電火花線切割Cr12MoV 模具鋼工藝規律的試驗研究

李文明 劉 偉 杜澤磊

（天津理工大學中環信息學院，天津 300380）

用于沖壓模具凸凹模的材料應具有較高的硬度，且沖裁模中的凸凹模一般為貫穿型結構，而電火花線切割加工這類零件時具有獨特的優勢。國內外學者對于電火花線切割類的試驗研究進行了大量工作。例如：郭崇文等在高速走絲電火花線切割機床上，對YG6 硬質合金進行了切割加工實驗，研究了各電參數（脈沖寬度、脈沖間隙、峰值電流以及間隙電壓）對硬質合金切割加工速度和表面粗糙度的影響[1]；殷靜凱等在高速走絲電火花線切割機床上選取脈寬時間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓等電參數，對Cr12MoV 進行了以材料去除率和表面粗糙度為指標的試驗研究[2]；王志勇等在快走絲電火花機床上選取脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流以及進給速度等因素，對HP-Si3N4導電陶瓷進行了試驗研究[3]；Jaafar N A 等在慢走絲電火花線切割機床上選取脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流以及伺服電壓作為參數變量，對2379 鋼進行切割試驗研究[4]。盡管學者對電火花線切割進行了大量研究，但是關于中走絲電火花線切割機床加工Cr12MoV 模具鋼的研究報道較少。

中走絲電火花線切割機床既能夠實現多次切割，又兼具快速切割的能力。本文只對中走絲電火花線切割中的第一次切割進行試驗，選取脈寬時間、脈間時間、加工電流以及運絲速度為加工工藝參數，研究對切割速度和表面粗糙度的影響規律。

1 試驗過程

試驗在AR2300 中走絲電火花線切割機床上進行。實際生產時，中走絲電火花線切割中的第一次切割主要追求較高的切割速度，同時兼顧良好的表面粗糙度和加工精度。試驗用的電極絲為φ0.18mm 鉬絲，切割材料為Cr12MoV，材料厚度為20mm，切割長度為10mm，切割速度為切割面積與每一次單因素試驗下切割時間的比值，表面粗糙度是運用TR210 手持式粗糙度測量儀在每一次單因素試驗下切割表面選取相同的3 個位置所測量的均值。

依據單因素試驗方法進行試驗[5]，即逐一改變每一種參數變量進行13 組單因素試驗。試驗設計及其結果，如表1 所示。表1 中的峰值電流Ip和運絲速度Wr的數值只表示相應的檔位，非參數實際值，且檔位越高，相應參數實際值越大。例如，Wr選取0、1、2 和3 檔分別表示實際運絲轉速為1.3m/s、3m/s、6m/s 和12m/s。可見，選取脈寬時間為20μs、脈間時間為40μs、加工電流為7 檔以及運絲速度為3 檔等工藝參數值，達到了最大切割速度V=99.01mm2/min 和較小的表面粗糙度值Ra=2.904μm。此外，由表1 試驗結果可知，改變脈寬時間（第1 ～4 組試驗）得到的最大表面粗糙度值與最小表面粗糙值相差0.923μm，改變脈間時間（第5、2、6、7 組試驗）得到的最大表面粗糙度值與最小表面粗糙值相差1.04μm，改變加工電流（第8、2、9、10 組試驗）得到的最大表面粗糙度值與最小表面粗糙值相差0.318μm，即得到的表面粗糙度值的波動范圍基本在1μm 左右。

表1 試驗設計及其結果

13 組單因素變量試驗下，電火花線切割Cr12MoV 模具鋼的切割表面形貌如圖1 所示。

圖1 13 組單因素變量試驗下的切割表面形貌

2 試驗結果分析

2.1 工藝參數對切割速度的影響分析

將脈寬時間Ton、脈間時間Toff、加工電流Ip以及運絲速度Wr對切割速度V的影響規律分別作成曲線圖，如圖2 所示。

由圖2（a）可知，隨著脈寬時間的增加，切割速度呈現出先上升后下降的趨勢，且當切割速度達到最大值后，隨著脈寬時間的增加，切割速度下降的趨勢愈加明顯。這是因為在一定范圍內，增大脈寬時間可以增大放電能量，從而提高切割速度，但前提是電火花線切割正常工作且穩定放電。當脈寬時間大于20μs 后，由于脈寬時間設定太大，電火花線切割已不能正常進行穩定放電切割（機床自有的一種保護功能，當脈寬時間和加工電流過大時，為了保護電極絲不斷絲，抑制了放電程度），導致切割速度較低。此外，脈寬時間越大，電火花線切割越不能進行正常放電，而切割速度下降就越明顯。

圖2 各工藝參數對切割速度的影響

由圖2（b）可知，隨著脈間時間的增加，切割速度也呈現出先上升后下降的趨勢，且上升時的趨勢大于下降時的趨勢。當脈間時間從30μs 增加到40μs 時，電火花線切割產生的電蝕物有較充足的時間排出，加工區域的環境變好，使切割速度快速增加。脈間時間從40μs 增加到60μs時，單位時間內放電時間減少，放電能量降低，從而使切割速度逐漸降低。

