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往复走丝电火花线切割多次切割工艺试验

2017-2-10 来源：北京科技大学机械工程学院作者：贾志新刘译允高坚强黄磊阳

摘要：对“中走丝”电火花线切割加工机床的多次切割工艺参数进行了研究，围绕脉宽、占空比、峰值电流、走丝速度等因素进行实验。采用综合评分法对实验数据进行处理，使多目标优化变为单目标优化。通过正交试验法优化出第二次切割和第三次切割的工艺参数，并进行验证。实验结果能为“中走丝”电火花线切割加工工艺提供参考。

关键词：中走丝；电火花线切割加工；多次切割；工艺试验

随着模具工业的发展及市场形势的需求，电火花线切割加工不仅要求切割速度快，还要求具有良好的加工表面质量。传统的往复走丝电火花线切割机床之所以没有取得明显的突破，究其原因是运丝系统没有根本性改进，而近年来有所发展的“中走丝”线切割机床由于受到结构的限制，加工精度也未得到明显提高。纵观我国的电火花线切割加工机床，并未按金属加工的一般原则进行加工，即将整个加工过程分为粗、中、细三档，故加工精度很难提高。“中走丝”线切割机床的多次切割工艺优势很明显，因此，本文对其进行试验研究，通过实验量化“中走丝”多次切割所能达到的工艺水平[1]。

1.实验方案

先进行二次切割多因素正交试验，得出二次切割优化结果并进行验证；再进行三次切割多因素正交试验，得出三次切割优化结果并进行验证。电火花线切割工艺的好坏更多地是由设备性能决定的，如果零件的加工需通过多次切割来完成，则必须兼顾切割速度和表面粗糙度这2 项工艺指标，本文就以此来探究“中走丝”多次切割的工艺规律[2-3]。实验采用综合评分法来评估各组合的优劣，从中选出较优的切割参数组合。综合评分法是根据每个实验指标重要程度的不同来分配权重系数，然后对各组实验进行相应的评分，评分公式为：

式中：Wi为各组对应的加权综合评分；Mij为切割速度和表面粗糙度2 个评价指标的各自得分；ωj为各指标权重。这样，多指标问题就转化成为以实验综合得分为指标的单指标问题。

2.二次切割实验

2.1 实验准备

二次切割实验选用厚40 mm 的Cr12 材料，在M332“中走丝”电火花线切割机床上进行，测量设备有表面粗糙度仪、浓度检测仪、数显千分尺等。采用正交试验，因素有4 个，分别为：走丝速度（A）、峰值电流（B）、脉宽（C）及占空比（D）。由于走丝速度的水平数为3 个，其余均为4 个，没有合适的正交试验表可选，故用拟水平法将认为可能较合适的走丝速度2.2 m/s 重复一次，凑成四水平，从而选用较合适的正交表L16（45），第5 列不使用（表1）。

表1 二次切割正交试验因素水平表

在二次切割前，第一刀切割选用单次切割正交优化所得的参数为：脉宽30 μs，占空比1∶4，峰值电流45 A，走丝速度6.6 m/s。第二刀的理论修刀量为45 μm。

2.2 实验数据分析

第二次切割作为第一次切割和第三次切割之间的一次过渡，其主要作用是修正，在提高加工精度的同时，保证较高的表面质量和加工速度。因此，第二次切割的优化工作可采用评分法进行较简单的优选，得出一组加工速度较高、表面粗糙度值较低的参数组合。

二次切割正交试验结果见表2，以最高切割速度481.93 mm2/min 作为切割速度基准1，以最佳表面粗糙度Ra1.791 μm 作为表面粗糙度基准1，Mi1为各实验结果的切割速度与切割速度基准1 的比值，Mi2为各实验结果的表面粗糙度值与表面粗糙度基准1 的比值的相反数。由于越往后的刀次，其表权综合评分记为Wi。因此，二次切割实验各组的加工结果所对应的综合加权计算公式为：

表2 二次切割正交试验结果

由表2 所示的加权综合评分可看出，得分最高的为第11 组，所以第二刀切割应选用该组对应的参数设置，即走丝速度4.4 m/s，峰值电流15 A，脉宽5 μs，占空比1∶5。优化结果见表3。

表3 二次切割优化电参数

对综合评分法得出的优化方案进行3 次样件切割验证实验，测量结果为：二次切割的平均切割速度为318.60 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值为Ra2.000 μm；对该结果进行综合评分为-0.406，高于表2 所示的其余15 组方案，表明该优化参数组合能稳定地实现较优的二次切割工艺。同时，与第一次切割所得的切割速度50.28 mm2/min、表面粗糙度Ra2.79 μm 相比，明显效率更高、表面质量更好。

3.三次切割实验

3.1 实验准备

三次切割实验选用厚20 mm 的Cr12 材料，在M332“中走丝”电火花线切割机床上进行，测量设备有TR210 表面粗糙度仪、浓度检测仪及千分尺。本实验的目的是建立相应的修刀加工工艺数据库，优化出一组或多组能保证较优表面粗糙度的修刀参数。为此设计了正交试验，其因素水平见表4。其中，占空比的水平数为4 个，其余因素的水平数为2 个，故选用正交表L8（4×24）进行正交试验，第5 列不使用。

表4 三次切割正交试验因素水平表

按表3 所示的参数进行第一次、第二次切割。因为第三次切割的主要作用是修光，使工件表面粗糙度值达到尽可能低的水平，同时仅需保证能进行连续稳定的放电加工即可，所以三次切割实验选用较小的理论修刀量（5 μm）和较小的脉冲能量。

3.2 实验数据分析

三次切割正交试验结果见表5，以最高切割速度300 mm2/min 作为切割速度基准1，以最佳表面粗糙度Ra1.24 μm 作为表面粗糙度基准1，Mi1为各实验结果的切割速度与切割速度基准1 的比值，Mi2为各实验结果的表面粗糙度与表面粗糙度基准1的比值的相反数。由于第三次切割主要考虑表面粗糙度，所以切割速度权重系数为30 %，表面粗糙度权重系数为70 %，则所得加权综合评分Wi为：

式中：Wi为第三次切割各组对应的加权综合评分；vwi为第三次切割的切割速度；Ra 为第三次切割的表面粗糙度。对加权得分进行极差分析，结果见表6。可看出，因素A 应取1 水平，因素B 应取1 水平，因素C应取1 水平，因素D 应取2 水平，即最优组合为A1B1C1D2。此时，综合评分最高，切割效果最佳。三次切割的优化结果见表7。对其进行验证发现，第三刀平均切割速度为170.5 mm2/min，加工工件总体平均切割速度（即加工工件的表面积与总时间的比值）为55.08 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值为Ra1.15 μm。该结果的综合得分为-0.479，高于表5 所示的8 组方案，表明该参数组合能稳定地实现较优的三次切割工艺。和之前所做的一次切割与二次切割实验相比，切割总效率有所提高，表面粗糙度Ra1.15 μm 已达到传统机械精加工的精度范畴。

表5 三次切割正交试验结果