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Cr12Mo V 的電火花線切（qiē）割加工工藝參數研究

2016-9-6 來（lái）源：太（tài）原理工大作者：啟靜凱李文斌

摘要:隨著人們對工業產品的精度、質量要求越來越高，相（xiàng）關模具的製造精度、表麵質量以及模（mó）具材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到不斷（duàn）提高。Cr12Mo V 滿足了模具（jù）材料在硬度、耐磨性、耐腐蝕性方麵的要求，作為一種廣泛使用的冷作（zuò）模具鋼，應用於生產截麵麵（miàn）積（jī）大、外形複雜的各種冷衝模具。

Cr12Mo V 鋼（gāng）具有高硬度性能，尤其為提高模具成型精（jīng）度，經熱處理後的 Cr12Mo V 硬（yìng）度（dù）≥60HRC，利用傳統切削方式很難加工。基於此，利用電火花線（xiàn）切割加工 Cr12Mo V 成為最佳選擇。電火花線（xiàn）切割加工是利用脈（mò）衝火花放電（diàn）蝕除材料，並通過數控係統對工件切割成形，可解決這種模具材料的難加工問題，並能滿足製造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火花線切割加工（gōng）工藝參數（本文主要以電參數為主，包括（kuò）脈寬時間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓）對材料去除率（lǜ）和表麵粗糙度的影響，以達到對（duì）電參數優化選（xuǎn）取的目的，從而提高電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工效率和（hé）表麵質量。

利用單因素試驗法，通過改變電火花線切割機床的電參（cān）數，得出各（gè）個電參數對電火花線切割加工Cr12Mo V的（de）材料去（qù）除率與表麵粗糙度（dù）的影響規律（lǜ）。在（zài）此基礎（chǔ）上，利用有限（xiàn）元分析軟件 ANSYS，依據電火（huǒ）花（huā）線（xiàn）切割加工的微觀機理，建（jiàn）立合理的物理模（mó）型和數學模型，劃分網格，確定能量在放電通（tōng）道內分布的形式，施加荷（hé）載並求解，得到電火花線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 鋼的溫（wēn）度場分布，來預（yù）測峰值電流的改變對表麵粗糙（cāo）度的影響。將白層厚度考慮在內並且修正仿真凹坑深度（dù）值後，與實際加工的結果進行對比驗證，得出了（le）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（zhēn）電火花加工（gōng）溫度場（chǎng）進行電參數的合理選擇。

應用正（zhèng）交（jiāo）實驗法，通過合理設置考察因素水平，設計表頭，確定以 L16(45)正交表進（jìn）行正交試驗，得到試驗結果。對試驗結果分別進行極差分析和方差分（fèn）析（xī），探索電火花線切割的脈寬時間、脈間（jiān）時間、峰值電流和（hé）間隙電壓對（duì）材料去除率和（hé）表麵粗糙度（dù）影響的主次順序和顯（xiǎn）著性。以正交試驗結果為基（jī）礎應用灰關聯分析法，將材料去除率（lǜ）和表麵粗（cū）糙度量綱歸一化後進行關聯分析（xī），計算關聯度值，選取關聯（lián）值最大（dà）的一組電參數為最優參數組合，即：脈寬時間為（wéi） 10 μs，脈間時間為 20 μs，峰值電流為 2 A，間隙電壓為 3 V，並進行試（shì）驗驗證。結果表明，利用經優化後的參數組合切（qiē）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，本文通過一係（xì）列試驗和分析方法，研究了電火花（huā）線切割加工Cr12Mo V 的電參數的選取和優化問題（tí），為實際生產提供理論指導。

關鍵詞：電火花線切割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率，表麵粗糙度（dù），有限元分析

3、電火花線切割加工參數研究（jiū）及分析

3.1 引（yǐn）言

在電火花線切割（gē）加工Cr12Mo V的過程中，影響其表麵（miàn）粗（cū）糙度和材料（liào）去除率的因包括非電（diàn）參數和電參數。而非電（diàn）參數的影響相對（duì）於（yú）電參數的影響很小，因此探究電參數的（de）影響規律很重要。在每個廠商（shāng）的加工工（gōng）藝參數表中都有針對某一材料（liào），某（mǒu）一加工厚度，某一（yī）加工精度製定的參數（shù）組合，但是在實際加工過程中，這些參考並（bìng）沒有達到我們預期的效果。對於某種材料，能得到（dào）一組材料去除率和表麵粗糙度兼顧的最優參數（shù）組合，大量的實踐是必須的，除此之外利用單因素試驗掌握電參數對二（èr）者的影響規律是得到最優數組合的基礎。

本章（zhāng）通過單因素試驗（yàn）探究脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對電火花線（xiàn）切（qiē）割加工 Cr12Mo V 的（de）材料去除率（lǜ）和表麵粗糙度的影響，為正交（jiāo）試驗與灰關聯分析做基礎，得到一組（zǔ）最優加工工藝參數組合。本次單因素試驗的平台是 FW-1 型電火花線切割（gē）機床，電極絲采用 Φ0.18 mm 的鉬絲，試驗材料為經過熱處理的（de） Cr12Mo V 鋼，厚度為 20 mm。

