慢走絲線切割SKD11試驗(yàn)研究及其參數(shù)優(yōu)化

李文明，唐東升

（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.天津金海天精密模具股份有限公司，天津 300380）

0 引 言

SKD11鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性等優(yōu)異性能，在模具中得到廣泛使用[1]。慢走絲線切割的電極絲單向走絲，在凹模類零件的加工中不需要穿絲，且能實(shí)現(xiàn)多次切割，保證良好的加工質(zhì)量，因此，慢走絲線切割技術(shù)在模具零件的加工中有著無可替代的作用。

慢走絲線切割的主要工藝指標(biāo)是切割速度、表面粗糙度、加工精度，在達(dá)到加工要求下的線切割時(shí)，切割速度越高、切割次數(shù)越少，越能降低生產(chǎn)成本。姚忠等在快走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用曲面響應(yīng)法研究了SKD11基于最大材料去除率的工藝參數(shù)優(yōu)化[2]；李海星等在快走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對TC4材料去除率與表面質(zhì)量多工藝指標(biāo)下的工藝參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)[3]；王麗慧等在快走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用加權(quán)平均法對紫銅加工速度與表面粗糙度多工藝指標(biāo)下的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[4]；宗曉明等在中走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用單因素試驗(yàn)法研究了GGr15基于表面粗糙度與材料去除率多工藝指標(biāo)的工藝參數(shù)優(yōu)化[5]；馬秀麗等在中走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用極差分析法分別研究了Ti6Al4V切割速度與表面粗糙度的工藝參數(shù)優(yōu)化，并提出根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的具體要求選擇最合適的工藝參數(shù)[6]；V SINGH等在慢走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用曲面響應(yīng)法優(yōu)化D2材料去除率、表面粗糙度多工藝指標(biāo)的工藝參數(shù)[7]；W Y MING等在慢走絲線切割機(jī)床上運(yùn)用NGSAII-GPR模型優(yōu)化了YG15材料去除率和表面質(zhì)量多工藝指標(biāo)的工藝參數(shù)[8]。國內(nèi)外學(xué)者在線切割工藝規(guī)律的研究和參數(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行了大量的研究，但是多集中在中、快走絲線切割機(jī)床上，并且多以切割速度、表面粗糙度為工藝指標(biāo)，對于重要的加工精度工藝指標(biāo)的研究鮮有報(bào)道。

以下將在慢走絲線切割機(jī)床上，全面考慮切割速度、表面粗糙度、加工精度工藝指標(biāo)，研究SKD11加工工藝規(guī)律以及滿足加工要求下的最優(yōu)工藝參數(shù)，為企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)提供理論支持。

1 試驗(yàn)方法

在慢走絲線切割機(jī)床上，運(yùn)用φ0.25 mm電極絲進(jìn)行SKD11模具鋼的切割試驗(yàn)。選取脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓、伺服速度、走絲速度等工藝參數(shù)為試驗(yàn)變量，設(shè)計(jì)了5因素4水平的正交試驗(yàn)，探究了對切割速度、表面粗糙度、加工精度等工藝指標(biāo)的影響，各工藝參數(shù)的取值及試驗(yàn)安排如表1所示。

為便于測量每組試驗(yàn)的加工精度，試驗(yàn)中的切割樣件設(shè)計(jì)如圖1所示，切割厚度20 mm，切割長度為樣件邊長20 mm與切入量1 mm之和，即21 mm。切割速度等于切割面積與每組試驗(yàn)所用切割時(shí)間的比值，其中每組試驗(yàn)所用切割時(shí)間為開始切入樣件至樣件切完這一過程的時(shí)間，可從機(jī)床中直接讀出；表面粗糙度值采用TR210手持式粗糙度測量儀在每個(gè)樣件的同一個(gè)切割表面測量3個(gè)位置后所得的均值；加工精度主要考量的是尺寸精度，運(yùn)用千分尺測量沒有切入痕的兩側(cè)之間的距離，分別從樣件上、中、下3個(gè)位置測量的尺寸取其均值，其中線切割偏移量參數(shù)的設(shè)置是0.159 mm。

圖1 切割樣件

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行了16組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)樣件如圖2所示。對于3個(gè)工藝指標(biāo)的測量，切割速度、加工精度（切割尺寸）的測量比較精確，尤其是切割速度的測量，直接由機(jī)床加工時(shí)間的記錄進(jìn)行保證，切割尺寸每一次的測量有極小誤差；相對而言，每一切割表面的表面粗糙度測量誤差較大，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，也是按照同一位置進(jìn)行多次測量，取較穩(wěn)定的數(shù)值作為測量結(jié)果。引入極差分析法處理了試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，極差分析結(jié)果如表2所示。

