Cr12Mo V 的電火花線切割加工（gōng）工藝參（cān）數研究（jiū）
2016-9-5 來源： 太 原 理 工 作者： 啟靜凱 李 文 斌
摘要:隨著人們對工業產（chǎn）品的精度、質量要求越來越高，相關模具的製（zhì）造精度、表麵質量以及模具材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到（dào）不斷提高。Cr12Mo V 滿足了模（mó）具材料（liào）在硬度（dù）、耐磨性、耐腐（fǔ）蝕性方麵的要求，作為一（yī）種廣泛使用的冷作模具鋼，應用於生產截麵麵（miàn）積大、外形（xíng）複（fù）雜的各種冷衝模具（jù）。
Cr12Mo V 鋼具有高硬度性能，尤其（qí）為提高模具成型精度，經熱處理（lǐ）後的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統切削方式（shì）很難加工（gōng）。基於此，利用電火花線切割加（jiā）工 Cr12Mo V 成為最佳選擇。電火花線切割加工是利用脈衝火花放電蝕除材料，並通過數控係統對工件切（qiē）割成形，可解決這種（zhǒng）模具材料（liào）的難加工問題，並能滿（mǎn）足製造精度（dù）要求。因此，研究 Cr12Mo V 的（de）電火花線切割加工工藝參數（本文主要以電（diàn）參數為（wéi）主，包括脈寬時間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓（yā））對材料去（qù）除率和表麵粗糙度的影響，以達到對（duì）電參（cān）數（shù）優化選取的目的，從而提高電火（huǒ）花線（xiàn）切割加（jiā）工 Cr12Mo V 的加工效率和表麵質量（liàng）。
利用單因素試驗法，通過改變電火花線切割機床的電參數，得出各（gè）個電參數對電火（huǒ）花線切割（gē）加工Cr12Mo V的材料去除率與表麵粗糙度的影響規律。在此基礎上，利用（yòng）有（yǒu）限元分析軟件 ANSYS，依據電火花線（xiàn）切割加（jiā）工的（de）微觀機理，建立合理（lǐ）的物理（lǐ）模型和數學模型，劃分網格，確定能量在放電通道內分布的形式，施（shī）加荷載（zǎi）並求解，得到電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼 的溫度場分布，來（lái）預測峰值電流的改變對表麵粗糙度的影響（xiǎng）。將白層厚度考慮在內並且修正（zhèng）仿真凹坑深度值後，與實際加工的結果進行對比驗（yàn）證，得出了更為吻合的修正凹坑深度（dù）曲線與表麵粗糙度曲線，表明可通過ANSYS 仿真電火花加（jiā）工溫度場進行電參數（shù）的（de）合理選擇。
應用正交實驗法，通過合理設置考察因素水平，設計（jì）表頭，確定以 L16(45)正交表進行正交試驗，得到試驗結（jié）果。對試驗結果分別進行極差分析和方差分析（xī），探索電火花線切割的脈寬時間、脈間時間、峰值電（diàn）流和（hé）間隙電（diàn）壓對材料去除率和表麵粗糙度影響的主次順序和顯著性。以正交試驗結（jié）果（guǒ）為基礎應（yīng）用灰關聯分析法，將材料去除（chú）率和表麵粗糙（cāo）度量綱歸一化後（hòu）進行關（guān）聯分析，計算關聯度值，選取關聯值最大的一組電參數為最優參數組合，即：脈（mò）寬時間為 10 μs，脈間時間為 20 μs，峰值電流（liú）為 2 A，間隙電壓為 3 V，並進行試驗驗證。結果表明，利用經優（yōu）化後的參（cān）數組合（hé）切割加工試件，達到了預期的加工效果，解決了（le）參數組合的優化問題。
