖寬度從而增大放電能量會(huì)使電極絲所受到的滯后影響顯著增加，同時(shí)也會(huì)使切割速度顯著增加，從而減小電極絲在角部的過(guò)渡時(shí)間，使得err2減小。

3.3 信噪比方差分析

（1）電流具有最高的F 值，電流和脈沖寬度這兩個(gè)因素的影響占據(jù)了主導(dǎo)地位，其次是空載脈沖百分率TD 和噴流壓力FLP，如表3 所示。四影響因素排序，如表4 所示。在切割銳角時(shí)，由于尖銳處放電集中和熱集中現(xiàn)象急劇加強(qiáng)，導(dǎo)致切入誤差占據(jù)了拐角總誤差的絕大部分。隨著角度的增大，err2在總誤差中的占比逐漸提高。

表4 因素次序Tab.4 The Order of Control Factors

（2）隨著角度增大電流的分布在逐漸降低，空載脈沖百分率的分布有著顯著上升，而脈沖寬度和噴流壓力雖然有著微小的波動(dòng)但是總體保持穩(wěn)定，如圖3 所示。電流分布的減小表明了放電集中現(xiàn)象隨著角度增大而逐漸緩解，但是電流仍然有著較高占比，這是因?yàn)椴还苁莈rr1還是err2電流都是影響最顯著的因素。在切割直角時(shí)，空載脈沖百分率、脈沖寬度以及噴流壓力三者的分布最為接近，由此可以看出在銳角向鈍角過(guò)渡的分界點(diǎn)上，電極絲滯后、放因素的綜合作用使得在直角處產(chǎn)生拐角誤差的情況變得極其復(fù)雜。而當(dāng)電極絲過(guò)渡鈍角時(shí)，相比于銳角，放電集中現(xiàn)象已經(jīng)減弱很多，電流和噴流壓力所產(chǎn)生的影響有所減小，而脈沖寬度和空載脈沖百分率的分布略微有所提升。

圖3 因素分布百分比Fig.3 Percentage Contribution of Factors

3.4 最優(yōu)參數(shù)組合分析

在加工30°和60°拐角時(shí)，I（15A）、TD（55%）、Ton（3μs）、FLP（12bar），分別對(duì)應(yīng)最大的信噪比，此時(shí)拐角誤差達(dá)到最小，如圖2（a），圖2（b）所示。在加工90°和120°拐角時(shí)，I（15A）、TD（45%）、Ton（3μs）、FLP（10bar），分別對(duì)應(yīng)最大的信噪比，此時(shí)拐角誤差達(dá)到最小，如圖 2（c）、圖 2（d）所示。

4 結(jié)論

采用田口試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行信噪比主效應(yīng)及方差分析確定了以下結(jié)論：

（1）在切割銳角時(shí)（30°，60°）影響素排序依此為：I＞Ton＞FLP＞TD，最優(yōu)參數(shù)組合為I（15A）、TD（55%）、Ton（3μs）、FLP（12bar）。

（2）在切割 90°拐角時(shí)，影響因素排序依此為：I＞TD＞Ton＞FLP，最優(yōu)參數(shù)組合為I（15A）、TD（45%）、Ton（3μs）、FLP（10bar）。

（3）在切割 120°拐角時(shí)，影響因素排序依此為：I＞Ton＞TD＞FLP，最優(yōu)參數(shù)組合為I（15A）、TD（45%）、Ton（3μs）、FLP（10bar）。

（4）在電極絲切割銳角時(shí)，放電集中現(xiàn)象對(duì)拐角誤差的影響較為明顯，拐角誤差主要受放電能量影響，隨著放電能量增大而增大，故在切割銳角時(shí)，應(yīng)選擇較小的放電能量參數(shù)。

（5）隨著切割角度增大，放電集中現(xiàn)象減弱，拐角誤差總體仍然隨著放電能量增大而增大，但是當(dāng)放電能量過(guò)大時(shí)會(huì)使切出誤差減小，反而減小拐角誤差，故在切割直角或小于120°的鈍角時(shí)，應(yīng)選擇較小的放電能量參數(shù)，當(dāng)所切割拐角為較大的鈍角時(shí)，可適當(dāng)選取大些的放電能量參數(shù)。