基于正交法的超聲電火花鉆削微小孔最佳加工參數(shù)研究

摘 "要：采用正交法研究了用于制造微小孔的高速電火花鉆孔機(jī)的最優(yōu)工藝參數(shù)。使用的工件材質(zhì)為鈦合金，銅電極直徑為2.0mm。選擇要優(yōu)化的參數(shù)是：截至脈沖、最大電流和標(biāo)準(zhǔn)電壓。采用正交陣列L9分析了以上參數(shù)對材料去除率（MRR）和孔徑的影響。獲得了孔加工工藝的最佳放電加工參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：超聲電火花復(fù)合加工；微小孔；正交法；孔徑；材料去除率（MRR）

中圖分類號：TG523 """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on optimal machining parameters of ultrasonic EDM

drilling for micro holes based on orthogonal method

LIU Jinli1， ZHEN Wenyuan2

（1. Xian Aeronautical Polytechnic Institute， Xian 710089， Shaanxi， China;

2. Xian Hualei Ship Industry Co.， Ltd， Xian 710000， Shaanxi， China）

Abstract： In this paper， the orthogonal method is used in this study to study the optimal technological parameters of high speed electric discharge maching drilling machine for making tiny holes. The workpiece used in this study was made of titanium alloy and the diameter of the copper electrode was 2.0 mm. In this experiment， the parameters selected to be optimized are： cutoff pulse， maximum current and standard voltage. Orthogonal array L9 was used to analyze the effects of the above parameters on the material removal rate （MRR） and aperture. The optimum discharge machining parameters of hole machining were obtained and verified by experimental results.

Key words： "ultrasonic assisted electro discharge machining， microhole， orthogonal method， aperture， material removal rate（MRR）

0 "引 "言

微小深孔零件在航空航天、醫(yī)療器械、發(fā)動(dòng)機(jī)、芯片制造等高精尖設(shè)備中應(yīng)用廣泛，并且通常影響最終設(shè)備的使用精度［1］。目前，微小孔加工方式超過50種，其中機(jī)械加工與特種加工是兩種主要的加工方式［2］，機(jī)械加工受到刀具的限制較大，且排屑困難。而以電火花加工（EDM）為代表的特種加工方式加工效率低，且加工精度較差。通過將電火花加工與超聲加工進(jìn)行集成，可以有效解決這一問題。

超聲電火花復(fù)合加工的加工參數(shù)直接影響最終孔的加工精度。近年來，對于加工參數(shù)的研究和優(yōu)化是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。為了得到更高的加工效率和加工質(zhì)量，人工智能（AI）［3-6］和正交方法［7-9］成為參數(shù)優(yōu)化的主要工具。LIN等［4］采用正交法和模糊邏輯相結(jié)合的方法，優(yōu)化了EDM加工參數(shù)，即工件極性、脈沖時(shí)間、占空比、開路放電電壓、放電電流和介電流等，此方法產(chǎn)生的磨損比較小但材料去除率較高。為了尋找加工參數(shù)對切削力及材料去除率的最優(yōu)效果，SHABGARD等［8］通過正交法研究了脈沖持續(xù)時(shí)間、開路電壓，線速和介電沖洗壓力等參數(shù)對加工結(jié)果的影響。

基于此，本文采用正交法尋找用于鈦合金（Ti-6：ASTM B348第4級）加工小孔的高速電火花機(jī)床的最佳參數(shù)。研究了截至脈沖、最大電流以及水平電壓對于孔徑精度、材料去除率的影響，并得出最佳的參數(shù)選擇。

1 "實(shí)驗(yàn)方法

采用電火花加工鉆機(jī)進(jìn)行了穿孔鉆孔工藝。采用Mar視覺測量顯微鏡MM320或光學(xué)比較器測量孔的放大尺寸。采用信噪比（S/N）分析和方差分析（anova），得到了材料去除率（MRR）和孔直徑增大的顯著性和貢獻(xiàn)性過程參數(shù)。在信噪比和方差分析之后，得到了預(yù)測最小孔加工的最優(yōu)參數(shù)和更高M(jìn)RR的能力組合。最后，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了最優(yōu)工藝參數(shù)。

2 "實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示的電火花加工鉆機(jī)，對其最大電流和標(biāo)準(zhǔn)電壓水平參數(shù)進(jìn)行了研究。截止脈沖范圍選擇為8～16μs，最大電流和標(biāo)準(zhǔn)電壓電平分別在35～39A和12～16V范圍內(nèi)選擇。上述三個(gè)工藝參數(shù)是基于銅電極直徑2.0mm和鈦合金（Ti-6：ASTM B348第5級）的加工性能范圍。表1顯示了電火花加工鉆機(jī)參數(shù)及其3個(gè)水平組成。

