電火花線切割加工工藝參數對工藝指標影響的研究

張 帥 ,呂汝金 ,劉建偉, ,林家湘 ,田豐碩

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院,廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學 機電綜合工程訓練國家級實驗教學示范中心,廣西 桂林 541004)

電火花線切割加工(wire-cut electrical discharge machining,簡稱WEDM)屬于現代特種加工的一種,是用連續移動的電極絲作電極,對工件進行脈沖火花放電除蝕。其具有以下特點:加工中無明顯機械切削力,可切割任意剛度和硬度的金屬及半導體材料;易于實現自動加工;可加工復雜形狀零件;金屬蝕除量少,有利于材料的再利用;加工精度較其他加工方式更高等。WEDM 在民用和國防軍事領域發揮了越來越重要的作用,現已發展成為銑削加工過程中重要的補充[1-2]。運用新技術、新工藝促進電火花線切割技術的高速發展是未來切削加工最重要的發展方向之一[3-4]。

針對近年來國內外學者關于線切割中加工參數對加工指標影響的研究進展進行全面闡述,以期能為國內線切割的研究與發展提供有益參考。

1 電參數對工藝指標影響

1.1 脈沖寬度

脈沖寬度是指在加工工件與電極絲之間施加電壓的時間。王磐等[5]通過對高速鋼的線切割單因素實驗分析發現,在其他加工工藝參數恒定的條件下,隨著脈沖寬度的增大,切割速度隨之加快,且表面質量隨之降低。宗曉明等[6]通過GCr15軸承鋼的電火花線切割實驗發現,隨著脈沖寬度的增加,切割速度與表面粗糙度均隨之逐漸增大。白鶴等[7]通過切割鎳基高溫合金IN718的切割實驗發現,隨著脈沖寬度的增加,切割速度整體呈現上升趨勢,但表面質量不斷降低,如圖1所示。

圖1 脈沖寬度對切割速度與表面粗糙度的影響

在脈沖放電過程中,單個脈沖所釋放的能量隨脈沖寬度的增加而加大,切割速度隨之加快;加工所產生的凹坑變大,表面粗糙度隨之增大。因此,可根據實際加工的需求,通過適當加大脈沖寬度來提高切割速度,以提高生產效率,但超過限定的脈沖寬度對電蝕產物的排出有極其惡劣的影響,嚴重時甚至會出現斷絲現象,進而影響切割速度和表面質量。

1.2 放電間隙

放電間隙是指電極絲與加工工件之間的放電距離。孫倫業等[8]通過TC4鈦合金的線切割實驗發現,隨著放電間隙不斷增大,切割速度小幅降低,表面粗糙度值隨之增大,表面質量降低。王磊等[9]通過A8工具鋼的線切割實驗發現,切割速度受放電間隙的變化的影響不明顯,但表面粗糙度受放電間隙變化的影響較明顯,表面粗糙度隨放電間隙的增加而逐步增大。楊彥平等[10]通過高鈮鈦鋁合金的切割實驗發現,在其他加工參數恒定的條件下,切割速度隨放電間隙的增加而小幅降低,表面粗糙度隨放電間隙的增加而逐步增大,如圖2所示。

圖2 放電間隙對加工速度與表面粗糙度的影響

當放電間隙在一定范圍內,切割速度整體呈現下降趨勢,但下降幅度較小,表面粗糙度逐漸上升。放電間隙過小,易出現斷絲現象,且不利于電蝕物的排除;當放電間隙逐步增大,不利于放電通道的形成,從而造成切割速度的小幅降低,過大的放電間隙會造成加工過程的不穩定,從而影響切割速度和表面質量。

1.3 加工電流

加工電流是影響材料加工表面性能的重要因素。王文昭等[11]通過線切割實驗發現,切割速度隨著加工電流的增大而增大,且在大脈沖寬度、小峰值電流條件下效率最高;表面粗糙度隨著加工電流的增大而增大,且在小脈沖寬度、大峰值電流的條件下表面質量最好。鄧鵬等[12]通過鈦合金Ti-6Al-4V 的電火花線切割試驗發現,切割速度與表面粗糙度都會隨著加工電流的增大而增大。李文平[13]通過Cr12MoV 合金的電火花線切割實驗發現,在加工過程中,隨著加工電流的增大,切割速度隨之提高,表面質量隨之降低,如圖3所示。

