鄭 軍，黃志強(qiáng)，劉夢琦

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，杭州 310023)

電火花線切割加工作為現(xiàn)代工業(yè)一種重要的加工方式，與傳統(tǒng)加工方式相比具有突出的優(yōu)勢。但其效率低、損耗大，這成為阻礙其發(fā)展的重要因素[1]。目前，環(huán)境和能源問題已成為全球性的重要問題，《中國制造2025》更是明確地將綠色制造列入五大工程之一，指出要加大先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)力度[2]。

對制造業(yè)能耗的研究一直都在開展中，如：Dietmair等[3]對制造過程中的能量進(jìn)行了預(yù)測、評估、優(yōu)化和建模仿真等研究，提出制造過程能量預(yù)測模型；Dornflou等[4]在研究制造過程的資源利用的基礎(chǔ)上，建立了制造過程資源利用的監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；Cao等[5]對制造系統(tǒng)的碳排放動態(tài)特性及優(yōu)化進(jìn)行了研究，提出機(jī)械制造系統(tǒng)碳排放動態(tài)特性模型和面向機(jī)械加工工藝的低碳優(yōu)化方法。針對電火花線切割機(jī)床能耗的研究卻相對較少，哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工及機(jī)電控制研究所于2000年提出了兩級結(jié)構(gòu)PWM控制節(jié)能式脈沖電源，有效地將電能利用率提高到70%左右[6]；Ho等[7]研究了對火花放電的監(jiān)測和控制，在提高能量利用率的基礎(chǔ)上提高了加工效率。

表面粗糙度作為評判電火花線切割加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，研究較多，如：楊蕾等[8]研究電火花線切割加工中脈沖寬度、峰值電流、脈沖間隔及工件厚度對表面粗糙度的影響；蔣軍等[9]研究了放電電流對電火花線切割精加工表面粗糙度的影響，認(rèn)為脈寬的影響最大；王斌等[10]的研究表明，脈寬越大，粗糙度越大，加工效率越高。

電火花線切割加工中，脈寬、脈間距、跟蹤、限速是在機(jī)床操作中可以調(diào)整來優(yōu)化加工的電參數(shù)。因此，筆者對它們與能耗、表面粗糙度的關(guān)系進(jìn)行探究，欲找出其對能耗和表面粗糙度的影響及影響程度，以便為選取最優(yōu)加工方案提供參考。

1 電火花線切割加工特點(diǎn)

電火花線切割加工是利用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲(稱為電極絲)作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。其加工精度高，無切削力，不與工件直接接觸，易于加工復(fù)雜、精密、高硬度的零件[11]。

脈寬的大小決定了放電凹坑的大小，增加脈寬會增加單個脈沖的放電時間，使加工穩(wěn)定，提高加工效率，同時因單脈沖時間長，放電凹坑大，降低了零件的表面質(zhì)量。脈間距即放電加工的間歇時間，當(dāng)其他工藝參數(shù)為定值時，減小脈間距會增大平均加工電流，加工速度提高，減少放電過程的消除電離時間，從而引起工件表面的燒傷，降低加工質(zhì)量。跟蹤是由放電間隙取得一個間隙電壓，以此電壓去控制一個頻率與電壓接近線性變化的振蕩器，它輸出的脈沖直接作為控制器的運(yùn)算和進(jìn)給啟停信號，當(dāng)間隙電壓超過設(shè)定值則機(jī)床進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)對間隙大小的限制，從而控制進(jìn)給速度。限速指的是切割加工時，對鉬絲走絲速度的限制。加工限速越大，機(jī)床切割速度越快，但是過大的加工限度則會使鉬絲對零件的電蝕不充分，影響加工零件表面質(zhì)量；反之，過小的限速則會使鉬絲對零件過分電蝕，不僅不會提高加工零件表面質(zhì)量，反而由于電蝕產(chǎn)物過多，影響排水、散熱，造成加工零件表面質(zhì)量下降。

