賈志新 張亞洲 郭紹林

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

EDG數(shù)控機(jī)床加工PCD刀具工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)*

賈志新 張亞洲 郭紹林

(北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)

將根據(jù)對EDG加工工藝規(guī)律的認(rèn)識與理解，設(shè)計(jì)PCD刀具EDG加工實(shí)驗(yàn)方案；選取占空比、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓、加工極性作為主要的工藝參數(shù)，采用正交實(shí)驗(yàn)方法分析其對加工速度和電極損耗工藝指標(biāo)的影響，最終獲得適用于專用PCD刀具EDG數(shù)控機(jī)床的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，從而實(shí)現(xiàn)了工藝性能的優(yōu)化;實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于今后進(jìn)一步的研究具有一定的參考意義。

PCD刀具；EDG數(shù)控機(jī)床；極差分析；工藝實(shí)驗(yàn)

PCD即聚晶金剛石，是上世紀(jì)70年代通過高壓技術(shù)獲得的一種人工合成材料。其具有高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)和摩擦系數(shù)僅為0.1～0.3等優(yōu)良特性。在實(shí)際加工過程中，由于PCD刀具具有極高的硬度，導(dǎo)致加工刃磨的效率較低；為了提高刀具刃磨效率，普及PCD刀具的使用，很多學(xué)者在這方面展開了研究。

馮莉[1]等人采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，通過對影響加工精度的脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、峰值電壓、進(jìn)給速度的分析，從而確定了相關(guān)工藝參數(shù)的最佳組合，使加工的效率得到了較大的提高;宋小中[2]等人研究了不同實(shí)驗(yàn)條件下，分析了脈沖放電寬度、脈沖放電間隔、脈沖開路電壓、脈沖放電電流和電極材料等工藝參數(shù)對孔徑間隙和加工速度兩項(xiàng)工藝指標(biāo)影響規(guī)律，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)論對加工工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而提高了加工效率；顧豐[3]等人則采用信噪比分析和灰色理論的方法，在電火花微細(xì)加工過程中，分析各項(xiàng)加工參數(shù)對工藝指標(biāo)的影響的主次關(guān)系，得到了同時(shí)兼顧多項(xiàng)工藝指標(biāo)的優(yōu)化組合。賈振元等[4]在電火花微小孔加工中，用正交試驗(yàn)法研究了放電參數(shù)和非放電參數(shù)等因素對加工速度和電極損耗工藝指標(biāo)的影響規(guī)律，獲得了多項(xiàng)工藝目標(biāo)下的參數(shù)優(yōu)化組合。

總結(jié)前人的研究方法，電火花加工研究主要是表面粗糙度和加工速度。針對電火花放電刃磨機(jī)床，電極的損耗是影響工件加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此本文主要以自主研發(fā)的電火花放電刃磨數(shù)控機(jī)床為實(shí)驗(yàn)平臺，在現(xiàn)有的工藝條件下，針對加工速度和電極損耗兩項(xiàng)工藝指標(biāo)進(jìn)行研究，確定最優(yōu)的參數(shù)組合，從而降低了石墨電極損耗和提高了EDG機(jī)床加工的效率。

1 影響因素的分析

影響因素是指對工藝指標(biāo)可能產(chǎn)生影響的工藝參數(shù)，在電火花放電磨削加工中，影響磨削工藝指標(biāo)的因素復(fù)雜多樣，如果把所有因素都考慮進(jìn)來，是不科學(xué)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。參照常規(guī)電火花磨削工藝規(guī)律以及同類型電火花加工設(shè)備，本次正交實(shí)驗(yàn)選取占空比、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓、加工極性4個(gè)影響工藝指標(biāo)的主要實(shí)驗(yàn)因素。

2 正交實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 電火花粗加工因素水平表

水平實(shí)驗(yàn)因素A占空比B主軸轉(zhuǎn)速(r/min)C加工電壓/VD加工極性10．2110050～60負(fù)極性20．3130060～70正極性30．3750070～8040．4370080～90

