電火花成型加工中田口算法的應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)研究

常星星 馮孟亮 姜 峰 于家祥 李紅進(jìn)

(安徽天航機(jī)電有限公司，安徽 蕪湖 241000)

在現(xiàn)代的生活、生產(chǎn)中，高強(qiáng)度，高硬度的材料的使用越來越普遍，這些高強(qiáng)高硬材料在普通加工機(jī)床上難以進(jìn)行有效地加工，為了滿足人類生產(chǎn)的需求，電火花成型加工便應(yīng)運(yùn)而生，并得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)對(duì)工件的表面質(zhì)量和加工效率的要求越來越高，而對(duì)于電火花成型加工工件的表面粗糙度和加工時(shí)間的影響因素有許多，如工件特性(材料、形狀、物理性能等)、工具特性(材料、形狀、導(dǎo)電性、物理性能等)、放電參數(shù)(電壓、電流、脈沖寬度、頻率)等[1-2]。本文針對(duì)電火花成型加工方案，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了放電幅、休止幅和低壓電流3種因素對(duì)表面質(zhì)量的影響程度。應(yīng)用田口法和方差分析法分別對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。得出了電參數(shù)對(duì)加工時(shí)間與工件表面粗糙度的影響規(guī)律，并且得到最優(yōu)的切削參數(shù)組合，進(jìn)一步提高電火花成型加工工件的表面質(zhì)量和加工效率。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選擇1Cr11Ni2W2MoV，具有良好的力學(xué)性能，普遍運(yùn)用于航空航天零部件[3]，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)的設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的電火花成型機(jī)床為臺(tái)灣的CHERM EDM，其機(jī)器型號(hào)為CM A53C，在實(shí)驗(yàn)過程中選擇高壓電流1.6 A，間隙為9，伺服為65%，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖1與圖2所示。

表1 1Cr11Ni2W2MoV 化學(xué)成分 (%)

1.3 田口法

田口算法在分析中規(guī)定事件分為3種情況：望小特性及望目特性、望大特性[4]，接著是衡量目標(biāo)中的影響因素對(duì)結(jié)果所造成的優(yōu)先級(jí)，通過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的分析找出優(yōu)化目標(biāo)的最佳參數(shù)組合，從而來提高所需要的優(yōu)化值[5]。同時(shí)在運(yùn)算的過程中對(duì)損失量與偏離的目標(biāo)值進(jìn)行偏差分析，將損失函數(shù)轉(zhuǎn)換成信噪比S/N。很顯然短電弧加工的表面粗糙度和電極相對(duì)損耗應(yīng)采用望小特性。

其信噪比計(jì)算公式為[6-7]：

(1)

式中：n為總的測量次數(shù)，yi為第i次測得的表面粗糙度值。

1.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

電火花成型加工正交實(shí)驗(yàn)過程中考慮的因素有放電幅(μs)、休止幅(μs)、低壓電流(A)，試驗(yàn)考慮的優(yōu)化指標(biāo)有加工工件的表面粗糙度Ra與加工時(shí)間。針對(duì)紫銅電極加工1Cr11Ni2W2MoV工件設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)，以A代表放電幅(μs)、B代表休止幅(μs)、C代表低壓電流(A)，各切削參數(shù)結(jié)合平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的情況選取三個(gè)水平，其正交試驗(yàn)的參數(shù)如表2所示。

表2 因素水平配置表

此次試驗(yàn)是三因素三水平是試驗(yàn)，采用L9(33)正交表，開展電火花成型試驗(yàn)，成型試驗(yàn)結(jié)束后觀測機(jī)床顯示屏顯示工件加工完后時(shí)間，同時(shí)采用MarSurf SD 26 粗糙度儀測量工件表面粗糙度Ra值，如圖3所示，其讀取數(shù)值的顯示界面如圖4所示，測量精度可以達(dá)到0.01 μm，通過探頭移動(dòng)工件的表面然后在電腦顯示屏進(jìn)行讀取測量數(shù)值如圖所示，普遍運(yùn)用于高精度零部件的測量。