2 電參數(shù)對加工能耗及粗糙度影響試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的研究平臺為寶瑪數(shù)控線切割機(jī)床，型號為中走絲電火花線切割機(jī)DK7740D。切割液為水基工作液BM-4，水基與水的體積配比為1︰30；切割電極絲采用Φ0.18鉬絲，切割材料為5 mm厚45#鋼熱軋板，切割形狀為50 mm×50 mm的正方形。

采用正交試驗(yàn)對多組加工參數(shù)與能耗的影響進(jìn)行分析。經(jīng)過選擇及對切割機(jī)床的調(diào)整，最終確定控制因素(即加工參數(shù))包括脈寬A、脈間距B、跟蹤C(jī)和限速D4個因素，其他因素如加工電流、電壓等保持不變。試驗(yàn)中各因素又分別設(shè)置3個水平因素，故選擇L9(34)正交試驗(yàn)表。中走絲線切割加工控制因素不同水平設(shè)置見表1。

表1 中走絲線切割加工控制因素不同水平設(shè)置Table 1 Control factors of WEDM set at different levels

圖1 能耗測量平臺原理Fig.1 Principle of energy consumptionmeasurement platform

能耗測量平臺的硬件采用鄭軍等[12]提出的能耗檢測平臺，軟件采用LabVIEW與硬件關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)線切割機(jī)床能耗的實(shí)時采集，并輔以數(shù)據(jù)庫SQL Server，完成二者之間的連接以實(shí)現(xiàn)大量能耗數(shù)據(jù)的采集及存儲，再通過Excel進(jìn)行處理分析。試驗(yàn)過程如圖1所示，在機(jī)床進(jìn)行切割時，傳感器不斷采入實(shí)時的電壓和電流信號并傳入數(shù)據(jù)采集板卡，有數(shù)據(jù)采集板卡完成A/D轉(zhuǎn)換并將信號傳輸入計算機(jī)。計算機(jī)中的LabVIEW接收電信號并按照程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行初步計算，得到功率。圖2即是根據(jù)LabVIEW采集到的功率與相對時間的數(shù)據(jù)繪制的關(guān)系圖。再經(jīng)由數(shù)據(jù)庫SQL Server對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。試驗(yàn)結(jié)束后，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出，由Excel對其進(jìn)行處理分析得到試驗(yàn)總能耗。圖3即是能耗與相對時間的關(guān)系圖，曲線最高點(diǎn)即是總能耗。

使用TR100表面粗糙度儀對加工完成的工件進(jìn)行表面粗糙度測量。

圖2 實(shí)時功率與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between real-time power and time

圖3 能耗與時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between energy consumption and time

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.2.1 加工過程能耗的數(shù)據(jù)處理

工件加工完成后，根據(jù)能耗檢測平臺反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，求得其加工總能耗，按照編號填入試驗(yàn)數(shù)據(jù)表，如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data

2.2.2 表面粗糙度的數(shù)據(jù)處理

按照試驗(yàn)序號對加工完成的工件進(jìn)行表面粗糙度的測量。用表面粗糙度儀TR100分別測量正方形零件4加工面的表面粗糙度，記錄參數(shù)并取其平均值，如表2所示。

將試驗(yàn)?zāi)芎募按植诙葦?shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得各因素的水平1、2、3的加工能耗平均值k1t、k2t、k3t，極差Rt及表面粗糙度平均值k1r、k2r、k2r，極差Rr，整理后如表2所示。

表2中，以k1t為例，代表各因素的水平1所對應(yīng)的能耗平均值，脈寬A中對應(yīng)的水平1有試驗(yàn)號1、2、3三組，所對應(yīng)的能耗值分別為383 598.35、707 600.15、1 227 740.27 W，故其平均數(shù)k1t為：772 979.59。