3.2 脈寬時間對加工 Cr12Mo V 的影響

試驗中要研究（jiū）脈寬時間對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響，采用的方法是單因素試驗法，也就是將脈寬時間作為單一變量，其（qí）他因素保持不（bú）變進行（háng）試驗（yàn）。衡量影響的性（xìng）能指標為材料去（qù）除率和表麵粗糙度值。具體的試驗操（cāo）作是改變脈寬時間的（de）機床加工參數值分別為 7μs、8μs、9μs、10 μs 來切割，並測量加工得到的試驗試（shì）件的表麵粗糙度值和計算其材料去除率。表3-1 所示為（wéi）不同脈寬時間下試驗結果。

為便於分析，將試（shì）驗結果繪製成圖 3-1。觀察（chá）圖可（kě）得出，隨脈寬（kuān）時間的增大，材料去除率加快。電火花線切割加工是使用金屬絲做電極，通過脈衝電源對工件（jiàn）進行脈衝放電來蝕除（chú）金屬，在數控（kòng）係統的幫助下切割成形（xíng）的。脈寬時間是決定脈衝能量大小的重要因素之一，脈寬（kuān）時間增大（dà）則放（fàng）電能量增強，提高了加工速度。但脈衝能量增大會導致電蝕（shí）坑變大，表麵質量下降（jiàng）。加工時，需保證表麵質（zhì）量（liàng）的同時增大脈寬時間來提高加（jiā）工速度，因為過（guò）大的（de）脈寬時間會使電蝕產物排出不暢，最終不僅不能提高（gāo）加工速度，甚至會造成斷絲（sī）。

表3-1 脈寬時間變化的影響（xiǎng）

圖 3-1 脈寬時間對表麵（miàn）粗糙度-材料去除（chú）率（lǜ）的影響

3.3 脈間時間對（duì）加工 Cr12Mo V 的影響

研究脈間時（shí）間對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響，試驗中將脈（mò）間時間作為單一變量，改變其機床加工參數值分別為 20μs、25μs、30μs、35 μs，並保（bǎo）持其他因（yīn）素（sù）不變。材料去除率和表麵粗糙度為衡（héng）量脈間時間（jiān）對加（jiā）工影（yǐng）響的性能指標，將加工得到的試驗試件測（cè）量並計算其加工速度。表 3-2 所示（shì）為記錄的試（shì）驗結果。

脈間時間是相鄰脈衝的間隙時（shí）間（jiān），它的大小影響（xiǎng）電極絲與工件間的消電離。隨著脈間（jiān）時間的增大，平均電流減小則加工（gōng）速度（dù）減小。但是為了提高加工效率不能盲目減小脈間時間，這樣會引起電弧和斷絲[21]。觀察圖3-2得出，表麵粗糙度值的大小隨脈間（jiān）時間的改變出現先降後升的現象，並且在25 μs時其達到最小。這是因為作為影（yǐng）響放電加工的重要參數，脈間時間過大（dà）會造成頻繁短路，導致（zhì）表麵粗糙度變差，相反過小會造成間隙不完全消（xiāo）電離（lí）和蝕除物來不及排出，致使拉弧燒傷。

表3-2脈間（jiān）時間變化的影響

圖3-2 脈間時（shí）間（jiān）對表麵粗糙度-材料去（qù）除率的影響（xiǎng）

3.4 峰（fēng）值電流對加工（gōng） Cr12Mo V 的影響

峰值電流是影響電火花線切割加工 Cr12Mo V 的重要因素。本研（yán）究將峰值（zhí）電流作為單（dān）一（yī）變量，其他因素保持不變，他們的取值範圍如表 3-3 所示。以材料去除率和表麵粗糙度為（wéi）性能指標，將試驗結果也記錄於表 3-3。

表 3-3峰（fēng）值電流變化（huà）的影響

峰值電流的改變，對加工速度和表麵質量的影響尤為重要。從圖3-3可得（dé）出，隨著（zhe）峰值電流增大，表麵質量變差，而材料去除率呈現加快的趨勢。同脈寬時間相同，峰值電流決定（dìng）脈衝能量的大小。提高（gāo）峰值電流使得加工速度變快而表麵質量下降。單方麵通過提高峰值（zhí）電流來加快加工（gōng）速度會造成電蝕產物的顆粒大，表麵質量（liàng）急劇下降，嚴重（chóng）情況會（huì）造成（chéng）斷絲。

圖3-3 峰值電流對表麵粗糙度-材料去除率的影響

3.5 間隙電（diàn）壓對加工 Cr12Mo V 的影響

研究間隙電壓對（duì）電（diàn）火花線（xiàn）切（qiē）割加工Cr12Mo V的（de）影響，將其他因素保持不變，改變間隙電壓的機床（chuáng）加工參數值分別（bié）為2 V、3 V、4 V、5 V。表（biǎo）3-4所示為記錄的材料去除（chú）率和表麵粗糙度的試驗結果。

表（biǎo）3-4 間隙電壓變化的影（yǐng）響

將得到的試驗結果繪製成圖3-4，可見，隨著間隙電壓（yā）的改變，其對材料去除率和表麵（miàn）粗糙度的影響有限。當間隙電壓為3V時，加工效率最大（dà），而表麵粗糙度隨著它的增大而不斷減小（xiǎo）。這是因為間（jiān）隙電壓是兩極間的加（jiā）工電壓，隨著間隙電壓增（zēng）大，改（gǎi）善排屑條（tiáo）件，使加工趨於穩定。但是過大的間隙電壓會（huì）使（shǐ）空載脈衝（chōng）增多，影響加工速度。