在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)紫銅直徑為3 mm，加工深度為0.5 mm，通過對(duì)如上圖5成型加工后的零件進(jìn)行表面粗糙度的測量和加工時(shí)間的統(tǒng)計(jì)而繪制表3正交實(shí)驗(yàn)表，依照上面信噪比公式，將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行田口算法的分析計(jì)算。

表3 正交試驗(yàn)表

表4 加工時(shí)間平均信噪比分析表

通過對(duì)表3正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)平均信噪比分析表如表4～5所示。通過表4可知放電幅、休止幅、低壓電流所對(duì)應(yīng)的加工時(shí)間平均信噪比的最大值分別為水平1、水平2、水平2，其對(duì)應(yīng)的數(shù)值為放電幅18 μs、休止幅12 μs、低壓電流2 A，同時(shí)由表5可知放電幅、休止幅、低壓電流所對(duì)應(yīng)的表面粗糙度平均信噪比的最大值分別為水平2、水平1、水平0，即所對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為放電幅25 μs，休止幅9 μs、低壓電流1 A。

表5 表面粗糙度平均信噪比分析表

1.5 方差分析

為進(jìn)一步分析放電幅、休止幅、低壓電流對(duì)各因素的影響程度，借助方差進(jìn)行分析。方差分析先對(duì)目標(biāo)中的每一個(gè)因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將總的變化分為試驗(yàn)值與誤差值，并且構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量F，結(jié)果給出精確的數(shù)字進(jìn)行比較，得出每個(gè)試驗(yàn)因素影響因子的顯著程度，其方差計(jì)算公式如下[8-9]：

(1)

(2)

式中：SST為樣本總偏差；SSj為因素偏差和；m為單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)；n為實(shí)驗(yàn)的總數(shù)據(jù)。

平均偏差平方和與統(tǒng)計(jì)量F的計(jì)算公式如下所示[10-11]：

(3)

(4)

其中：dfj為樣本的自由度，通過上面的公式對(duì)正交試驗(yàn)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，其結(jié)果如表6～7所示。

表6 加工時(shí)間的方差分析

表7 表面粗糙度的方差分析

從表6顯著性的數(shù)據(jù)可以得出：對(duì)加工時(shí)間的影響程度中A>B>C，即放電幅>休止幅>低壓電流；同時(shí)通過表7可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)粗糙度的影響程度中A>B>C，即放電幅>休止幅>低壓電流。因此在電火花成型加工過程中，對(duì)于放電幅與休止幅大小的選取至關(guān)重要。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分別對(duì)上面田口算法優(yōu)化后的兩組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)采用第一組A1B2C2時(shí)，即放電幅18 μs、休止幅12 μs、低壓電流2 A，此時(shí)加工時(shí)間為28.13 min,同時(shí)加工出來的工件表面粗糙度Ra值為1.41 μm；當(dāng)采用第二組A2B1C0時(shí)，即放電幅25 μs，休止幅9 μs、低壓電流1 A，此時(shí)加工時(shí)間為33.54 min，工件表面粗糙度Ra值為1.08 μm。因此，在電火花成型加工中采用田口算法優(yōu)化后的參數(shù)組合是可行并且合理的，得到加工時(shí)間與表面粗糙度值較為理想。

3 結(jié)語

(1)通過田口算法的研究對(duì)電火花成型加工中多輸入與多目標(biāo)問題達(dá)到優(yōu)化的作用。

(2)在電火花成型加工中對(duì)工件表面質(zhì)量與加工時(shí)間的影響程度先后順序?yàn)椋悍烹姺?休止幅>低壓電流。

(3)研究優(yōu)化后的電參數(shù)以放電幅18 μs、休止幅12 μs、低壓電流2 A進(jìn)行電火花成型加工，加工穩(wěn)定且加工時(shí)間最小為28.13 min；當(dāng)以放電幅25 μs，休止幅9 μs、低壓電流1 A的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行加工時(shí)，工件表面粗糙度Ra值為1.08 μm，從而目標(biāo)達(dá)到優(yōu)化，可以滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。