純銅窄縫式電極電火花線切割加工試驗(yàn)研究

李文明，張五金，黎 振

（1.天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院機(jī)械工程系，天津300380；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

1 引言

電火花成形加工中，純銅加工穩(wěn)定性好，是目前在電加工領(lǐng)域應(yīng)用最多的電極材料。針對(duì)微尺度凸起結(jié)構(gòu)的制造，采用窄縫式電極代替凹槽式電極成形的工藝方法，能夠較大程度降低電極的制造難度，文獻(xiàn)[1]利用窄縫式電極電火花成形出用于注塑成型聚合物微流控芯片的微凸起結(jié)構(gòu)的模具鑲塊。

然而對(duì)于窄縫式電極的制作，電火花線切割具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。多次切割是保證能夠加工出符合加工質(zhì)量要求的重要技術(shù)手段[2]，其中第一次切割將窄縫切開(kāi)，后續(xù)切割用于加工尺寸的修整和加工表面的修光。電火花線切割加工窄縫電極時(shí)，第一次切割的窄縫寬度越小，那么越可以為后續(xù)加工留取充足的加工余量，從而保證窄縫式電極的加工質(zhì)量。

對(duì)于電火花線切割加工工藝規(guī)律的試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得一定研究成果。文獻(xiàn)[3]在中走絲電火花線切割機(jī)床上切割高速鋼，發(fā)現(xiàn)加工限速是影響表明粗糙度的主要因素。文獻(xiàn)[4]在高速走絲電火花線切割機(jī)床上切割Cr12MoV，得出峰值電流和脈寬時(shí)間對(duì)材料去除率和切割表面粗糙度影響最大。文獻(xiàn)[5]在慢走絲電火花線切割機(jī)床上研究TC2 材料的切割性能，得出電參數(shù)比非電參數(shù)對(duì)加工時(shí)間和切割表面質(zhì)量影響要大，其中峰值電流的影響最大。文獻(xiàn)[6]在微細(xì)電火花線切割機(jī)床上研究了Ti6Al4V材料的切割性能，得出電容對(duì)材料去除率和切割表面粗糙度影響最大。各學(xué)者主要集中在電火花線切割對(duì)加工效率和加工表面質(zhì)量的研究，對(duì)切縫寬度的研究，尤其對(duì)電極材料切縫的研究，現(xiàn)報(bào)道比較匱乏，因此，選取峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔、開(kāi)路電壓主要電參數(shù)進(jìn)行了正交試驗(yàn)，對(duì)純銅窄縫式電極的切縫寬度、切割速度多工藝目標(biāo)采用信噪比和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進(jìn)行組合參數(shù)優(yōu)化，旨在探索電參數(shù)與切縫寬度、切割速度之間的影響規(guī)律，為實(shí)際純銅窄縫式電極的制作提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取主要電參數(shù)中的脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流和間隙電壓作為試驗(yàn)因素，以穩(wěn)定切割的原則設(shè)置電參數(shù)，如表1所示。設(shè)計(jì)了L16（45）的正交試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)因素與水平設(shè)置Tab.1 Experiment Factors and Levels Set

表中：Ip—峰值電流；U—間隙電壓數(shù)值，只表示相應(yīng)檔位，非參數(shù)實(shí)際值；檔位越高，相應(yīng)參數(shù)實(shí)際值越大。

在AR2300 中走絲電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 AR2300 中走絲電火花線切割機(jī)床Fig.1 Medium-Speed WEDM of AR2300

考慮中走絲電火花線切割在加工過(guò)程存在電極絲損耗現(xiàn)象，本試驗(yàn)之前進(jìn)行φ0.18mm 鉬絲的更換，每參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下都按照試驗(yàn)序號(hào)1 至16、16 至1 的順序各進(jìn)行兩次，如表2 所示。以減小由于電極絲損耗帶來(lái)的切縫寬度和切割速度的試驗(yàn)誤差，也可以減小其他隨機(jī)干擾因素帶來(lái)的試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)材料為純銅，切縫長(zhǎng)度10mm、厚度5mm；在每個(gè)切縫上均勻選取三個(gè)相同位置，運(yùn)用TF-510 工具顯微鏡測(cè)量切縫寬度，取三次測(cè)量的平均值作為本次線切割試驗(yàn)的結(jié)果，如圖2 所示。每一次試驗(yàn)的切割速度為切縫表面積與機(jī)床記錄切割時(shí)間的比值。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal Test Results

