電火花成型加工中田口算法的應用與實驗研究

常星星 馮孟亮 姜 峰 于家祥 李紅進

(安徽天航機電有限公司，安徽 蕪湖 241000)

在現代的生活、生產中，高強度，高硬度的材料的使用越來越普遍，這些高強高硬材料在普通加工機床上難以進行有效地加工，為了滿足人類生產的需求，電火花成型加工便應運而生，并得到廣泛應用。同時對工件的表面質量和加工效率的要求越來越高，而對于電火花成型加工工件的表面粗糙度和加工時間的影響因素有許多，如工件特性(材料、形狀、物理性能等)、工具特性(材料、形狀、導電性、物理性能等)、放電參數(電壓、電流、脈沖寬度、頻率)等[1-2]。本文針對電火花成型加工方案，設計正交試驗，研究了放電幅、休止幅和低壓電流3種因素對表面質量的影響程度。應用田口法和方差分析法分別對正交試驗結果進行了分析。得出了電參數對加工時間與工件表面粗糙度的影響規律，并且得到最優的切削參數組合，進一步提高電火花成型加工工件的表面質量和加工效率。

1 實驗設計及分析

1.1 實驗材料

實驗材料選擇1Cr11Ni2W2MoV，具有良好的力學性能，普遍運用于航空航天零部件[3]，其化學成分如表1所示。

1.2 實驗的設備

實驗中采用的電火花成型機床為臺灣的CHERM EDM，其機器型號為CM A53C，在實驗過程中選擇高壓電流1.6 A，間隙為9，伺服為65%，實驗現場如圖1與圖2所示。

表1 1Cr11Ni2W2MoV 化學成分 (%)

1.3 田口法

田口算法在分析中規定事件分為3種情況：望小特性及望目特性、望大特性[4]，接著是衡量目標中的影響因素對結果所造成的優先級，通過對正交試驗結果的分析找出優化目標的最佳參數組合，從而來提高所需要的優化值[5]。同時在運算的過程中對損失量與偏離的目標值進行偏差分析，將損失函數轉換成信噪比S/N。很顯然短電弧加工的表面粗糙度和電極相對損耗應采用望小特性。

其信噪比計算公式為[6-7]：

(1)

式中：n為總的測量次數，yi為第i次測得的表面粗糙度值。

1.4 實驗參數

電火花成型加工正交實驗過程中考慮的因素有放電幅(μs)、休止幅(μs)、低壓電流(A)，試驗考慮的優化指標有加工工件的表面粗糙度Ra與加工時間。針對紫銅電極加工1Cr11Ni2W2MoV工件設計三因素三水平的正交試驗，以A代表放電幅(μs)、B代表休止幅(μs)、C代表低壓電流(A)，各切削參數結合平時的經驗和實際的情況選取三個水平，其正交試驗的參數如表2所示。

表2 因素水平配置表

此次試驗是三因素三水平是試驗，采用L9(33)正交表，開展電火花成型試驗，成型試驗結束后觀測機床顯示屏顯示工件加工完后時間，同時采用MarSurf SD 26 粗糙度儀測量工件表面粗糙度Ra值，如圖3所示，其讀取數值的顯示界面如圖4所示，測量精度可以達到0.01 μm，通過探頭移動工件的表面然后在電腦顯示屏進行讀取測量數值如圖所示，普遍運用于高精度零部件的測量。

在實驗中設計紫銅直徑為3 mm，加工深度為0.5 mm，通過對如上圖5成型加工后的零件進行表面粗糙度的測量和加工時間的統計而繪制表3正交實驗表，依照上面信噪比公式，將實驗的數據進行田口算法的分析計算。

表3 正交試驗表

表4 加工時間平均信噪比分析表

通過對表3正交實驗表進行分析,發現平均信噪比分析表如表4～5所示。通過表4可知放電幅、休止幅、低壓電流所對應的加工時間平均信噪比的最大值分別為水平1、水平2、水平2，其對應的數值為放電幅18 μs、休止幅12 μs、低壓電流2 A，同時由表5可知放電幅、休止幅、低壓電流所對應的表面粗糙度平均信噪比的最大值分別為水平2、水平1、水平0，即所對應的數值分別為放電幅25 μs，休止幅9 μs、低壓電流1 A。

表5 表面粗糙度平均信噪比分析表

1.5 方差分析

為進一步分析放電幅、休止幅、低壓電流對各因素的影響程度，借助方差進行分析。方差分析先對目標中的每一個因素進行統計，將總的變化分為試驗值與誤差值，并且構造統計量F，結果給出精確的數字進行比較，得出每個試驗因素影響因子的顯著程度，其方差計算公式如下[8-9]：

(1)

(2)

式中：SST為樣本總偏差；SSj為因素偏差和；m為單因素實驗數；n為實驗的總數據。

平均偏差平方和與統計量F的計算公式如下所示[10-11]：

(3)

(4)

其中：dfj為樣本的自由度，通過上面的公式對正交試驗表中的數據進行計算與分析，其結果如表6～7所示。

表6 加工時間的方差分析

表7 表面粗糙度的方差分析

從表6顯著性的數據可以得出：對加工時間的影響程度中A>B>C，即放電幅>休止幅>低壓電流；同時通過表7可以發現：對粗糙度的影響程度中A>B>C，即放電幅>休止幅>低壓電流。因此在電火花成型加工過程中，對于放電幅與休止幅大小的選取至關重要。

2 實驗驗證

分別對上面田口算法優化后的兩組參數進行實驗驗證，當采用第一組A1B2C2時，即放電幅18 μs、休止幅12 μs、低壓電流2 A，此時加工時間為28.13 min,同時加工出來的工件表面粗糙度Ra值為1.41 μm；當采用第二組A2B1C0時，即放電幅25 μs，休止幅9 μs、低壓電流1 A，此時加工時間為33.54 min，工件表面粗糙度Ra值為1.08 μm。因此，在電火花成型加工中采用田口算法優化后的參數組合是可行并且合理的，得到加工時間與表面粗糙度值較為理想。

3 結語

(1)通過田口算法的研究對電火花成型加工中多輸入與多目標問題達到優化的作用。

(2)在電火花成型加工中對工件表面質量與加工時間的影響程度先后順序為：放電幅>休止幅>低壓電流。

(3)研究優化后的電參數以放電幅18 μs、休止幅12 μs、低壓電流2 A進行電火花成型加工，加工穩定且加工時間最小為28.13 min；當以放電幅25 μs，休止幅9 μs、低壓電流1 A的優化參數進行加工時，工件表面粗糙度Ra值為1.08 μm，從而目標達到優化，可以滿足企業生產需求。