表2 電火花精加工因素水平表

水平實(shí)驗(yàn)因素A占空比B主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)C加工電壓/VD加工極性10．1610050～60負(fù)極性20．2630060～70正極性30．3250070～8040．3870080～90

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3和表4，運(yùn)用極差分析對加工后的加工速度和電極損耗進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表5和表6。從中可以得出如下結(jié)論：

(1)計(jì)算Kjn，kjn，確定試驗(yàn)因素的優(yōu)水平

針對電火花粗加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對于時(shí)間試驗(yàn)指標(biāo)而言，A4、B4、C1、D1分別為B、C、D因素的優(yōu)水平；對于損耗試驗(yàn)指標(biāo)而言，A2、B2、C2、D1分別為B、C、D因素的優(yōu)水平。

針對電火花精加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對于時(shí)間試驗(yàn)指標(biāo)而言，A3、B4、C1、D2分別為A、B、C、D因素的優(yōu)水平；對于損耗試驗(yàn)指標(biāo)而言，A4、B2、C2、D2分別為A、B、C、D因素的優(yōu)水平。

(2)確定因素的主次順序

針對粗加工試驗(yàn)而言，由表5可知，對于時(shí)間指標(biāo)而言，RD>RB>RC>RA，對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是DBCA，即加工極性影響最大，而占空比影響較??；對于損耗指標(biāo)而言，RD>RA>RC>RB，對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是DACB，即加工極性影響最大，而電極轉(zhuǎn)速影響較小。同理，針對精加工試驗(yàn)而言，由表6可知，對于時(shí)間指標(biāo)而言，對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是DBAC，即加工極性影響最大，而加工電壓影響較?。粚τ趽p耗指標(biāo)而言，對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序是DACB，即加工極性影響最大，而電極轉(zhuǎn)速影響較小。

表3 粗加工試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)號試驗(yàn)因素試驗(yàn)指標(biāo)1A2B3C4D56789T/minΔD/mm10．2110050～60負(fù)1111118．20．0520．2130060～70負(fù)2222117．60．0530．2150070～80正2112214．40．0740．2170080～90正1221219．30．0650．3110060～70正2121237．90．0260．3130050～60正1212216．10．0370．3150080～90負(fù)1122113．10．1280．3170070～80負(fù)2211111．80．0790．3710070～80正1222140．10．29100．3730080～90正2111119．30．16110．3750050～60負(fù)222129．80．04120．3770060～70負(fù)111229．10．05130．4310080～90負(fù)2212229．10．02140．4330070～80負(fù)1121217．10．03150．4350060～70正1211111．70．08160．4370050～60正212217．10．11

(3)確定試驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合

對于電火花粗加工試驗(yàn)而言，時(shí)間指標(biāo)的優(yōu)化水平組合為A4B4C1D1，損耗指標(biāo)的優(yōu)化水平組合為A2B2C2D1。對于電火花精加工試驗(yàn)而言，時(shí)間指標(biāo)的優(yōu)化水平組合為A3B4C1D2，損耗指標(biāo)的優(yōu)化水平組合為A4B2C2D2。

表4 精加工試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)號試驗(yàn)因素試驗(yàn)指標(biāo)1A2B3C4D56789T/minΔD/mm10．1610050～60負(fù)111117．40．0220．1630060～70負(fù)222216．70．0230．1650070～80正2112217．80．0340．1670080～90正1221212．70．0450．2610060～70正2121238．30．0160．2630050～60正1212213．60．0270．2650080～90負(fù)112215．30．0380．2670070～80負(fù)221114．50．0390．3210070～80正1222112．20．06100．3230080～90正211115．70．03110．3250050～60負(fù)222127．90．03120．3270060～70負(fù)111227．20．03130．3810080～90負(fù)2212228．10．01140．3830070～80負(fù)1121214．70．02150．3850060～70正121114．40．03160．3870050～60正212214．30．03

