基于正交試驗的GH4169鎳基合金線切割工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

徐蕊妮 秦 鵬 代志偉 靳國寶 郭書昉 章樂樂

（巢湖學院機械工程學院，安徽 合肥 238000）

0 引言

隨著我國制造業(yè)的高速發(fā)展，電火花線切割技術(shù)也日趨完善，其在航空航天和船舶材料加工領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用［1-2］。與傳統(tǒng)機械加工法不同的是，電火花線切割加工技術(shù)是利用電脈沖在電極絲和加工工件之間的微小間距內(nèi)產(chǎn)生的電弧來對被加工材料進行電蝕除，在放電過程中刀具和材料不會發(fā)生摩擦，所以電火花線切割加工與被加工的材料硬度等力學性質(zhì)無關(guān)。因此，電火花線切割技術(shù)可用于硬度高和強度高的材料成型工藝中。GH4169鎳基合金在650℃環(huán)境中有著良好的耐腐蝕性、抗疲勞、抗輻射等性能，但該合金也有硬度高、強度大的特點。此外，經(jīng)過機械加工的工件，其表面存在著方向性的刀痕，而電火花加工的工件表面則分布著很多無方向性的電蝕凹坑，在特種工況下，其有利于儲存潤滑油。綜上所述，研究電火花線切割高溫鎳基合金GH4169的工藝參數(shù)，對提高此類高溫鎳基合金的加工質(zhì)量及擴大其使用場景具有一定的積極意義。

1 儀器與材料

1 試驗材料和方法

1.1 材料

GH4169高溫鎳基合金包含γ"相（體心四方）和γ'相（面心立方）［3］，其在-253～700℃具有較好的抗耐腐蝕性、抗疲勞性和焊接性等特點，對應的物理性能指標見表1。

表1 GH4169鎳基合金物理性能參數(shù)表

本試驗所用的是直徑為21 mm、長度為300 mm的棒狀GH4169，切割出的試樣厚度為2 mm。為保證數(shù)據(jù)準確有效，在每次切割前先切除1 mm的廢料，防止外界干擾因素對結(jié)果造成影響。

1.2 加工及分析測試儀器

本研究選用蘇州漢奇數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DK7750型中走絲電火花線切割數(shù)控機床（見圖1）和北京凱達科儀科技有限公司生產(chǎn)的NDT120型表面粗糙度測量儀（見圖2）。

圖1 漢奇DK7732型中走絲線切割機床

圖2 NDT120表面粗糙度儀

1.3 試驗方法

影響GH4169鎳基合金線切割成型制件的表面質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，本研究主要考慮以下4個工藝參數(shù)。

①脈沖寬度。脈沖寬度是兩個電壓脈沖之間的間隔時間［4］。脈沖的寬度越寬，則切割速度越快，加工出的工件表面質(zhì)量越差，對應的粗糙度值越大。結(jié)合現(xiàn)有條件，本試驗中的脈沖寬度取值為20μs、25μs、30μs和35μs。

②脈沖間隔。其也被稱為放電間隔，是指加到電極和工件上放電間隙之間的電壓脈沖的間隔時間。脈沖間隔越小，則加工過程的平均電流就越大，單位時間內(nèi)電火花加工長度就會越長，加工出的工件表面質(zhì)量就越差。通常情況下，選取脈沖間隔為4～7個脈沖寬度。

③功率管數(shù)。功率管數(shù)是指在線切割加工過程中，接入到放電回路中的功率管的個數(shù)。當功率管個數(shù)增加時，會使線切割放電加工的能量增加，加工速度也會增加，但工作表面的質(zhì)量卻會降低。因此，在實際加工過程中，功率管數(shù)應為4～7個。

④走絲速度。走絲速度不僅直接影響電極絲在切縫加工區(qū)中的停留時間及承受的放電次數(shù)，還會影響電蝕產(chǎn)物的排出速度和工作液被帶入切縫加工區(qū)的運動速度［5］。所以，走絲速度的快慢會影響線切割加工時的加工穩(wěn)定性。結(jié)合設(shè)備情況，試驗的走絲速度選擇1檔、2檔和3檔。

若采用全面試驗法，則上述4個工藝參數(shù)需要進行4×4×4×3=192組試驗，試驗次數(shù)過多，容易浪費材料。為了高效經(jīng)濟地探索最優(yōu)工藝參數(shù)，本研究采用四因素四水平的正交試驗法，對應的正交試驗表為L16（44），各工藝參數(shù)對應的試驗編號、水平取值及試驗測量的結(jié)果見表2。

