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Cr12Mo V 的电火花线切割加工工艺参数研究

2016-9-6 来源：太原理工大作者：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

3、电火花线切割加工参数研究及分析

3.1 引言

在电火花线切割加工Cr12Mo V的过程中，影响其表面粗糙度和材料去除率的因包括非电参数和电参数。而非电参数的影响相对于电参数的影响很小，因此探究电参数的影响规律很重要。在每个厂商的加工工艺参数表中都有针对某一材料，某一加工厚度，某一加工精度制定的参数组合，但是在实际加工过程中，这些参考并没有达到我们预期的效果。对于某种材料，能得到一组材料去除率和表面粗糙度兼顾的最优参数组合，大量的实践是必须的，除此之外利用单因素试验掌握电参数对二者的影响规律是得到最优数组合的基础。

本章通过单因素试验探究脉宽时间、脉间时间、峰值电流和间隙电压对电火花线切割加工 Cr12Mo V 的材料去除率和表面粗糙度的影响，为正交试验与灰关联分析做基础，得到一组最优加工工艺参数组合。本次单因素试验的平台是 FW-1 型电火花线切割机床，电极丝采用 Φ0.18 mm 的钼丝，试验材料为经过热处理的 Cr12Mo V 钢，厚度为 20 mm。

3.2 脉宽时间对加工 Cr12Mo V 的影响

试验中要研究脉宽时间对电火花线切割加工 Cr12Mo V 的影响，采用的方法是单因素试验法，也就是将脉宽时间作为单一变量，其他因素保持不变进行试验。衡量影响的性能指标为材料去除率和表面粗糙度值。具体的试验操作是改变脉宽时间的机床加工参数值分别为 7μs、8μs、9μs、10 μs 来切割，并测量加工得到的试验试件的表面粗糙度值和计算其材料去除率。表3-1 所示为不同脉宽时间下试验结果。

为便于分析，将试验结果绘制成图 3-1。观察图可得出，随脉宽时间的增大，材料去除率加快。电火花线切割加工是使用金属丝做电极，通过脉冲电源对工件进行脉冲放电来蚀除金属，在数控系统的帮助下切割成形的。脉宽时间是决定脉冲能量大小的重要因素之一，脉宽时间增大则放电能量增强，提高了加工速度。但脉冲能量增大会导致电蚀坑变大，表面质量下降。加工时，需保证表面质量的同时增大脉宽时间来提高加工速度，因为过大的脉宽时间会使电蚀产物排出不畅，最终不仅不能提高加工速度，甚至会造成断丝。

表3-1 脉宽时间变化的影响

图 3-1 脉宽时间对表面粗糙度-材料去除率的影响

3.3 脉间时间对加工 Cr12Mo V 的影响

研究脉间时间对电火花线切割加工 Cr12Mo V 的影响，试验中将脉间时间作为单一变量，改变其机床加工参数值分别为 20μs、25μs、30μs、35 μs，并保持其他因素不变。材料去除率和表面粗糙度为衡量脉间时间对加工影响的性能指标，将加工得到的试验试件测量并计算其加工速度。表 3-2 所示为记录的试验结果。

脉间时间是相邻脉冲的间隙时间，它的大小影响电极丝与工件间的消电离。随着脉间时间的增大，平均电流减小则加工速度减小。但是为了提高加工效率不能盲目减小脉间时间，这样会引起电弧和断丝[21]。观察图3-2得出，表面粗糙度值的大小随脉间时间的改变出现先降后升的现象，并且在25 μs时其达到最小。这是因为作为影响放电加工的重要参数，脉间时间过大会造成频繁短路，导致表面粗糙度变差，相反过小会造成间隙不完全消电离和蚀除物来不及排出，致使拉弧烧伤。

表3-2脉间时间变化的影响

图3-2 脉间时间对表面粗糙度-材料去除率的影响

3.4 峰值电流对加工 Cr12Mo V 的影响

峰值电流是影响电火花线切割加工 Cr12Mo V 的重要因素。本研究将峰值电流作为单一变量，其他因素保持不变，他们的取值范围如表 3-3 所示。以材料去除率和表面粗糙度为性能指标，将试验结果也记录于表 3-3。

表 3-3峰值电流变化的影响

峰值电流的改变，对加工速度和表面质量的影响尤为重要。从图3-3可得出，随着峰值电流增大，表面质量变差，而材料去除率呈现加快的趋势。同脉宽时间相同，峰值电流决定脉冲能量的大小。提高峰值电流使得加工速度变快而表面质量下降。单方面通过提高峰值电流来加快加工速度会造成电蚀产物的颗粒大，表面质量急剧下降，严重情况会造成断丝。

图3-3 峰值电流对表面粗糙度-材料去除率的影响

3.5 间隙电压对加工 Cr12Mo V 的影响

研究间隙电压对电火花线切割加工Cr12Mo V的影响，将其他因素保持不变，改变间隙电压的机床加工参数值分别为2 V、3 V、4 V、5 V。表3-4所示为记录的材料去除率和表面粗糙度的试验结果。

表3-4 间隙电压变化的影响

将得到的试验结果绘制成图3-4，可见，随着间隙电压的改变，其对材料去除率和表面粗糙度的影响有限。当间隙电压为3V时，加工效率最大，而表面粗糙度随着它的增大而不断减小。这是因为间隙电压是两极间的加工电压，随着间隙电压增大，改善排屑条件，使加工趋于稳定。但是过大的间隙电压会使空载脉冲增多，影响加工速度。