中走絲線切割加工薄壁件變形試驗(yàn)研究

王宏宇，馬虎亮，楊勝強(qiáng)，王燕青

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

電子技術(shù)的進(jìn)步為制造業(yè)的發(fā)展帶來了巨變，使得復(fù)雜化、精密化、微細(xì)化成為當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的主流。隨著航空、航天、汽車、模具制造等高端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，薄壁件作為一種特征形式被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣及工具電極的制造[1]。由于薄壁件形狀的特殊性，對(duì)其采用傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行加工，工件本身易受切削力、切削熱、殘余應(yīng)力等因素的影響而產(chǎn)生較大變形。而電火花線切割加工作為非接觸式加工的一種，具有無宏觀切削力、普適性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)[2]，與傳統(tǒng)加工方式相比，工件加工后的變形量大大減小，因而已成為薄壁件加工的主流方式之一。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)慢走絲電火花線切割加工過程中薄壁件的變形已進(jìn)行了較為深入的研究。文獻(xiàn)[3]采用單因素試驗(yàn)分析了線切割過程中切片翹曲的主要原因，并對(duì)其加工過程中的熱應(yīng)力場進(jìn)行了仿真，同時(shí)提出了雙線切割的方式以降低切片翹曲變形。文獻(xiàn)[4]對(duì)微細(xì)電火花加工過程中微肋件的溫度分布進(jìn)行了研究，得出殘余應(yīng)力的非線性分布是造成工件變形的主要原因。文獻(xiàn)[5]研究了材料磁性對(duì)銳角薄壁件尖端變形方向的影響，證明在加工參數(shù)相同的情況下，鐵磁性材料的尖端變形方向同加工方向相同，而順磁性材料的尖端變形方向同加工方向相反。文獻(xiàn)[6-7]分析了材料的物理性能對(duì)薄壁件變形的影響，指出材料的屈服強(qiáng)度和傳熱系數(shù)是影響薄壁件變形的重要因素，屈服強(qiáng)度越小，傳熱系數(shù)越低，變形越嚴(yán)重。此外，二者還對(duì)線切割過程中的峰值電流、絲速等工藝參數(shù)對(duì)薄壁件變形的影響進(jìn)行了探究，并得出了相應(yīng)結(jié)論。

總的來說，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)線切割薄壁件的變形研究集中于加工過程中的熱應(yīng)力分析和材料物理性能對(duì)變形的影響等方面，對(duì)于加工過程中的各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)薄壁件變形量的影響則研究較少。此外，上述研究均針對(duì)慢走絲電火花線切割薄壁件，而隨著中走絲電火花線切割機(jī)床加工精度的提高，該型設(shè)備已越來越廣泛的應(yīng)用于薄壁件加工，因此探索中走絲電火花線切割薄壁件的變形規(guī)律就具有重要意義。基于中走絲電火花線切割機(jī)床對(duì)薄壁件進(jìn)行加工，主要研究了脈寬、脈間、壁厚和薄壁寬度對(duì)線切割加工薄壁件變形量的影響規(guī)律。

2 薄壁件線切割加工試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)采用蘇州冬慶公司生產(chǎn)的DK7732ZAA數(shù)控中走絲線切割機(jī)床，結(jié)合工件、夾具及測量儀器構(gòu)成了完整的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1 所示。電極絲選用直徑Ф0.18mm 的鉬絲，工作液為1：40比例的JR3A乳化液，試驗(yàn)材料選用工程中常用的TA2，工件尺寸為兩種：一種（20×10×4）mm，另一種為（20×5×4）mm。試驗(yàn)過程中，通過設(shè)置加工參數(shù)獲取不同的TA2薄片，并對(duì)其變形量進(jìn)行測量。薄壁件變形量的測量選用基恩士公司生產(chǎn)的LK-G3001V高速、高精度CCD激光位移傳感器，該傳感器擁有50kHz的超高采樣速度和±0.02%的高精確度，并可通過對(duì)應(yīng)的LK-Navigator軟件對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存，滿足試驗(yàn)測量的需要。測量時(shí)，激光位移傳感器采集并記錄2萬多個(gè)點(diǎn)的位置值，以其平均值相對(duì)基準(zhǔn)的差值作為此次加工薄壁件的變形量。

圖1 中走絲線切割薄壁件試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 MS-WEDM Test Platform for Thin-Walled Parts