表5 電火花粗加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析表

試驗(yàn)指標(biāo)試驗(yàn)因素1A2B3C4D56789時(shí)間極差R3．719．58．1100．064．88．10．043．5調(diào)整R′3．317．67．320．10．129．616．30．087．0優(yōu)水平A4B4C1D1主次順序D>B>C>A優(yōu)組合A4B4C1D1電極損耗極差R0．080．030．070．100．040．010．050．060．15調(diào)整R′0．070．030．060．20．080．020．100．120．30優(yōu)水平A2B2C2D1主次順序D>A>C>B優(yōu)組合A2B2C2D1

不論是電火花粗加工試驗(yàn)還是電火花精加工試驗(yàn)，由于以上雙指標(biāo)各自分析得出的優(yōu)化組合不一致，所以必須根據(jù)因素影響的主次順序，綜合考慮后再確定最佳的工藝條件。對于電火花粗加工試驗(yàn)而言，對于因素A，其對時(shí)間指標(biāo)影響大小排第4位，此時(shí)取A4；其對損耗指標(biāo)影響排第2位，取A2；但取A2時(shí)，時(shí)間指標(biāo)比取A4增加了3.7 min，且由損耗指標(biāo)看，取A2與A4損耗相當(dāng)，故A因素取A4。同理分析可知B取B4，C取C1，D取D1，優(yōu)組合為A4B4C1D1；對于精加工而言，同理可得，A取A3，B取B4，C取C1，D取D2，優(yōu)組合為A3B4C1D2。

表6 電火花精加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析表

試驗(yàn)指標(biāo)試驗(yàn)因素1A2B3C4D56789時(shí)間極差R調(diào)整R′優(yōu)水平主次順序優(yōu)組合7．114．35．96．88．92．73．30．0122．56．412．95．313．717．95．46．60．0245．2A3B4C1D2D>B>A>CA3B4C1D2電極損耗極差R調(diào)整R′優(yōu)水平主次順序優(yōu)組合0．020．010．020．010．010．010．010．010．010．020．010．020．020．020．020．020．020．02A4B2C2D2D≥A≥C>BA4B2C2D2

3 單因素實(shí)驗(yàn)

如上分析得到最優(yōu)組合條件后，控制其他條件不變的前提下，針對某一因素進(jìn)行單一變量的試驗(yàn)，可以清晰的看出加工精度隨著變量變化的趨勢。分別針對電極旋轉(zhuǎn)方向、電極轉(zhuǎn)速和占空比做了相關(guān)試驗(yàn)，其結(jié)果如下文所示。

(1)實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)條件：負(fù)極性粗加工、占空比0.37、加工電壓60～70 V，對主軸轉(zhuǎn)速做單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 主軸轉(zhuǎn)速單因素實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)號工藝參數(shù)占空比主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)加工電壓/V加工極性工藝指標(biāo)時(shí)間T/min損耗ΔD/mm10．3710060～70負(fù)28．50．0320．3730060～70負(fù)15．10．0130．3750060～70負(fù)11．40．0440．3770060～70負(fù)8．70．0450．3790060～70負(fù)8．90．0460．37110060～70負(fù)8．80．04

由表7可知：在占空比、加工電壓、加工極性均不變的前提下，主軸轉(zhuǎn)速在100～1 100 r/min范圍內(nèi)變化時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電極損耗幾乎沒有變化，對應(yīng)的加工時(shí)間變化較大。由圖1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢可知，當(dāng)電極轉(zhuǎn)速大于等于700 r/min時(shí)，加工時(shí)間最短，電極的損耗相對較小。

(2)實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)條件：負(fù)極性粗加工、加工電壓60～70 V、主軸轉(zhuǎn)速700 r/min，對占空比做單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。在主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓、加工極性均不變的前提條件下，占空比在0.10～0.43范圍內(nèi)變化時(shí)，不同的占空比對應(yīng)的電極損耗不同，當(dāng)占空比大于等于0.31的時(shí)候，電極損耗幾乎不變，不同的占空比對應(yīng)的加工時(shí)間變化較大，其變化趨勢如圖2所示，通過占空比單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢圖可知，當(dāng)占空比為0.37時(shí)，不僅所需加工時(shí)間最短，而且對電極的損耗也相對較小。