自由度（DOF）是研究過程中許多參數(shù)之間的比較次數(shù)，從而確定更好的水平?？傋杂啥葘⒚枋龊线m的正交（OA）選擇。在本文中，總自由度等于8，因?yàn)槊總€(gè)參數(shù)都有3個(gè)水平，且

正交法的總自由度個(gè)數(shù)應(yīng)小于參數(shù)組合的個(gè)數(shù)。本研究選擇L9正交表對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。一個(gè)L9有3個(gè)列和9個(gè)行，因此8個(gè)自由度是合適的。表2為使用L9正交表的超聲電火花復(fù)合加參數(shù)的實(shí)驗(yàn)安排。

3 "實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 "材料去除率

材料去除率是每分鐘去除材料的體積［9］。任何電極材料的基本要求都是良好的導(dǎo)電性和較低的磨損率。原則上，最適合的材料具有非常高的熔點(diǎn)和低耐電性。MRR的計(jì)算公式如下：

MRR=Wb-Watm，（1）

其中，Wb為加工前工件材料的質(zhì)量（g），Wa為加工后工件材料的質(zhì)量（g），tm為最短加工時(shí)間。所有的MRR值如表3所示。

根據(jù)表3，在實(shí)驗(yàn)3處，最高M(jìn)RR為0.016，加工時(shí)間為6.280min，在實(shí)驗(yàn)7處，最低MRR為0.004，實(shí)驗(yàn)7加工時(shí)間為34.617min。從表3也可知MRR的變化趨勢，即當(dāng)加工時(shí)間增加時(shí)，MRR減小。對于孔放大測量，采用光學(xué)比較器MAHRMM320和QC300測量9個(gè)實(shí)驗(yàn)孔直徑。表4顯示了孔擴(kuò)大的結(jié)果隨因素的順序而不同。擴(kuò)孔的最小直徑為2.117mm，截止脈沖的組合參數(shù)為2μs，最大電流為2A，標(biāo)準(zhǔn)電壓為2V。較大的孔擴(kuò)大直徑為2.223mm，截止脈沖的組合參數(shù)電壓為3V，最大電流為2A，標(biāo)準(zhǔn)電壓為1V。實(shí)驗(yàn)3的最佳加工時(shí)間為6.280min，實(shí)驗(yàn)7的最大加工時(shí)間為34.617min。

3.2 "信噪比

信噪比用于測量所研究的材料質(zhì)量對實(shí)驗(yàn)中不受控制的因素或誤差的敏感性。由于信噪比較弱，因此始終需要較高的信噪比，這將導(dǎo)致圍繞目標(biāo)值的方差較小。正交法使用信噪比分析數(shù)據(jù)，其有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它提供了基于最接近目標(biāo)的平均值周圍變化最小的最優(yōu)水平的指導(dǎo)，還提供了兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)于平均值偏離目標(biāo)［10］的偏差的客觀比較。在MRR分析中，該問題采用的質(zhì)量特性越大越好，對于孔徑精度，使用的質(zhì)量特性越小越好。信噪比分析采用Matlab軟件計(jì)算，公式如下：

S/N=-10lg1n∑ni=11y2i，（2）

式中，n為正交實(shí)驗(yàn)的組數(shù)，yi為樣本均值。

MRR的信噪比結(jié)果見表5以及圖2，孔加工的結(jié)果見表6與圖3。從表5中可以看出，實(shí)驗(yàn)7中，最弱信噪比為-47.303及A3B1C3參數(shù)及其水平的組合。而在實(shí)驗(yàn)3中，MRR的最佳信噪比為-35.702，MRR較高，為0.016。

由表6可知，實(shí)驗(yàn)8組合A3B2C1參數(shù)及其水平的S/N比最低，為-6.939?？讖骄鹊淖罴研旁氡葹?6.514，孔加工后最小直徑為2.117mm。

3.3 "方差分析

方差分析是一種基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表示用于檢測所測試項(xiàng)目組平均性能的任何差異的決策工具。通過比較特定置信水平［11］下的實(shí)驗(yàn)誤差估計(jì)值，方差分析有助于正式檢驗(yàn)所有主要因素及其相互作用的顯著性。為了找出影響MRR和孔加工質(zhì)量特性的顯著參數(shù)（SST），使用以下公式進(jìn)行分析：