總之，本（běn）文通過一係列（liè）試驗和分析方法（fǎ），研究了電火（huǒ）花線切割（gē）加工Cr12Mo V 的電參數的選取和（hé）優化問題，為實際生產提供理論指導。
關鍵（jiàn）詞：電火（huǒ）花線切割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率，表麵粗糙度，有限元分析
2、電火花線切割加工Cr12Mo V 試（shì）驗方案（àn）確定（dìng）
2.1 電火花線切割加工Cr12Mo V 的試驗設備和試驗材料的選取（qǔ）
2.1.1 電火花（huā）線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的（de）試驗設備
北京阿奇夏米爾有限公司（sī）是一家合資的高新技術企業，是國內（nèi）電加工機床的（de）領導者，其生產（chǎn）的機床種類齊全，性能優異。本課題研究以該公司生產的 FW-1 型高速走絲電（diàn）火花線切割機床為試驗平台，如（rú）圖 2-1 所示為該型號機（jī）床的外觀（guān）及主要部件。
圖 2-1 FW-1 型高速走絲電火花線（xiàn）切割機（jī）床
硬件方麵，FW-1 型電（diàn）火花線切割機床采用大截麵式（shì）立柱結構、鑄鐵床身，結構緊湊，整機剛性（xìng）好，且擁有精密級直線滾動導軌和滾珠絲杠副，運動精度高。為提高線切割工作液的使用（yòng）周期，改（gǎi）善加工質量，減少環（huán）境汙染，該電火花（huā）線切割機床獨特設計了帶有（yǒu）濾芯的過濾（lǜ）係統。具有恒張力控（kòng）製的走絲機（jī）構（gòu），確保高的加工精度，而且設有如圖2-2 所示功能強大的人機交互界（jiè）麵（miàn）。
圖（tú） 2-2 FW-1 的人機（jī）交互界麵
在軟件方（fāng）麵，FW-1 型電火花線切割機床具備自動半（bàn）徑補償功能，以提高零件（jiàn）加工精度。通過數控係統實現 X、Y、U、V 四軸（zhóu）聯動，進行錐度加工。還可以采用手動編程和全中（zhōng）文的 CAD/CAM 自動編程，編程代碼既可（kě）用 ISO 代（dài）碼編程，亦可使（shǐ）用 3B/4B格式編程。
FW-1 型（xíng）高速走絲電火花線切割機床在硬件（jiàn）和軟件方麵都有其優（yōu）越的（de）性能，市場占有率高，表 2-1 列出了該機床的主（zhǔ）要規格及參數。
表 2-1 FW-1 型高速走絲電火花線切割機床主要（yào）參數
2.1.2 電火花（huā）線（xiàn）切割加（jiā）工 Cr12Mo V 的試驗材料的選取
Cr12Mo V 鋼中的 C 和 Cr 元素含量較高，是萊氏體鋼。其在淬火後耐磨性較高，表麵能形成致密氧化膜（mó），提高抗腐蝕能力和降低摩擦係數[12]。因此 Cr12Mo V 鋼被廣（guǎng）泛應用（yòng）於製（zhì）造冷作模具，同時為了提高模具成型精度，防止熱加工對零件的影響，一般是熱處理完成後再利用線切割加工[13]。Cr12Mo V 經（jīng）過熱（rè）處理後硬度（dù）≥60HRC，利用傳統（tǒng）加工方式很難進行，且對刀具損害較大（dà），故利用電火花線切割適（shì）合加工（gōng）難加工材料的優勢，選（xuǎn）擇利（lì）用其加工 Cr12Mo V 鋼。
綜（zōng）上所（suǒ）述，本研究采用的試驗材料為高溫淬火後的 Cr12Mo V 鋼。試驗材料的尺寸大小為 120mm×20mm×10mm，如（rú）圖 2-3 所示。為提高此材料的利用率，切割的試件為1mm×20mm×10mm，其外形尺寸如圖 2-4 所示。
圖 2-3 試驗工件毛坯外形尺寸
圖 2-4 試件尺寸
2.2 電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 的工藝指標及其（qí）影響因素