圖2 TF-510 工具顯微鏡Fig.2 Tool Microscope of TF-510

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 信噪比分析

采用信噪比的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在分析試驗(yàn)因素影響的同時(shí)也將試驗(yàn)隨機(jī)干擾的因素考慮進(jìn)去，提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。本試驗(yàn)切縫寬度，希望越小越好，具有望小特性，試驗(yàn)結(jié)果由式（1）[7]計(jì)算，其值越大，切縫寬度越?。磺懈钏俣?，希望越大越好，具有望大特性，試驗(yàn)結(jié)果由式（2）計(jì)算，其值越大，切割速度越大。試驗(yàn)結(jié)果信噪比值，如表2 所示。并對(duì)信噪比值進(jìn)行了極差分析，如表3 所示。

表3 信噪比極差分析Tab.3 Range Analysis of SNR

表中：Kij—第i 項(xiàng)工藝目標(biāo)在j 水平下的信噪比之和；i=1—切縫寬度；i=2—切割速度，j=1、2、3、4；R1、R2—切縫寬度、切割速度的極差。

3.2 試驗(yàn)因素對(duì)工藝目標(biāo)的影響分析

由表3 得出結(jié)論，試驗(yàn)因素對(duì)切縫寬度影響強(qiáng)弱順序：間隙電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流；試驗(yàn)因素對(duì)切割速度影響強(qiáng)弱順序：脈沖寬度、脈沖間隔、間隙電壓、峰值電流。結(jié)合表2，第4 組試驗(yàn)，當(dāng)脈沖寬度10μs、脈沖間隔70μs、峰值電流8 檔、間隙電壓8 檔時(shí)，切縫寬度最大、切割速度最慢。這是因?yàn)椋弘m然峰值電流、間隙電壓值最大，單位時(shí)間釋放的能量最大，但是單個(gè)脈沖中，脈沖寬度時(shí)間最短，且脈沖寬度對(duì)切割速度的影響起主導(dǎo)作用，單個(gè)脈沖釋放的能量最小，所以這一組試驗(yàn)參數(shù)下的切割速度最慢。間隙電壓對(duì)切縫寬度的影響起主導(dǎo)作用，這一組試驗(yàn)參數(shù)下，間隙電壓、脈沖間隔值最大；大的間隙電壓，在增大放電間隙的同時(shí)，也利于電蝕產(chǎn)物的排出，保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性；此外，大的脈沖間隔也利于電蝕產(chǎn)物的排出；并且在工具顯微鏡的觀察下，這一組切縫寬度一致性最好；所以這一組試驗(yàn)參數(shù)下的切縫寬度最大。第13 組試驗(yàn)，對(duì)切割速度影響比重非常大的兩個(gè)因素，脈沖寬度25μs、脈沖間隔40μs，都取到了極值，此參數(shù)下的單脈沖釋放能量最大，所以該試驗(yàn)參數(shù)下的切割速度最快。第14 組試驗(yàn)，對(duì)切割寬度影響比重比較大的兩個(gè)因素，間隙電壓5 檔、脈沖寬度25μs，也都取到了極值，此參數(shù)下放電間隙最小的，所以該試驗(yàn)參數(shù)下的切縫寬度最小。

根據(jù)表2 中的試驗(yàn)結(jié)果，第二次切割試驗(yàn)結(jié)果的切縫寬度、切割速度值都要大于第一次的。這是因?yàn)樵囼?yàn)中為新更換的鉬絲，隨著電火花線切割加工純銅的進(jìn)行，銅材料附著在了電極絲表面，而鉬材料的電阻率為0.0472μΩ·m，銅材料的電阻率為0.0171μΩ·m，電極絲的導(dǎo)電性變好了，所以第二次的切割速度稍快于第一次的；而隨著線切割的進(jìn)行，雖然電極絲存在少量損耗，但是電極絲的導(dǎo)電性變好了，所以第二次的切縫寬度也比第一次的略大。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)最大切割速度、最小切縫寬度對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合，所以對(duì)兩項(xiàng)工藝目標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，以尋求最佳組合參數(shù)。

3.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)分析法是將因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的方法[8]。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用灰色關(guān)聯(lián)度分析，將多項(xiàng)工藝目標(biāo)的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單項(xiàng)灰關(guān)聯(lián)度，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合。具體優(yōu)化過(guò)程[9]：