表8 占空比單因素實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)號工藝參數(shù)占空比主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)加工電壓/V加工極性工藝指標(biāo)時(shí)間T/min損耗ΔD/mm10．1070060～70負(fù)33．10．0820．2170060～70負(fù)15．10．0530．3170060～70負(fù)11．10．0440．3770060～70負(fù)8．50．0450．4370060～70負(fù)8．90．04

(3)實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)條件：負(fù)極性粗加工、加工余量為0.15 mm、加工電壓60～70 V、主軸轉(zhuǎn)速700 r/min、粗加工占空比為0.37、對精加工不同占空比位置做單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 精加工開關(guān)占空比單因素實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)號工藝參數(shù)占空比主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)加工電壓/V加工極性工藝指標(biāo)時(shí)間T/min損耗ΔD/mm10．0570060～70負(fù)8．70．0520．1670060～70負(fù)8．30．0230．2670060～70負(fù)8．10．0340．3270060～70負(fù)8．40．0450．3870060～70負(fù)8．70．04

由表9可知：粗加工時(shí)，精加工開關(guān)和粗加工開關(guān)同時(shí)打開，粗加工占空比為0.37、加工電壓60～70 V、主軸轉(zhuǎn)速700 r/min、精加工占空比為0.26，不僅所需加工時(shí)間最短，而且對電極的損耗也相對較小。

4 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)分析了占空比、主軸轉(zhuǎn)速、加工電壓和加工極性電火花放電刃磨PCD成型螺旋輪胎刀具的加工速度和電極損耗工藝指標(biāo)的影響，通過極差分析出加工的最優(yōu)參數(shù)組合：粗加工時(shí)，加工極性為負(fù)極性加工、粗加工開關(guān)和精加工開關(guān)都打開，粗加工占空比為0.37、精加工占空比為0.26、主軸轉(zhuǎn)速為700 r/min、電壓維持在60～70 V時(shí)，不僅所需加工時(shí)間最短，而且對電極的損耗也較小；精加工時(shí)，加工極性為正極性加工、粗加工工開關(guān)關(guān)閉、精加工開關(guān)打開占空比為0.38、主軸轉(zhuǎn)速為700 r/min、電壓維持在50～60 V時(shí)，不僅所需加工時(shí)間最短，而且對電極的損耗也較小。以上優(yōu)化的加工參數(shù)，對于實(shí)際加工具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]馮莉，金濰洙.專用電火花磨削機(jī)床磨削工藝參數(shù)的優(yōu)勢因素分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008(11)：43-45.

[2]宋小中，劉正塤，高長水．電火花微細(xì)孔加工工藝實(shí)驗(yàn)研究[J]．航空精密制造技術(shù)，1995，31(6)：8-11.

[3]賈振元，顧豐，王福吉，等．基于信噪比與灰關(guān)聯(lián)度的電火花微小孔加工工藝參數(shù)的優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(7)：63-67.

[4]賈振元，周明，楊連文.電火花微小孔加工工藝參數(shù)的優(yōu)化研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(2)：106-111.

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Experiment of the process parameters optimization of processing PCD tool in EDG NC machine

JIA Zhixin, ZHANG Yazhou, GUO Shaolin

(Mechanical Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, CHN)

Based on the understanding of EDG processing technology law, design the experimental scheme of PCD tool in EDG NC machine. Selecting duty cycle, spindle speed, processing voltage and processing polarity as the main process parameters, the article uses orthogonal test method to analyze the influence of process parameter to the technical index of processing speed and electrode loss, which obtains the optimal process parameters combination of applicable to special PCD cutting tool EDG NC machine and realizes the optimization of process performance. The result of this study will have a certain reference value for the further research in the future.

PCD tool; EDG NC machine; range analysis; process test

*北京市自然科學(xué)基金(3162020)

TG661

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.020

賈志新，男，1968年生，博士，教授，機(jī)械系主任，研究方向?yàn)樘胤N加工、數(shù)控機(jī)床可靠性，已發(fā)表論文160余篇，獲得北京市科技新星、江蘇省雙創(chuàng)人才等稱號。

靜) (

2016-08-01)

161228