Cr12Mo V 的电火花线切割加工工艺参数研究
2016-9-5 来源： 太 原 理 工 作者： 啟静凯 李 文 斌
摘要:随着人们对工业产品的精度、质量要求越来越高，相关模具的制造精度、表面质量以及模具材料的硬度、耐腐蚀性和耐磨性等也得到不断提高。Cr12Mo V 满足了模具材料在硬度、耐磨性、耐腐蚀性方面的要求，作为一种广泛使用的冷作模具钢，应用于生产截面面积大、外形复杂的各种冷冲模具。
Cr12Mo V 钢具有高硬度性能，尤其为提高模具成型精度，经热处理后的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用传统切削方式很难加工。基于此，利用电火花线切割加工 Cr12Mo V 成为最佳选择。电火花线切割加工是利用脉冲火花放电蚀除材料，并通过数控系统对工件切割成形，可解决这种模具材料的难加工问题，并能满足制造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的电火花线切割加工工艺参数（本文主要以电参数为主，包括脉宽时间、脉间时间、峰值电流以及间隙电压）对材料去除率和表面粗糙度的影响，以达到对电参数优化选取的目的，从而提高电火花线切割加工 Cr12Mo V 的加工效率和表面质量。
利用单因素试验法，通过改变电火花线切割机床的电参数，得出各个电参数对电火花线切割加工Cr12Mo V的材料去除率与表面粗糙度的影响规律。在此基础上，利用有限元分析软件 ANSYS，依据电火花线切割加工的微观机理，建立合理的物理模型和数学模型，划分网格，确定能量在放电通道内分布的形式，施加荷载并求解，得到电火花线切割加工 Cr12Mo V 钢 的温度场分布，来预测峰值电流的改变对表面粗糙度的影响。将白层厚度考虑在内并且修正仿真凹坑深度值后，与实际加工的结果进行对比验证，得出了更为吻合的修正凹坑深度曲线与表面粗糙度曲线，表明可通过ANSYS 仿真电火花加工温度场进行电参数的合理选择。
应用正交实验法，通过合理设置考察因素水平，设计表头，确定以 L16(45)正交表进行正交试验，得到试验结果。对试验结果分别进行极差分析和方差分析，探索电火花线切割的脉宽时间、脉间时间、峰值电流和间隙电压对材料去除率和表面粗糙度影响的主次顺序和显著性。以正交试验结果为基础应用灰关联分析法，将材料去除率和表面粗糙度量纲归一化后进行关联分析，计算关联度值，选取关联值最大的一组电参数为最优参数组合，即：脉宽时间为 10 μs，脉间时间为 20 μs，峰值电流为 2 A，间隙电压为 3 V，并进行试验验证。结果表明，利用经优化后的参数组合切割加工试件，达到了预期的加工效果，解决了参数组合的优化问题。
总之，本文通过一系列试验和分析方法，研究了电火花线切割加工Cr12Mo V 的电参数的选取和优化问题，为实际生产提供理论指导。
关键词：电火花线切割加工，Cr12Mo V，电参数，材料去除率，表面粗糙度，有限元分析
2、电火花线切割加工Cr12Mo V 试验方案确定
2.1 电火花线切割加工Cr12Mo V 的试验设备和试验材料的选取
2.1.1 电火花线切割加工 Cr12Mo V 的试验设备
北京阿奇夏米尔有限公司是一家合资的高新技术企业，是国内电加工机床的领导者，其生产的机床种类齐全，性能优异。本课题研究以该公司生产的 FW-1 型高速走丝电火花线切割机床为试验平台，如图 2-1 所示为该型号机床的外观及主要部件。
图 2-1 FW-1 型高速走丝电火花线切割机床
硬件方面，FW-1 型电火花线切割机床采用大截面式立柱结构、铸铁床身，结构紧凑，整机刚性好，且拥有精密级直线滚动导轨和滚珠丝杠副，运动精度高。为提高线切割工作液的使用周期，改善加工质量，减少环境污染，该电火花线切割机床独特设计了带有滤芯的过滤系统。具有恒张力控制的走丝机构，确保高的加工精度，而且设有如图2-2 所示功能强大的人机交互界面。
图 2-2 FW-1 的人机交互界面
在软件方面，FW-1 型电火花线切割机床具备自动半径补偿功能，以提高零件加工精度。通过数控系统实现 X、Y、U、V 四轴联动，进行锥度加工。还可以采用手动编程和全中文的 CAD/CAM 自动编程，编程代码既可用 ISO 代码编程，亦可使用 3B/4B格式编程。
FW-1 型高速走丝电火花线切割机床在硬件和软件方面都有其优越的性能，市场占有率高，表 2-1 列出了该机床的主要规格及参数。
表 2-1 FW-1 型高速走丝电火花线切割机床主要参数
2.1.2 电火花线切割加工 Cr12Mo V 的试验材料的选取