以試驗(yàn)結(jié)果的信噪比值為原始數(shù)據(jù)，按照式（3）進(jìn)行量綱一化處理，生成兩個(gè)工藝目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)：

由式（5）、式（6）計(jì)算Δv=0.4803，εΔ=0.4803；當(dāng)Δmax≤3Δv，分辨系數(shù)ζ 取值為1.5εΔ＜ζ≤2εΔ，即：0.7205＜ζ≤0.9606，且為了體現(xiàn)關(guān)聯(lián)度的整體性，ζ 應(yīng)取較大值[10]，本次計(jì)算ζ 取0.9，代入式（4）計(jì)算，求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表4 所示。

求兩個(gè)工藝目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度值，按照式（7）計(jì)算，求得灰色關(guān)聯(lián)度，如表4 所示。

其中，m=2；j 取值1，2，…，16。

3.4 最優(yōu)組合參數(shù)的確定

由表4 得出，第13 組試驗(yàn)參數(shù)下的切縫寬度與切割速度的灰色關(guān)聯(lián)度值最大，它是這16 組試驗(yàn)中最優(yōu)參數(shù)組合。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度值的計(jì)算結(jié)果，為了尋求更優(yōu)的組合參數(shù)，對(duì)各參數(shù)在每水平下的灰色關(guān)聯(lián)度均值進(jìn)行了計(jì)算，各參數(shù)在每水平下的最大灰色關(guān)聯(lián)度均值，便是兩項(xiàng)工藝目標(biāo)最優(yōu)下的最佳參數(shù)。各參數(shù)在每水平下的灰色關(guān)聯(lián)度均值，如表5 所示。從表中得出，脈沖寬度20μs（水平3）、脈沖間隔40μs（水平1）、峰值電流8 檔（水平4）、間隙電壓6 檔（水平2）的組合參數(shù)，可以使切縫寬度與切割速度的灰色關(guān)聯(lián)度值最大，也是最優(yōu)的組合參數(shù)。

表4 切縫寬度與切割速度的灰色關(guān)聯(lián)度Tab.4 Grey Correlation of Cutting Slit Width and Cutting Speed

表5 各參數(shù)水平下的灰色關(guān)聯(lián)度均值Tab.5 The Mean Value of Grey Correlation at Each Parameter Level

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則，對(duì)通過(guò)灰關(guān)聯(lián)分析得到的最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果：切縫寬度200.7μm、202.7μm（17 組試驗(yàn)參數(shù)下，切縫寬度最?。?，切割速度53.57mm2/min、54.55mm2/min；對(duì)應(yīng)信噪比-46.09dB、34.66dB；對(duì)應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)1、0.979；兩工藝目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度值0.990，大于16 組試驗(yàn)參數(shù)中最大灰色關(guān)聯(lián)度值0.910（對(duì)應(yīng)表4 中0.968）。雖然相比較第13組試驗(yàn)最大切割速度，驗(yàn)證試驗(yàn)的切割速度略微降低，但是相比較第14 組試驗(yàn)最小切縫寬度，驗(yàn)證試驗(yàn)的切縫寬度減小幅度較大；最終，整體的切割性能是最優(yōu)的，驗(yàn)證了運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)分析得到的最優(yōu)組合參數(shù)是合理的。

4 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)，對(duì)純銅窄縫式電極切縫寬度、切割速度多工藝目標(biāo)采用信噪比和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法進(jìn)行優(yōu)化處理，得出結(jié)論：（1）對(duì)切縫寬度影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋洪g隙電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流；對(duì)切割速度影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋好}沖寬度、脈沖間隔、間隙電壓、峰值電流，其中脈沖寬度、脈沖間隔對(duì)切割速度的影響起主導(dǎo)作用。（2）電極絲為鉬絲的中走絲電火花線切割加工純銅材料，隨著線切割的進(jìn)行，電極絲導(dǎo)電性變好，同組試驗(yàn)參數(shù)下，切縫寬度、切割速度都略微增大。（3）綜合考慮切縫寬度、切割速度兩項(xiàng)工藝目標(biāo)，純銅窄縫式電極電火花線切割加工工藝最優(yōu)組合參數(shù)為：脈沖寬度20μs、脈沖間隔40μs、峰值電流8 檔、間隙電壓6 檔。