圖2 試驗(yàn)樣件

2.1 工藝參數(shù)對切割速度的影響

根據(jù)表1試驗(yàn)結(jié)果，16組試驗(yàn)最大與最小切割速度差值達(dá)到24.96 mm2/min，可見不同工藝參數(shù)組合下對切割速度的影響較大。由表2試驗(yàn)結(jié)果極差分析得出各工藝參數(shù)每一水平平均切割速度關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3得知，對切割速度有顯著影響的工藝參數(shù)主要是脈沖寬度、脈沖間隔，且脈沖寬度的影響程度大于脈沖間隔；伺服電壓、伺服速度、走絲速度對切割速度的影響基本一致且較小。隨著脈沖寬度的增加，由線切割加工原理可知，脈沖放電能量增大，電蝕除能力增強(qiáng)，所以切割速度增大。而隨著脈沖間隔的增加，單位時(shí)間內(nèi)的放電能量減小，切割速度也隨之減小。根據(jù)線切割機(jī)床使用說明，電極平均間隙電壓小于設(shè)定的伺服電壓設(shè)定值時(shí)，電極絲后退，所以隨著伺服電壓設(shè)定值的升高，切割速度變慢，而伺服速度設(shè)定值越大，切割速度變快。線切割放電區(qū)域穩(wěn)定的環(huán)境有利于切割的進(jìn)行，隨著走絲速度的升高，可以促進(jìn)電蝕產(chǎn)物的排出，但是過快的走絲速度會(huì)引起電極絲振動(dòng)，導(dǎo)致電極絲與導(dǎo)電塊瞬間不接觸，干擾了穩(wěn)定的放電狀態(tài)，造成切割速度的降低[9]。

圖3 各工藝參數(shù)每一水平的平均切割速度

2.2 工藝參數(shù)對切割精度的影響

對于切割尺寸的理想值5 mm，由表1中在試件上、中、下3個(gè)位置的測量結(jié)果可知：試件上（位置1）切割尺寸＜試件中（位置2）切割尺寸＜試件下（位置3）切割尺寸。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：①電極絲垂直度可能有誤差；②試件切割時(shí)，每一位置處的電極絲走絲方向都是由上到下，上部放電區(qū)域可以有更多、更潔凈的工作液，促進(jìn)放電，蝕除量大。取試件上、中、下3個(gè)位置處測量后的均值作為每一組的切割尺寸，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，有10組試驗(yàn)切割精度在5 μm以內(nèi)，只有第13、14組試驗(yàn)的切割精度在10 μm以上，各工藝參數(shù)對切割精度的影響規(guī)律較明顯。由表2試驗(yàn)結(jié)果極差分析作出各工藝參數(shù)每一水平平均切割尺寸關(guān)系曲線，如圖4所示。脈沖寬度對切割精度影響程度最大，脈沖間隔、走絲速度對切割精度基本無影響。脈沖寬度越大，放電能量越大，蝕除能力越強(qiáng)，所以隨著脈沖寬度的增加，切割尺寸越小，尤其是當(dāng)脈沖寬度取值14 μs，誤差達(dá)到了10 μm；脈沖間隔、走絲速度與放電能量的大小無關(guān)，所以對切割精度無影響。伺服電壓、伺服速度對切割尺寸的影響趨勢與對切割速度的影響趨勢基本一致，這是因?yàn)楫?dāng)放電能量一定時(shí)，切割速度越慢，切割表面單位時(shí)間內(nèi)分配到的能量越多，電蝕除量也越大，切割尺寸隨之越小。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

圖4 各工藝參數(shù)每一水平的平均切割尺寸

2.3 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

由表2可知，各工藝參數(shù)對表面粗糙度影響程度依次為脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓、伺服速度、走絲速度。各工藝參數(shù)每一水平平均表面粗糙度關(guān)系曲線如圖5所示。脈沖寬度因素下的表面粗糙度極差約為0.3 μm，脈沖間隔因素下的表面粗糙度極差約為0.2 μm，脈沖寬度增加，放電能量增強(qiáng)，電蝕凹坑增大，所以表面粗糙度變大，脈沖間隔增加，有利于電蝕產(chǎn)物的排出及充分的消電離，有利于提高表面質(zhì)量。其他因素對表面粗糙度的影響相對較小，且對試件表面粗糙度測量時(shí)有一定的誤差，所以曲線趨勢不是太明顯，對于這種現(xiàn)象的處理，可以弱化這3種工藝參數(shù)對表面粗糙度影響的分析，從企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)“降本保質(zhì)”的角度進(jìn)行工藝參數(shù)的選取。

圖5 各工藝參數(shù)每一水平的平均表面粗糙度

3 多工藝指標(biāo)下的參數(shù)組合優(yōu)化

根據(jù)工藝參數(shù)對工藝指標(biāo)的影響分析可知，最大切割速度與最小表面粗糙度對應(yīng)的工藝參數(shù)不一致，研究了工藝參數(shù)對切割精度的影響規(guī)律后，在保證加工要求下的切割精度，只需調(diào)整偏移量的設(shè)置即可，因此，對多工藝指標(biāo)下的工藝參數(shù)組合優(yōu)化設(shè)定為對切割速度與表面粗糙度工藝指標(biāo)下的參數(shù)組合優(yōu)化。