表2 GH4169鎳基合金線切割加工正交試驗設(shè)計及結(jié)果

2 試驗結(jié)果與討論

根據(jù)表1中表面粗糙度值的測試結(jié)果，采用方差分析法來確定脈沖寬度、脈沖間隙、功率管數(shù)和走絲速度等因素影響GH4169鎳基合金表面粗糙度的主次順序，并提供判斷各因素顯著性的量化標準，同時也可較為準確地估計出試驗誤差。通過方差分析法得出4個因素的主次順序為走絲速度、脈沖間隔、功率管數(shù)、脈沖寬度，各因素對試驗結(jié)果的影響均為顯著影響，由各因素對應的最優(yōu)方案為：脈沖寬度20μs、脈沖間隔7μs、功率管數(shù)7個、走絲速度3檔。

以脈沖寬度、脈沖間隙、功率管數(shù)和走絲速度等四個因素為橫坐標，相應因素對應的GH4169鎳基合金線切割加工表面粗糙度均值為縱坐標，在直角坐標系中畫出抗拉強度均值與因素水平的變化曲線。本次試驗各因素的水平影響趨勢如圖3至圖6所示。

圖3 脈沖寬度對表面粗糙度的水平影響趨勢圖

圖6 走絲速度對表面粗糙度的水平影響趨勢圖

2.1 脈沖寬度

由圖3可知，在20～35μs，隨著脈沖寬度的增大，GH4169線切割試樣的表面粗糙度呈單調(diào)遞增的趨勢，這是因為隨著脈沖寬度的增加，使每個放電周期內(nèi)的脈沖能量也隨之增加，脈沖放電的蝕除量也會增大，從而造成放電凹坑既大又深，表面粗糙度增大。

2.2 脈沖間隙

由圖4可知，在4.0～7.0μs，隨著脈沖間隙的增加，表面粗糙度呈現(xiàn)出降低的趨勢。這是因為脈沖間隙表現(xiàn)為在一個放電周期內(nèi)，低電平或不放電的時間長度。當脈沖間隙增大時，脈沖放電的高電平時間減少，放電能量也隨之降低，在放電間隙保持不變的前提下，線切割放電加工會減少材料的蝕除量，使放電凹坑變得小且淺，同時在電極絲平面運動方向的分布會更加密集，在一定程度上可提高GH4169鎳基合金的表面質(zhì)量，使表面粗糙度逐漸降低［5］。

圖4 脈沖間隙對表面粗糙度的水平影響趨勢圖

2.3 功率管數(shù)

由圖5可知，在功率管數(shù)為4～7個時，隨著功率管數(shù)量的增加，表面粗糙度也逐漸增大。這是因為隨著功率管數(shù)的增加，加工過程中的放電電壓也隨之升高，使單個脈沖的放電能量增加，在放電間隙保持不變的前提下，材料表面形成的凹坑深度和面積增加，加工速度得到提高，凹坑在電極絲運動方向分布的間距也會增加，從而造成材料表面質(zhì)量降低，導致GH4169鎳基合金的加工表面粗糙度增加［6］。

圖5 功率管數(shù)對表面粗糙度的水平影響趨勢圖

2.4 走絲速度

由圖6可知，當前設(shè)備走絲速度為1~3檔時，隨著走絲速度的增大，表面粗糙度逐漸減小。這是因為當走絲速度較低時，一方面線切割加工時蝕除產(chǎn)生的金屬粉末不能有效排出，會隨著電極絲一起運動，摩擦已加工的表面；另一方面這些金屬粉末游離在線切割電極絲和試樣加工表面，并參與到放電過程，在一定程度上縮短線切割電極絲和GH4169鎳基合金表面的放電間隙，導致放電產(chǎn)生的凹坑變深［7］。綜上所述，當走絲速度增加時，排屑效率提高，GH4169鎳基合金的表面粗糙度會顯著下降。

3 結(jié)論

①本研究以GH4169鎳基合金為研究對象，對GH4169鎳基合金電火花線切割工藝的加工質(zhì)量進行分析與研究，并對表面粗糙度指標進行檢測。

②從影響GH4169鎳基合金加工質(zhì)量的工藝參數(shù)中選出脈沖寬度、脈沖間隙、功率管數(shù)和走絲速度等4個因素進行正交試驗，以線切割試樣的表面粗糙度為衡量標準，分析各個工藝參數(shù)對其產(chǎn)生的影響。通過對試驗結(jié)果進行分析可以得出，各工藝參數(shù)對試樣表面粗糙度影響的主次順序為走絲速度、脈沖間隔、功率管數(shù)、脈沖寬度，各因素對試驗結(jié)果的影響均為顯著影響。

③在當前試驗條件下，以線切割成型GH4169鎳基合金表面粗糙度為優(yōu)化目標，最佳的工藝參數(shù)組合為：脈沖寬度20μs、脈沖間隔7μs、功率管數(shù)7個、走絲速度3檔。