2.2.1 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的工藝指標
工藝指標是指一種加工（gōng）方式加工完成後所滿足工藝要求的指（zhǐ）標。材料去除率、電極絲（sī）的損耗量、表麵粗糙度和（hé）尺寸精（jīng）度是電火花線切割加工的四個工（gōng）藝指標。其中材料去除率和表麵粗糙度是電火花線切割加工 Cr12Mo V 的兩（liǎng）項重要（yào）的工藝指標[14]。本課題主要是以（yǐ）這兩項指標為研究對象。
材料（liào）去除率即加工速度，是單位時間內的切割麵積（jī），單位為 mm2/min。材料去除（chú）率數值可以通過機（jī）床係統記錄的加工時間與加工表麵積比值計算。
表麵粗糙度是對加工質量的度（dù）量，采用輪廓算術平（píng）均偏差（chà） Ra（μm）來表示。Ra 值可通過 TR200 粗糙度（dù）測量（liàng）儀測定。如圖 2-5 所示為 TR200 粗糙度測（cè）量儀。
圖2-5 TR200手持式表麵粗糙度測量（liàng）儀
2.2.2 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的（de）影（yǐng）響因素
1）被加（jiā）工材料的熱力學屬性對加工（gōng）的影響
高溫熔（róng）化、氣化工件材料是電火花線（xiàn）切割加工蝕除材料（liào），達到工件成形目的（de）的方式，熱現象是整個加工過程的最主要（yào）物（wù）理現象，因此（cǐ）被加工材料自身的熱力學屬性對加工速度和表（biǎo）麵（miàn）質量影（yǐng）響很大。這些熱力學屬性包括熔點、比熱容和熱導率等。
在一定熱（rè）能作用下，熔點和比熱容越低的材料就越容易加工，反之則越難加工。對於熱導率，它的數值越高（gāo）則導熱性（xìng）越好。在相同的熱能作用下，導熱率（lǜ）越強，能量（liàng）擴散越快，使（shǐ）得熱（rè）能不（bú）能集中到（dào）一塊迅速達到材（cái）料熔點、沸點，加工效率下降。
2）非電參數對（duì）加工的影響
電火花線（xiàn）切割加工過程中（zhōng）除（chú）了受被加（jiā）工材料本（běn）身的屬性的影響，機床本身的參數（shù）對加工的作用是相當大的，包括電參（cān）數（shù）和非（fēi）電參數。而工作（zuò）液性質（zhì）及噴液的壓（yā）力、工件厚度和電極絲（sī）的張力都屬於對加工有影響的非電參數。
其中工作液的作用在加（jiā）工過程中非（fēi）常（cháng）重要。它在脈衝放電下形成放電（diàn）通道，並在（zài）單次脈衝後使（shǐ）放電間隙（xì）恢複絕緣狀態，幫助（zhù）蝕除物排出，還能（néng）對工件和電極絲產生冷卻作用（yòng）。壓縮放電通（tōng）道可以提高通道的能量密（mì）度，單（dān）位（wèi）能量密度的（de）增加有利於提高加工效（xiào）率，采用介電性能（néng）好、密（mì）度和粘度（dù）大（dà）的工作液能幫助達到這一目的。但粘度過高使（shǐ）蝕除物的（de）排出困難，這時可以選擇通（tōng）過調節噴（pēn）液的壓力來（lái）提高排出速度。工件的厚度（dù）也會影響加工，加工（gōng）較厚（hòu）的工件，同樣（yàng）噴液壓力情況下，相比於薄工（gōng）件其加工（gōng）過程排屑困難，使得加工過程出現不（bú）穩定[15]。電極絲張（zhāng）力的（de）大小對表麵粗糙度的影響較大，增加張力可以減小表麵粗（cū）糙度值[16]。這是由於增大張力可以減小工作液壓力和放電爆炸造成的電極絲振動。
3）電（diàn）參數對加工的影響