SST=∑ni=1y2i-T2n，（3）

其中，n為正交陣列中的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，yi為實(shí)驗(yàn)i的孔擴(kuò)大值，T為孔擴(kuò)大的總和。需要注意的是，每個(gè)試樣測試了3次，n值為27。表7和表8顯示了MRR和孔擴(kuò)大的方差分析結(jié)果。從兩個(gè)來源的平方和偏差（SSD），根據(jù)每個(gè)過程參數(shù)和平方誤差而分解了SST。每個(gè)工藝參數(shù)在SST中的貢獻(xiàn)百分比是由每個(gè)工藝參數(shù)對SST及SSD的比例計(jì)算出來的。利用F測試工具查找對孔徑精度有顯著影響的工藝參數(shù)，由于每個(gè)工藝參數(shù)需要計(jì)算平方偏差均值（MSD）。MSD等于SSD之和除以工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)的DOF數(shù)。每個(gè)工藝參數(shù)的F值僅是MSE與和方差（SSE）的比值。本文中可接受因素P為0.05，即當(dāng)P值大于0.05時(shí)，該因素不是影響結(jié)果的主要因素。

對表7中MRR的方差分析結(jié)果進(jìn)行研究，最大電流為最大特征參數(shù)貢獻(xiàn)，其值為87.58%。其他參數(shù)，即截止脈沖和標(biāo)準(zhǔn)電壓水平貢獻(xiàn)分別為11.04%和1.38%。基于P值，唯一的參數(shù)是P值小于0.05，即最大電流為0.027，另外兩個(gè)參數(shù)的P值大于0.05，脈沖關(guān)閉時(shí)，P值為0.463，標(biāo)準(zhǔn)電壓電平為0.898。從P值和貢獻(xiàn)百分比來看，顯著性影響最大的MRR結(jié)果是最大電流，如圖4所示。因此，對于較高的MRR，參數(shù)及其水平的最佳組合是A1B3C2，即1級為8μs的電流脈沖，3級時(shí)施加的最大電流為39A，標(biāo)準(zhǔn)電壓水平為2級14V。

表8中孔擴(kuò)大的方差分析結(jié)果表明，脈沖的特征參數(shù)貢獻(xiàn)最大，為71.09%。其他參數(shù)的貢獻(xiàn)分別為最大電流的11.20%和標(biāo)準(zhǔn)電壓的17.71%，如圖5所示?；赑值，唯一的參數(shù)是P值小于0.05，截止脈沖為0.043μs，另外兩個(gè)參數(shù)P值大于0.05，其最大電流P值為0.667，標(biāo)準(zhǔn)電壓為0.544V。從P值和貢獻(xiàn)百分比來看，對影響最小孔增大影響最顯著的是截止脈沖。因此，執(zhí)行最小孔放大的參數(shù)及其電壓的最佳組合是A1B1C3，即截止脈沖在1級8μs處關(guān)閉，最大電流在1級35A和標(biāo)準(zhǔn)電壓在3級16V。

4 "結(jié) "論

在本研究中，采用正交法確定了由直徑為2.0mm的銅電極進(jìn)行電火花加工過程中，工藝參數(shù)對孔的精度的影響。選擇電火花加工的工藝參數(shù)，如截止脈沖、最大電流、標(biāo)準(zhǔn)電壓等來對工件加工孔（Ti-6：ASTM B348第5級）進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。通過方差分析與信噪比分析，得到如下結(jié)論。

（1） 最大電流和截止脈沖是確定最佳工藝參數(shù)的關(guān)鍵因素。電火花加工過程中的最大電流和截止脈沖對材料去除率和孔增大有顯著影響。電極產(chǎn)生的電流越高，產(chǎn)生的MRR就越高。截止脈沖顯著影響孔的擴(kuò)大，在較低的截止脈沖下，孔擴(kuò)大的值越小。

（2） 1級的截止脈沖為8μs，3級的最大電流為39A，2級的標(biāo)準(zhǔn)電壓為14V，A1B3C2組合，可獲得最高的材料去除率。

（3） 1級的截止脈沖為8μs，1級的最大電流為35A，3級的標(biāo)準(zhǔn)電壓為16V，A1B1C3組合，可獲得最小的孔擴(kuò)大。

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基金項(xiàng)目：西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年度科研計(jì)劃項(xiàng)目《超聲電火花復(fù)合加工深小孔技術(shù)研究》（編號：20XHZK-01）。

作者簡介：劉晉麗，講師，主要從事深孔加工方面的研究。

（1. 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 "西安 "710089；2. 西安華雷船舶實(shí)業(yè)有限公司，陜西 "西安 "710000）