通過灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，用式（1）、（2）將表面粗糙度與切割速度進(jìn)行量綱化處理，然后按式（3）求得2個(gè)工藝指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，并用式（5）求得2個(gè)工藝指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

其中，j取值1，2，…，16；x1j、x2j分別表示表面粗糙度、切割速度工藝指標(biāo)的量綱化處理；y1j、y2j分別表示表面粗糙度、切割速度工藝指標(biāo)下的第j個(gè)試驗(yàn)。

其中，i取值1、2；j取值1，2，…，16；xi0表示第i個(gè)工藝指標(biāo)的理想值。ζ為分辨系數(shù)，通過式（4）確定。

其中，m、n分別表示i、j的個(gè)數(shù)，即m=2，n=16。

由公式（4）計(jì)算ε=0.406 6；當(dāng)Δmax≤3Δv，分辨系數(shù) ζ取值為 1.5ε＜ζ≤2ε，即：0.609 9＜ζ≤0.813 2，ζ取0.8。

根據(jù)表3的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果，第15組參數(shù)組合下的試驗(yàn)，灰色關(guān)聯(lián)度值最大，且此時(shí)的切割尺寸為4.994 mm，只需將電極絲的偏移量從0.159 mm改為0.162 mm即可獲得較理想的表面粗糙度、切割速度、切割精度等工藝指標(biāo)。為了進(jìn)一步尋求更優(yōu)的工藝參數(shù)組合，將各工藝參數(shù)水平下的灰色關(guān)聯(lián)度均值進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表4所示，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為脈沖寬度14 μs、脈沖間隔20 μs、伺服電壓18 V、伺服速度7檔、走絲速度11 m/min。需指出的是，伺服速度水平2的灰色關(guān)聯(lián)度均值與水平4的灰色關(guān)聯(lián)度均值相差較小，由于表面粗糙度的測量存在一定誤差，造成這兩水平下的灰色關(guān)聯(lián)度均值可能有一些偏差，理論上伺服速度取值越大，切割速度越快，為了客觀的尋求最優(yōu)工藝參數(shù)組合，將最優(yōu)的伺服速度暫定為7檔或9檔，通過后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證再確定；走絲速度水平1的灰色關(guān)聯(lián)度均值與水平2的灰色關(guān)聯(lián)度均值相差更小，從企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)角度考慮，因?yàn)樽呓z速度越慢越能降低成本，所以無論是從理論計(jì)算分析還是實(shí)際生產(chǎn)考慮，最優(yōu)的走絲速度取11 m/min。

表4 各工藝參數(shù)每水平下的灰色關(guān)聯(lián)度均值

由圖4可知，脈沖寬度對切割速度的影響占據(jù)主要作用，所以在保證切割精度工藝指標(biāo)時(shí)，只考慮脈沖寬度的取值對切割速度的影響，當(dāng)脈沖寬度取14 μs，這一水平下平均的切割尺寸為4.990 mm，將電極絲的偏移量從0.159 mm改為0.164 mm后，可以得到較好的切割精度。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過分析優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為脈沖寬度14 μs、脈沖間隔 20 μs、伺服電壓 18 V、伺服速度 7檔或9檔、走絲速度11 m/min，電極絲偏移量0.164 mm。在第一組（伺服速度7檔）、第二組（伺服速度9檔）參數(shù)試驗(yàn)得到的表面粗糙度、切割速度、切割尺寸依次為Ra2.589 μm、84.85 mm2/min、4.999 mm和Ra2.612 μm、86.90 mm2/min、5.001 mm；相應(yīng)的表面粗糙度與切割速度的灰色關(guān)聯(lián)度值為0.770、0.802，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，確定優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合中的伺服速度定為9檔，且運(yùn)用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行加工可以獲得較理想的加工效果。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對慢走絲線切割SKD11工藝規(guī)律的試驗(yàn)研究以及基于全面工藝指標(biāo)考慮的工藝參數(shù)優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

（1）脈沖寬度對切割速度、表面粗糙度、加工精度工藝指標(biāo)的影響程度最大且最為顯著；其次是脈沖間隔對切割速度、表面粗糙度工藝指標(biāo)的影響程度較強(qiáng)，對加工精度基本沒有影響；伺服電壓、伺服速度、走絲速度對這3個(gè)工藝指標(biāo)的影響相對較弱。

（2）優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合為脈沖寬度14 μs、脈沖間隔20 μs、伺服電壓18 V、伺服速度9檔、走絲速度11 m/min，電極絲偏移量0.164 mm，可實(shí)現(xiàn)86.90 mm2/min切割速度、Ra2.612 μm表面粗糙度、5 μm以內(nèi)加工精度的SKD11線切割，為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中降低成本，提高效率，提供理論技術(shù)支持。