圖3 加工電流對加工速度的影響

加工電流增大,脈沖放電時單個脈沖能量隨之增大,電腐蝕加工材料的能力增大,切割速度加快。同時,隨著加工電流的增大,工件表面電蝕現象明顯,形成的電腐蝕產物體積變大,對排屑造成一定影響,導致部分電腐蝕產物熔覆在工件加工表面上形成重鑄層;加工電流越大,表面熔覆物越多,重鑄層厚度越大,表面產生的凸起和凹陷越多,表面粗糙度越差。

1.4 加工電壓

加工電壓也是影響材料加工表面性能的重要因素。喻杰等[14]通過電火花線切割加工7CrSiMn Mo V模具鋼實驗發現,加工電壓對工藝指標的影響較為顯著,且切割速度與表面粗糙度都隨著加工電壓的增大而增大。郭崇文等[15]通過YG6硬質合金電火花線切割實驗發現,切割速度隨加工電壓的增加而加快,表面粗糙度隨加工電壓增大而變大。王斌等[16]通過線切割碳素工具鋼T10發現,隨著電壓的增大,切割速度逐漸增大,表面質量越來越差,如圖4所示。

圖4 加工電壓對加工速度的影響

加工電壓在加工過程中通過影響放電間隙和峰值電流的大小來影響切割速度及表面質量。當加工電壓增大,加工電流隨之增大,從而導致切割速度提高;同時,加工電壓的增大使放電間隙隨之增大,從而影響放電通道的形成,使電極絲振動加劇,造成表面粗糙度的不斷增大。

2 非電參數對工藝指標的影響

2.1 運絲速度

運絲速度是指運絲電機運送電極絲的速度。郭翠霞等[17]通過對304不銹鋼的線切割實驗發現,運絲速越快,切割速度越快。馬秀麗等[18]通過電火花線切割Ti-6Al-4V材料的實驗中發現,運絲速度對材料表面粗糙度的影響較小,且降低運絲速度可提升表面質量。騰凱[19]通過對鈦鋁合金線切割的實驗發現,隨著運絲速度的不斷增加,切割速度隨之提高,表面質量隨之變差,如圖5所示。

圖5 運絲速度對加工速度與表面粗糙度的影響

運絲速度對切割速度影響的主要原因是,運絲速度的提高有利于排屑和火花通道的消電離,因此在一定范圍內運絲速度越快,切割速度越高,但運絲速度過高也易造成斷絲。運絲速度對表面粗糙度的影響是由于運絲速度的高低直接決定排屑效率的高低,從而影響表面質量,同時隨著運絲速度的提高,電極絲的振幅加大和頻率的往復運動也將導致表面粗糙度增大。

2.2 功率放大管

沈鈺等[20]通過高速鋼的線切割實驗發現,功放管的數量在加工過程中直接影響加工的穩定性和工件的表面質量,隨著功放管數的增加,切割速度隨之增大,但表面粗糙度卻呈現出先增大后減小再逐漸增大的現象。胡思遠[21]通過單因素實驗設計研究發現,隨著功放管數量的增加,峰值電流會隨之增大,進而提高了切割速度和降低了表面質量。都金光等[22]通過GH4169合金的線切割實驗發現,功率放大管數量越多,切割速度越快,表面粗糙度值越大,表面質量越差,且功率放大管數量相對其他加工參數來說只具有較低的顯著性,如圖6所示。

圖6 功率放大管數對加工速度以及表面粗糙度的影響

從圖6可看出,隨著功放管數的增加,切割速度逐漸增大,表面粗糙度值逐漸增大。這是由于功率放大管數增加使單個的脈沖能量增大,使電腐蝕材料的速度加快,從而提高了加工速度。而表面粗糙度值的增大,是由于單個脈沖能量增大使放電時形成的凹坑變大,導致表面質量變差。

2.3 變頻值

變頻值即線切割變頻跟蹤速度(進給速率),其作用是保證加工的穩定性。高建等[23]通過ZK10UF-1硬質合金的切割實驗發現,切割速度隨變頻值的增大而逐步加快,但表面粗糙度卻持續減小。徐中等[24]通過電火花線切割SKD11模具鋼實驗發現,變頻值對工藝參數有著極其重要的影響,與切割速度成正比,與表面粗糙度成反比。陳志等[25]通過SKD11模具鋼線切割的實驗發現,隨著變頻值的增加,切割速度越來越快,表面粗糙度值越來越小,即表面質量越來越好,如圖7所示。