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為分析不同參數(shù)對(duì)薄壁件變形量的影響，本試驗(yàn)采用全因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)以獲取較多信息，同時(shí)采用JMP10部分析因分析各參數(shù)的顯著程度[8-9]。JMP10是由SAS公司旗下的一種交互式可視化統(tǒng)計(jì)分析軟件，其包含試驗(yàn)設(shè)計(jì)單元和數(shù)據(jù)分析單元。基于JMP10軟件可進(jìn)行不同類型的數(shù)據(jù)分析并得出試驗(yàn)參數(shù)的顯著度，因此被越來越廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析領(lǐng)域。部分析因分析是一種多因素的交叉分組分析，區(qū)別于完全析因分析，部分析因分析為提高分析效率，只考慮試驗(yàn)因素及兩兩因素間的交互作用，適合參數(shù)較少的試驗(yàn)[10-11]。本試驗(yàn)各輸入因素，如表1所示。以薄壁件變形量為輸出響應(yīng)。

表1 輸入因素及水平Tab.1 Input Factors and Levels

2.3 試驗(yàn)過程

工件裝夾后，在輸入因素中選取特定組合對(duì)工件進(jìn)行加工?？紤]到加工路徑對(duì)工件變形有重要影響，故在加工過程中應(yīng)采取對(duì)稱加工的方式。具體過程是在裝夾工件后，先采用選定參數(shù)對(duì)工件一側(cè)進(jìn)行“溜邊”，即去除一層，之后按要求的壁厚再加工另一側(cè)，并記錄數(shù)據(jù)，具體走刀路徑，如圖2所示。薄壁件的加工長度為10mm，測量時(shí)共記錄五次數(shù)據(jù)，即每加工2mm測量一次變形量。

圖2 走刀路徑Fig.2 Tool Path

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

薄壁件加工前和加工后的對(duì)比，如圖3所示。圖3（a）為未加工工件，圖3（b）為加工完成的工件，兩圖對(duì)比可以看出，薄壁件經(jīng)線切割加工后，其末端會(huì)出現(xiàn)翹曲變形現(xiàn)象。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其翹曲變形的方向與加工的先后順序有關(guān)，變形方向普遍位于后加工一側(cè)，即向圖2中所示B側(cè)面變形。以向A側(cè)彎曲為正向，向B側(cè)彎曲為負(fù)向，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得出脈寬、脈間、壁厚及薄壁寬度對(duì)薄壁件變形的影響。

圖3 薄壁件加工前后對(duì)比Fig.3 Comparison of Thin-Walled Parts before and after Processing

3.1 脈寬對(duì)薄壁件變形量的影響

在保證其他參數(shù)不變的情況下，改變脈寬的值，可研究單因素條件下脈寬對(duì)薄壁件變形量的影響。當(dāng)脈間Toff為4.5、5.5、6.5、7.5倍的脈寬時(shí)，薄壁件變形量隨脈寬變化的曲線，如圖4（a）～圖4（d）所示。由圖可知，隨著脈寬的增加，薄壁件變形量呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；在薄壁件壁厚較薄時(shí)，這一現(xiàn)象尤為顯著。線切割薄壁件加工過程中工件瞬間受熱產(chǎn)生熱影響區(qū)，之后又因沖液而冷卻，這一急速的冷熱變換過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及其后續(xù)的變化是導(dǎo)致薄壁件產(chǎn)生變形的主因[3]。當(dāng)應(yīng)力超過薄壁件自身剛度時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生變形。脈寬值越大，單脈沖放電能量值越大；單位時(shí)間內(nèi)工件受到的放電能量越大，熱影響區(qū)越大，同時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力就越大，薄壁件的變形量隨之加大。

圖4 薄壁件變形量隨脈寬變化曲線Fig.4 Variation Curve of Deformation of Thin-Walled Parts with Pulse Width

3.2 脈間對(duì)薄壁件變形量的影響

脈間是指相鄰兩個(gè)放電脈沖之間的間隔時(shí)間，其用來調(diào)節(jié)不放電時(shí)間（排屑時(shí)間）和放電脈沖的比例關(guān)系，脈間越大，放電后的等待時(shí)間越長。當(dāng)脈寬Ton分別為20μs、32μs時(shí)，薄壁件變形量隨脈間變化的曲線，如圖5（a）～圖5（b）所示。由圖可以看出，隨著脈間的增大，薄壁件變形量呈現(xiàn)出越來越小的趨勢(shì)，但其變化的趨勢(shì)較為平緩。其原因在于脈間主要影響線切割過程中的排屑和散熱，故隨著脈間的增大，切縫內(nèi)蝕除物排出更好，散熱能力增強(qiáng)，使薄壁件內(nèi)熱應(yīng)力降低，工件變形量減少。但脈間對(duì)放電能量的影響較小，并沒有像脈寬那樣顯著，故由脈間導(dǎo)致的薄壁件變形量的變化趨勢(shì)較為平緩。

圖5 薄壁件變形量隨脈間變化曲線Fig.5 Variation Curve of Deformation of Thin-Walled Parts with Pulse Space