電火花線切割在加（jiā）工過程中，對（duì）表麵粗糙度和材料去除率產生影（yǐng）響的主要電參數包括脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV[17]。
本研究的所使用的電火（huǒ）花（huā）線切割機床對上述（shù）四個參數的大小有相應的規定：
ON：設定脈寬時間。值為（ON+1）μs，且（qiě） ? 32μs； OFF：設定（dìng）脈間時間（jiān）。值為（OFF+1）×5μs，且（qiě） ? 160μs； IP：設定峰值電（diàn）流，範圍為 0.5~9.5，小數點（diǎn）後的值在 0~4 之間認為是 0，在 5~9 之間則（zé）認為是 5。接觸感知（zhī）時（shí） IP 為 0.5。
SV：設定間隙電（diàn）壓，其值 7V。
依據 FW-1 型電火花線切割機床對脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間（jiān）隙電壓 SV 設置的規定（dìng）來選擇單因素試驗和正交試驗中電參數數值尤為重要。
脈寬時間和峰值電流是（shì）影響脈衝能量的重要參數[18]。增大脈寬（kuān）時（shí）間和峰值電流能夠提高單個脈衝的能量，但是提高能（néng）量加快切割速度的同時，電蝕坑變大，這樣加工的表麵質量就會下（xià）降。脈間時間為相鄰電壓脈衝之間的間隔，脈間時間減小則平均（jun1）電流就會增大，這樣（yàng）有利於提高加（jiā）工速度，但是過小的（de）脈間時（shí）間也會造成來不及消電離而斷絲。間隙電壓是電極絲與工件之間（jiān）的加工（gōng）電壓，它的改變直接影響加工間隙的大小，從而（ér）改變排（pái）屑的順（shùn）暢程度。
2.3 電火花線切割加工 Cr12Mo V 的試驗方法
研究電火花線切割（gē）加工 Cr12Mo V 的加工工藝參數的影響，首先要確定的是這種材料的加工工藝參數即電火（huǒ）花（huā）線切割的電參數，包括脈寬時間 ON、脈間時間 OFF、峰值電流 IP 和間隙電壓 SV。通過研究各電參數對材料去除率和表（biǎo）麵粗糙度的影響，從（cóng）而優化一（yī）組電參數（shù）組合，達到材料去除率和表麵粗糙度最優的目的。因此本課題（tí）選用了單因素試（shì）驗法（fǎ）、ANSYS 仿真分析、正交試（shì）驗法及灰（huī）關聯分析法進行探討。
2.3.1 單因素試驗法
控製其（qí）餘因素不變，隻變單個因素的試驗叫做單因素試驗（yàn）。單因素試驗（yàn）可以通過等分法、黃金分割法和分數法等來進行因素的取值和範（fàn）圍的確定。
其中等分法適用於考察因素已經清楚，需通過試驗來明確其對結果的影響；黃金分割法需要了解先（xiān）驗信（xìn）息，來確定試驗範圍[a，b]；分數法不僅要清楚先（xiān）驗信息，而且需提前了解試驗的總次（cì）數。實際情（qíng）況是，我們對電火花線切割加工 Cr12Mo V 過程中脈寬時間、脈間時間、峰值電流、間隙電壓對加工速度（dù）以及（jí）表麵質（zhì）量的（de）影（yǐng）響規律並不了解，也沒有先驗信息來確定試驗（yàn）的範圍和試驗的總次數。
因（yīn）此，本（běn）研究選用等分法。在做（zuò）試驗之前我們通過已有的加工經驗以及廠商提供的工藝參數表確定脈衝寬度、脈衝間隙、峰值電流、間隙電壓的範圍（wéi），利用均分法把這些參數的數值放在等分點上，這樣試驗簡單，靈活（huó）性強。
2.3.2 ANSYS 仿真分析
ANSYS 作為廣泛使用的有限元分析軟件，由於其卓越的仿真功能，且操作簡單方便（biàn），成世界上使用範圍最廣的 CAE 軟件。它在各個學科都有廣泛應用，例如結構、熱、聲、流體以及電磁（cí）場等學（xué）科。因此，使（shǐ）其涉及眾多領域，例如：核能、鐵路、航天、機械製造、礦（kuàng）產、水利、國防軍工、土木建築、造船等。