從圖7可看出,隨著變頻值的增加,切割速度不斷增加,變頻值在15～30 Hz增幅較大,在30～50 Hz增幅較小,同時表面粗糙度值隨著變頻值的增加而逐漸減小。這是由于變頻值的增加導致了運絲速度的提高,進而提高切屑液進入加工腐蝕區的速度,加快電蝕產物的排出,這有助于切割速度的提高。

圖7 變頻值對加工速度與表面粗糙度的影響

2.4 電極絲

鍍鋅電極絲較其他電極絲具有加工工件工件表面質量好,切割速度高,且不易斷絲等優點,在實際加工中應用最為廣泛。

Galindo-Fernandez等[26]通過實驗得出,電極絲材料及其表面光滑度是影響切割速度的重要因素。鋅和富鋅黃銅雙層等涂層材料是最優電極絲材料。王偉等[27]通過CR12線切割實驗發現,不同的電極絲材料對應的切割速度及表面粗糙度有較大差別,加工過程中選擇合適的材料能獲得較快的切割速度及良好的加工性能。袁根華[28]通過線切割實驗發現,電極絲的張力對加工質量有一定影響。當張力過小時,電極絲振動頻率會加大,導致加工不穩定,從而影響工件的加工精度。當張力逐漸增大,電極絲的振幅隨之減小,切割速度隨之提高,但張力過大,又極易出現斷絲現象。范圣耀等[29]認為,影響線切割工藝參數的因素最終都是以電極絲的動態形式表現出來,并通過電極絲振動模型、熱模型及穩態控制分析,指明了未來電極絲發展的研究趨勢,包括在電極絲上各種力的機理研究、熱-機械振動耦合研究、電極絲橫向與縱向振動耦合研究、電極絲穩態控制技術研究及走絲系統的基礎激勵研究。

3 工藝參數優化方法

線切割加工工藝參數決定了加工工件質量的好壞,在線切割技術發展的進程中,其加工工藝參數一直在不斷優化。工藝參數優化方法主要包括人工神經網絡法、灰色關聯分析法及田口法等。通過這些工藝參數優化方法可建立加工工藝參數與工藝指標之間的關系,發現影響工藝指標的加工工藝參數,進而確定加工工藝參數的優化組合,預測基于優化加工工藝參數的工藝指標[30]。

通過正交試驗法的極差分析[31]和方差分析法[32]可得出在合金電火花線切割加工中脈沖寬度、脈沖間隔、運絲速度和功率放大管數等加工工藝參數對切割速度和表面粗糙度影響的主次順序和顯著性。脈沖寬度和加工電流對工藝指標的影響最為顯著,放電間隙對工藝指標的影響最小,如圖8所示。Azam M[33]等通過線切割高強度低合金鋼實驗發現,脈沖寬度和放電間隙是影響切割速度的主要參數。Rakhshanda[34]等通過碳化鎢線切割實驗發現,鍍鋅銅線做電極絲具有更高的切割速度,且脈沖寬度和放電間隙是影響切削速度的最重要因素。

圖8 加工參數對工藝指標主效應圖

在電火花線切割實驗研究中,在正交試驗的基礎上得到數據,采用灰色關聯分析法可將多個目標參數轉化為單一目標灰關聯度的優化[35-37]。將加工電流、電壓、脈沖寬度、運絲速度、絲張緊力、放電間隙、功放管數等加工工藝參數進行優化,在各項目標工藝指標的要求下可得出最優參數組合。先通過正交實驗得出加工工藝參數對工藝指標影響的主次順序,再通過得出的數據采用田口法獲取各個加工工藝參數對加工指標的顯著性[38-39]。采用加權平均法對實驗數據進行處理,再將處理后的數據轉化為單目標進行計算與分析,最后得出關于各加工工藝參數的最優參數組合。Nain等[40]通過一種利用歸一化多核和徑向基流核的支持向量機算法對電火花線切割加工過程建模,利用灰色關系分析法同時獲得加工工藝參數的最佳組合,為切割速度、表面粗糙度提供理想的結果。

4 結束語

結合近年來國內外學者在加工工藝參數方面的研究進展,全面分析與總結了影響線切割加工工藝指標的規律及工藝參數的優化方法。在下一步研究中,將結合不同加工工藝、不同加工材質等因素,不斷優化加工方法,提高工藝參數準確性和可靠性,逐步建立和完善加工參數數據庫,為電火花線切割智能制造提供有益探索。