由圖2（c）可知，在一定范圍內，切割速度隨著加工電流的逐漸增加而快速增加，但當超過一定值后，切割速度隨著加工電流的增加而降低。這是因為在電火花線切割能夠正常穩定加工時，提高加工電流可增大放電能量，從而增強電火花線切割的蝕除能力，增大切割速度。但是，繼續提高加工電流會影響電火花線切割加工的穩定性，從而抑制了加工速度。

由圖2（d）可知，隨著運絲速度的增加，切割速度得到了明顯提升。運絲速度的增加，有利于脈沖結束時放電通道迅速處于消電離狀態。高速運轉的電極絲可以帶出電蝕產物，也能夠把工作液帶入電火花線切割加工區域，維持電火花線切割加工的穩定性。因此，在試驗選定的運絲速度范圍內，切割速度隨著運絲速度的增加而增大。但是，切割速度并不是一直隨著運絲速度的增加而增大，這是因為中走絲電火花線切割的電極絲是往復運轉進行切割，每次換向都需要一定的停止時間，影響切割速度。

綜上可知：由圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）的試驗結果可知，脈寬時間20μs、脈間時間40μs 以及加工電流7 檔時，曲線分別對應最高點，即分別達到最大的切割速度：通過對比圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）和圖2（d）的試驗結果可知，圖2（d）對應的最高點與最低點相差值最大，說明運絲速度的取值對切割速度的影響最大，且運絲速度3檔（12m/s）時，曲線對應最高點，達到了最大的切割速度。

2.2 工藝參數對切割表面粗糙度的影響分析

將脈寬時間Ton、脈間時間Toff、加工電流Ip以及運絲速度Wr對表面粗糙度Ra的影響規律分別作成曲線圖，如圖3 所示。

圖3 各工藝參數對表面粗糙度的影響

由圖3（a）可知，隨著脈寬時間的增加，切割表面粗糙度值逐漸變小，但每個階段變小的原因不一樣。當脈寬時間從15μs 增加到20μs 時，雖然放電能量增加，但是切割速度也隨之增大，導致切割表面單位面積內分配的放電能量減少，放電蝕除的凹坑變小，引起表面粗糙度值逐漸變小。當脈寬時間從20μs 增加到30μs 時，過大的脈寬時間導致電火花線切割不能進行正常狀態的放電加工。從試驗現場可以看到，這一參數范圍內切割時火花很小，因此這一階段的表面粗糙度值和切割速度都減小。

由圖3（b）可知，當脈間時間從30μs 增加到40μs 時，尤其是脈間時間取30μs 時，由于脈間時間過小，導致電火花線切割不能進行正常狀態的放電加工，且從試驗現場同樣可以看到，這一參數切割時火花很小，因此得到的切割表面粗糙度最小。當脈間時間從40μs 增加到60μs 時，電火花線切割基本能夠進行正常狀態的放電加工，粗糙度值波動不大，尤其是脈間時間取50μs 后，粗糙度值基本趨于穩定。

由圖3（c）可知，隨著加工電流的增大，切割表面粗糙度值變化不大。當加工電流從5 檔增加到7 檔時，放電能量增大，但切割速度也隨之增大，切割表面單位面積內分配的放電能量基本不變，放電蝕除的凹坑大小不變，因此表面粗糙度值變化不大。當加工電流從7 檔增加到8 檔時，過大的加工電流導致電火花線切割不能進行正常狀態的放電加工，只是維持線切割的一種加工狀態，因此表面粗糙度值變化很小。

由圖3（d）可知，運絲速度的變化對電火花線切割放電能量的大小基本無影響，但對維持放電狀態的穩定和電蝕產物的排出具有重要影響。隨著運絲速度的增加，電火花線切割加工時的放電狀態愈發穩定，電蝕產物容易排出，使表面粗糙度值逐漸變小。

3 結論

本文運用單因素試驗方法探究了脈寬時間、脈間時間、加工電流以及運絲速度等工藝參數，對中走絲電火花線切割Cr12MoV 模具鋼的切割速度和表面粗糙度的工藝規律，得出以下結論。

（1）脈寬時間、脈間時間以及加工電流可直接決定放電能量大小。但是，隨著脈寬時間和加工電流的增加以及脈間時間的減小，加工時的切割速度并不是越來越大。當脈寬時間為20μs、脈間時間為40μs 以及加工電流為7 檔時，可以分別達到最大的切割速度。運絲速度的取值對切割速度的影響最大，當運絲速度為3 檔（12m/s）時，切割速度達到最大值。

（2）脈寬時間、脈間時間以及加工電流的取值范圍內，各自得到的表面粗糙度值的波動范圍基本在1μm 左右，差別不大，且得到的最小表面粗糙度值和最大切割速度時所取的參數值都不一樣。這種情況下，以實現最大切割速度為原則選取電參數。此外，運絲速度為3 檔（12m/s）時，表面粗糙度值最小且切割速度最大。

（3）中走絲電火花線切割中，第一次切割Cr12MoV模具鋼主要以較高的切割速度為目標，兼顧得到較小的表面粗糙度值。因此，通過試驗可知，選取脈寬時間為20μs、脈間時間為40μs、加工電流為7 檔以及運絲速度為3 檔等工藝參數值，達到了最大切割速度V=99.01mm2/min和較小的表面粗糙度值Ra=2.904μm。