3 電參數(shù)對加工能耗及粗糙度影響分析

通過上述數(shù)據(jù)的處理分析可知，極差Rt、Rr為同組數(shù)據(jù)間最大值與最小值的差距值。由表2可得出按極差大小排列出各因素對線切割能耗及表面粗糙度影響的主次關(guān)系。對加工能耗的影響由主到次依次為：跟蹤C(jī)、脈寬A、脈間距B、限速D；對表面粗糙度的影響由主到次依次為：脈寬A、跟蹤C(jī)、限速D、脈間距B。

理想的加工方式應(yīng)為低加工能耗、低表面粗糙度方式。如圖4～7所示，直觀地顯示了各因素對線切割能耗及表面粗糙度的影響趨勢，從中可以看出試驗(yàn)控制因素(脈寬、脈間距、跟蹤、限速)對線切割能耗及加工零件表面粗糙度的影響程度。

圖4 脈寬與能耗、表面粗糙度的關(guān)系Fig.4 Relationship between pulse width and energy consumption, surface roughness

由圖4可知，能耗與脈寬呈正相關(guān)，表面粗糙度隨脈寬增大而先增大后減小。其物理機(jī)制為：當(dāng)脈寬增加時，單位脈沖放電時間增加，能耗增大；當(dāng)脈寬增加到閾值前時，單脈沖切割量大，粗糙度增大，脈寬增大超過閾值后，放電的連續(xù)性增大，粗糙度降低[13]。

由圖5可知，能耗與脈間距呈正相關(guān)；表面粗糙度與脈間距呈正相關(guān)關(guān)系。其物理機(jī)制為：放電間距增加，材料的切除時間縮短，空載時間增大，能耗增大，粗糙度增大[14]。

圖5 脈間距與能耗、表面粗糙度的關(guān)系Fig.5 Relationship between pulse spacing and energy consumption, surface roughness

由圖6可知，能耗與跟蹤呈正相關(guān)；表面粗糙度與跟蹤呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其物理機(jī)制為：跟蹤增加，走絲移動頻率增加，能耗增大，粗糙度減小。

圖6 跟蹤與能耗、表面粗糙度的關(guān)系Fig.6 Relationship between tracking and energy consumption and surface roughness

由圖7可知，能耗與限速呈負(fù)相關(guān)；表面粗糙度隨限速的增大先減小后增大。其物理機(jī)制為：若走絲速度增加，則切割時間減少，總能耗降低；速度在增加到一定程度前會增加放電的連續(xù)性，減小粗糙度，當(dāng)增大超過閾值后會因速度過快導(dǎo)致放電切除不充分而增大粗糙度[15]。

圖7 限速與能耗、表面粗糙度的關(guān)系Fig.7 Relationship between speed limit and energy consumption, surface roughness

4 結(jié) 論

為了獲得低能耗和低表面粗糙度的電火花線切割參數(shù)，筆者針對電火花線切割電參數(shù)對加工能耗及粗糙度的影響開展了研究。以DK7740D電火花中走絲線切割數(shù)控機(jī)床為試驗(yàn)機(jī)床，分析電火花線切割參數(shù)對能耗和表面粗糙度的影響，得到了如下適用于大部分中走絲線切割機(jī)床的結(jié)論：

1) 能耗與脈寬呈正相關(guān),與脈間距呈正相關(guān),與跟蹤呈正相關(guān),與限速呈負(fù)相關(guān)。

2) 表面粗糙度隨脈寬增大先增大后減小,與脈間距呈正相關(guān),與跟蹤呈負(fù)相關(guān),隨限速的增大而先減小后增大。

3) 4個電參數(shù)對能耗的影響程度由強(qiáng)到弱分別為跟蹤、脈寬、脈間距、限速；對表面粗糙度的影響程度由強(qiáng)到弱分別為脈寬、跟蹤、限速、脈間距。

4) 對5 mm厚45#鋼熱軋板的最佳電參數(shù)組合為：脈寬10 μs、脈間距10 μs、跟蹤25步/s和限速400步/s。