Cr12Mo V 钢中的 C 和 Cr 元素含量较高，是莱氏体钢。其在淬火后耐磨性较高，表面能形成致密氧化膜，提高抗腐蚀能力和降低摩擦系数[12]。因此 Cr12Mo V 钢被广泛应用于制造冷作模具，同时为了提高模具成型精度，防止热加工对零件的影响，一般是热处理完成后再利用线切割加工[13]。Cr12Mo V 经过热处理后硬度≥60HRC，利用传统加工方式很难进行，且对刀具损害较大，故利用电火花线切割适合加工难加工材料的优势，选择利用其加工 Cr12Mo V 钢。
综上所述，本研究采用的试验材料为高温淬火后的 Cr12Mo V 钢。试验材料的尺寸大小为 120mm×20mm×10mm，如图 2-3 所示。为提高此材料的利用率，切割的试件为1mm×20mm×10mm，其外形尺寸如图 2-4 所示。
图 2-3 试验工件毛坯外形尺寸
图 2-4 试件尺寸
2.2 电火花线切割加工 Cr12Mo V 的工艺指标及其影响因素
2.2.1 电火花线切割加工 Cr12Mo V 的工艺指标
工艺指标是指一种加工方式加工完成后所满足工艺要求的指标。材料去除率、电极丝的损耗量、表面粗糙度和尺寸精度是电火花线切割加工的四个工艺指标。其中材料去除率和表面粗糙度是电火花线切割加工 Cr12Mo V 的两项重要的工艺指标[14]。本课题主要是以这两项指标为研究对象。
材料去除率即加工速度，是单位时间内的切割面积，单位为 mm2/min。材料去除率数值可以通过机床系统记录的加工时间与加工表面积比值计算。
表面粗糙度是对加工质量的度量，采用轮廓算术平均偏差 Ra（μm）来表示。Ra 值可通过 TR200 粗糙度测量仪测定。如图 2-5 所示为 TR200 粗糙度测量仪。
图2-5 TR200手持式表面粗糙度测量仪
2.2.2 电火花线切割加工 Cr12Mo V 的影响因素
1）被加工材料的热力学属性对加工的影响
高温熔化、气化工件材料是电火花线切割加工蚀除材料，达到工件成形目的的方式，热现象是整个加工过程的最主要物理现象，因此被加工材料自身的热力学属性对加工速度和表面质量影响很大。这些热力学属性包括熔点、比热容和热导率等。
在一定热能作用下，熔点和比热容越低的材料就越容易加工，反之则越难加工。对于热导率，它的数值越高则导热性越好。在相同的热能作用下，导热率越强，能量扩散越快，使得热能不能集中到一块迅速达到材料熔点、沸点，加工效率下降。
2）非电参数对加工的影响
电火花线切割加工过程中除了受被加工材料本身的属性的影响，机床本身的参数对加工的作用是相当大的，包括电参数和非电参数。而工作液性质及喷液的压力、工件厚度和电极丝的张力都属于对加工有影响的非电参数。
其中工作液的作用在加工过程中非常重要。它在脉冲放电下形成放电通道，并在单次脉冲后使放电间隙恢复绝缘状态，帮助蚀除物排出，还能对工件和电极丝产生冷却作用。压缩放电通道可以提高通道的能量密度，单位能量密度的增加有利于提高加工效率，采用介电性能好、密度和粘度大的工作液能帮助达到这一目的。但粘度过高使蚀除物的排出困难，这时可以选择通过调节喷液的压力来提高排出速度。工件的厚度也会影响加工，加工较厚的工件，同样喷液压力情况下，相比于薄工件其加工过程排屑困难，使得加工过程出现不稳定[15]。电极丝张力的大小对表面粗糙度的影响较大，增加张力可以减小表面粗糙度值[16]。这是由于增大张力可以减小工作液压力和放电爆炸造成的电极丝振动。
3）电参数对加工的影响
电火花线切割在加工过程中，对表面粗糙度和材料去除率产生影响的主要电参数包括脉宽时间 ON、脉间时间 OFF、峰值电流 IP 和间隙电压 SV[17]。
本研究的所使用的电火花线切割机床对上述四个参数的大小有相应的规定：
ON：设定脉宽时间。值为（ON+1）μs，且 ? 32μs； OFF：设定脉间时间。值为（OFF+1）×5μs，且 ? 160μs； IP：设定峰值电流，范围为 0.5~9.5，小数点后的值在 0~4 之间认为是 0，在 5~9 之间则认为是 5。接触感知时 IP 为 0.5。
SV：设定间隙电压，其值 7V。
依据 FW-1 型电火花线切割机床对脉宽时间 ON、脉间时间 OFF、峰值电流 IP 和间隙电压 SV 设置的规定来选择单因素试验和正交试验中电参数数值尤为重要。
脉宽时间和峰值电流是影响脉冲能量的重要参数[18]。增大脉宽时间和峰值电流能够提高单个脉冲的能量，但是提高能量加快切割速度的同时，电蚀坑变大，这样加工的表面质量就会下降。脉间时间为相邻电压脉冲之间的间隔，脉间时间减小则平均电流就会增大，这样有利于提高加工速度，但是过小的脉间时间也会造成来不及消电离而断丝。间隙电压是电极丝与工件之间的加工电压，它的改变直接影响加工间隙的大小，从而改变排屑的顺畅程度。