3.3 壁厚對(duì)薄壁件變形量的影響

壁厚對(duì)薄壁件變形量有著重要的影響。對(duì)上述圖4、圖5中圖線1、2、3、4綜合分析可得，使用不同的電參數(shù)進(jìn)行加工，當(dāng)壁厚T為0.5mm時(shí)，薄壁件的變形量較大，且會(huì)隨著電參數(shù)的變化發(fā)生較大改變。當(dāng)壁厚T為1mm時(shí)，薄壁件的變形量遠(yuǎn)小于同等參數(shù)下壁厚T為0.5mm時(shí)的變形量，且隨著電參數(shù)的變化，變形量的后續(xù)變化趨勢(shì)不顯著。產(chǎn)生該情況的主要原因在于壁厚的不同使得薄壁件自身的剛度不同，壁厚越厚，工件剛度越大，抵抗殘余應(yīng)力的能力就越強(qiáng)。而工件熱變形區(qū)的殘余應(yīng)力恰恰是線切割薄壁件發(fā)生變形的主要因素，因此，薄壁件的壁厚越厚，其在線切割加工時(shí)的變形量就越小，即抗變形能力越強(qiáng)。

3.4 薄壁寬度對(duì)薄壁件變形量的影響

由圖4、圖5中的各條曲線可以看出，薄壁寬度W為5mm和10mm的工件，其變形量并無明顯變化，這一現(xiàn)象在工件厚度較大時(shí)尤為顯著。之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殡娀鸹ň€切割時(shí)是單點(diǎn)放電，薄壁件寬度的增大在一定范圍內(nèi)既不影響放電能量的大小，又對(duì)排屑能力影響不大。寬度變大雖然使得工件加工部分的剛度增加，但是隨之也使得切割時(shí)熱影響區(qū)變大，殘余應(yīng)力增加，二者互相抵消，使得一定范圍內(nèi)薄壁寬度對(duì)于薄壁件變形量的影響較小。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)部分析因分析

第二部分得出了單因素條件下脈寬Ton、脈間Toff、壁厚T和薄壁寬度W對(duì)薄壁件變形量的影響，并未對(duì)各參數(shù)的顯著程度進(jìn)行說明。為了分析上述參數(shù)對(duì)薄壁件變形量的影響程度，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入JMP10進(jìn)行部分析因分析得：擬合優(yōu)度R2值為0.838，同時(shí)，其方差分析的總體模型矯正F比小于0.0001，可認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)總體偏離預(yù)測值的累計(jì)和較小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的部分析因分析結(jié)果可信。

脈寬Ton、脈間Toff、壁厚T及薄壁寬度W這四個(gè)因素的顯著度，如表2所示。

表2 因素顯著度Tab.2 Significance of Factors

同時(shí)表2中對(duì)因素兩兩之間的交互作用進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)各參數(shù)估計(jì)量的t比及其置信度分析結(jié)果，t比的絕對(duì)值越大且大于的概率小于0.0001，則認(rèn)為該因素對(duì)薄壁件變形量的影響是顯著的，并在表中以上標(biāo)*標(biāo)注。由表2可知，對(duì)于脈寬Ton、脈間Toff、壁厚T及薄壁寬度W這四個(gè)因素，影響變形量的因素次序依次為壁厚T＞脈寬Ton＞脈間Toff＞薄壁寬度W。綜合考慮t比和置信度，薄壁件變形量的主要影響因素分別為壁厚、脈寬及該兩因素的耦合作用，該規(guī)律的獲得客觀上為薄壁件的設(shè)計(jì)及加工工藝參數(shù)的選取提供了參考。將部分析因分析結(jié)果同單因素分析結(jié)論對(duì)照可知，兩者關(guān)于加工參數(shù)對(duì)線切割薄壁件變形量的影響的分析結(jié)果互相吻合，即薄壁件變形量隨脈寬及壁厚的變化明顯。

5 結(jié)論

（1）采用激光位移傳感器搭建了薄壁件加工變形量在線測試平臺(tái)，并成功用于薄壁件變形量測試。對(duì)線切割薄壁件試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素分析可知，在其他因素不變的情況下，薄壁件變形量隨脈寬Ton的增大而增大，隨脈間Toff的增大而減小。薄壁件壁厚T越厚，其變形量越小。在一定的范圍內(nèi)，薄壁件的寬度W對(duì)其線切割加工后的變形量影響不顯著。（2）對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行部分析因分析可知，影響變形量的因素次序依次為壁厚T＞脈寬Ton＞脈間Toff＞薄壁寬度W。結(jié)合參數(shù)估計(jì)中的t比和置信度，可得影響薄壁件變形量的主要因子分別為壁厚、脈寬及該兩因素的耦合作用。（3）線切割加工薄壁件時(shí)，在薄壁件厚度及寬度確定后，為減小加工后的變形量，應(yīng)盡量采用小脈寬和大脈間的電參數(shù)進(jìn)行加工。若考慮加工效率等其他因素的影響，則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選取。