一個完整的 ANSYS 分析大致包含 3 個環節：創建模型、加載求解、得出結果。其中定義單（dān）元屬性，創建實體模型，劃分網格是第一步創建模型的主（zhǔ）要內（nèi）容也是影（yǐng）響後麵求解與分析結果好壞的重要步驟。加載可以根據分析的形式選（xuǎn）擇載荷的類型。利用軟件強大的後處理功能求（qiú）解，根據需要提取分析結果。
ANSYS 的熱分析是以熱平衡方程為基礎，通過計算各節（jiē）點的溫度，由此得出實體（tǐ）的溫度場分布。其中穩態傳熱、瞬態傳熱（rè）、熱（rè）耦合分析（xī）是熱分析主要的三（sān）種形（xíng）式（shì）。
電火花線（xiàn）切割加工過（guò）程中，高溫使得材料熔化，熔化材料在各（gè）種作用力下從表麵被拋出，形成電蝕坑，材料被蝕除（chú），工件加工成形[19]，電火花（huā）線（xiàn）切割加工的過程就是一個熱作用的過程。因此，本次課題利用 ANSYS 仿真模擬（nǐ）放（fàng）電加工 Cr12Mo V，其極間的（de）溫度隨時（shí）間而改變，屬於熱分析的瞬態傳熱過程。
2.3.3 正交（jiāo）試驗法與灰關聯分析法
1）正交試驗法
正交試驗法是根據考察因素與試驗目的使用正（zhèng）交表設計試驗的方（fāng）法[20]。在實（shí）際生產與科研過程中，需要考慮的因素一般多（duō）於兩個，如果對於每個因素（sù）都（dōu）組合進行試驗，那樣所（suǒ）需的人力、物力都是驚人的（de），采用正交試驗可以很好地解決這個問題。同時相對於單因素試驗法，正交試驗法還可以利（lì）用（yòng）所（suǒ）得的數據進行極差分析與方差分析，可以直觀（guān）的了解各個因素影響的主次順序（xù）和顯著性。
2）灰關聯分（fèn）析法
灰（huī）色關聯分析主要目的是明（míng）確各指標之間的關聯（lián）程度，進（jìn）而確（què）定指標之間內在關係（xì）。
數理統計中用來進（jìn）行係統特征（zhēng）分析的方法（fǎ）包括回（huí）歸分析、方差分析等。但回歸分析、方差分析（xī）等方法通常要求（qiú）大批的數據，且數（shù）據需要滿足一定的規律。灰關聯分析法彌補了上（shàng）述方法在分析（xī）過程出現的缺陷。它不需要大量的樣（yàng）本數據且樣本不需要服從一定的
規律。采用灰關（guān）聯分析法能夠減小計算量，且量（liàng）化分析與定性分析不矛盾。
2.4 本章小結
本章介紹了研究電火花線切割加工 Cr12Mo V 的工藝參數的試驗方案，包括試驗（yàn）設備和試驗（yàn）材料的選取，工藝指標、影（yǐng）響（xiǎng）因素以及研究所采用的試驗方法的確（què）定。具體有一下內容：
1）選擇 FW-1 型電火花線切割機床（chuáng）為本（běn）課題研究的試驗平台，試驗材料為經過熱處理的 Cr12Mo V 鋼，其毛坯外形尺寸為 120mm×20mm×10mm。加工所（suǒ）得（dé）的試件尺寸為1mm×20mm×10mm。
2）確定本課題研究的工藝指標（biāo）為材料去除率和表麵粗糙（cāo）度（dù），而影響因素為線切割機床（chuáng）的電參數，包括脈寬時間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓。
3）確定（dìng）采用單因（yīn）素試（shì）驗法、ANSYS 仿真分析、正交試驗法（fǎ）以及灰關聯分析（xī）法這一係列試驗方法作為本課題研究電參數對工藝指標的影響，並優化一組電參（cān）數組合，使得材料去除率和表麵粗糙度達到預期加工目（mù）的。
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