2.3 电火花线切割加工 Cr12Mo V 的试验方法
研究电火花线切割加工 Cr12Mo V 的加工工艺参数的影响，首先要确定的是这种材料的加工工艺参数即电火花线切割的电参数，包括脉宽时间 ON、脉间时间 OFF、峰值电流 IP 和间隙电压 SV。通过研究各电参数对材料去除率和表面粗糙度的影响，从而优化一组电参数组合，达到材料去除率和表面粗糙度最优的目的。因此本课题选用了单因素试验法、ANSYS 仿真分析、正交试验法及灰关联分析法进行探讨。
2.3.1 单因素试验法
控制其余因素不变，只变单个因素的试验叫做单因素试验。单因素试验可以通过等分法、黄金分割法和分数法等来进行因素的取值和范围的确定。
其中等分法适用于考察因素已经清楚，需通过试验来明确其对结果的影响；黄金分割法需要了解先验信息，来确定试验范围[a，b]；分数法不仅要清楚先验信息，而且需提前了解试验的总次数。实际情况是，我们对电火花线切割加工 Cr12Mo V 过程中脉宽时间、脉间时间、峰值电流、间隙电压对加工速度以及表面质量的影响规律并不了解，也没有先验信息来确定试验的范围和试验的总次数。
因此，本研究选用等分法。在做试验之前我们通过已有的加工经验以及厂商提供的工艺参数表确定脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流、间隙电压的范围，利用均分法把这些参数的数值放在等分点上，这样试验简单，灵活性强。
2.3.2 ANSYS 仿真分析
ANSYS 作为广泛使用的有限元分析软件，由于其卓越的仿真功能，且操作简单方便，成世界上使用范围最广的 CAE 软件。它在各个学科都有广泛应用，例如结构、热、声、流体以及电磁场等学科。因此，使其涉及众多领域，例如：核能、铁路、航天、机械制造、矿产、水利、国防军工、土木建筑、造船等。
一个完整的 ANSYS 分析大致包含 3 个环节：创建模型、加载求解、得出结果。其中定义单元属性，创建实体模型，划分网格是第一步创建模型的主要内容也是影响后面求解与分析结果好坏的重要步骤。加载可以根据分析的形式选择载荷的类型。利用软件强大的后处理功能求解，根据需要提取分析结果。
ANSYS 的热分析是以热平衡方程为基础，通过计算各节点的温度，由此得出实体的温度场分布。其中稳态传热、瞬态传热、热耦合分析是热分析主要的三种形式。
电火花线切割加工过程中，高温使得材料熔化，熔化材料在各种作用力下从表面被抛出，形成电蚀坑，材料被蚀除，工件加工成形[19]，电火花线切割加工的过程就是一个热作用的过程。因此，本次课题利用 ANSYS 仿真模拟放电加工 Cr12Mo V，其极间的温度随时间而改变，属于热分析的瞬态传热过程。
2.3.3 正交试验法与灰关联分析法
1）正交试验法
正交试验法是根据考察因素与试验目的使用正交表设计试验的方法[20]。在实际生产与科研过程中，需要考虑的因素一般多于两个，如果对于每个因素都组合进行试验，那样所需的人力、物力都是惊人的，采用正交试验可以很好地解决这个问题。同时相对于单因素试验法，正交试验法还可以利用所得的数据进行极差分析与方差分析，可以直观的了解各个因素影响的主次顺序和显著性。
2）灰关联分析法
灰色关联分析主要目的是明确各指标之间的关联程度，进而确定指标之间内在关系。
数理统计中用来进行系统特征分析的方法包括回归分析、方差分析等。但回归分析、方差分析等方法通常要求大批的数据，且数据需要满足一定的规律。灰关联分析法弥补了上述方法在分析过程出现的缺陷。它不需要大量的样本数据且样本不需要服从一定的
规律。采用灰关联分析法能够减小计算量，且量化分析与定性分析不矛盾。
2.4 本章小结
本章介绍了研究电火花线切割加工 Cr12Mo V 的工艺参数的试验方案，包括试验设备和试验材料的选取，工艺指标、影响因素以及研究所采用的试验方法的确定。具体有一下内容：
1）选择 FW-1 型电火花线切割机床为本课题研究的试验平台，试验材料为经过热处理的 Cr12Mo V 钢，其毛坯外形尺寸为 120mm×20mm×10mm。加工所得的试件尺寸为1mm×20mm×10mm。
2）确定本课题研究的工艺指标为材料去除率和表面粗糙度，而影响因素为线切割机床的电参数，包括脉宽时间、脉间时间、峰值电流以及间隙电压。
3）确定采用单因素试验法、ANSYS 仿真分析、正交试验法以及灰关联分析法这一系列试验方法作为本课题研究电参数对工艺指标的影响，并优化一组电参数组合，使得材料去除率和表面粗糙度达到预期加工目的。
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