李文明，劉 飛

（天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，天津300380）

1 引言

冷作模具鋼在沖壓模具的制造中有著廣泛應(yīng)用，尤其是Cr8類與Cr12類模具鋼。Cr8類模具鋼含C、Cr量較低，韌性較好；Cr12類模具鋼耐磨性較好，隨著Mo、V元素的增加，可以進(jìn)一步增強(qiáng)耐磨性[1]。電火花線切割是完成沖壓模具凸凹模加工的首選技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電火花線切割加工模具鋼技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究。趙靈研究了電火花線切割加工Cr12模具鋼，脈沖寬度、開路電壓、走絲速度、沖液壓力對(duì)加工速度和表面粗糙度的影響關(guān)系[2]。殷靜凱研究了電火花線切割Cr12MoV模具鋼，脈寬時(shí)間、脈間時(shí)間、間隙電壓、峰值電流對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響關(guān)系[3]。Kumar研究了電火花線切割D2（Cr12Mo1V1）模具鋼，走絲速度、沖液壓力、間隙電壓、峰值電流對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響關(guān)系[4]?，F(xiàn)有的研究報(bào)道主要集中在對(duì)單種類材料的電火花線切割工藝規(guī)律研究，未能對(duì)多種類材料進(jìn)行對(duì)比性的試驗(yàn)研究，并且研究的工藝目標(biāo)多集中在加工速度和表面粗糙度方面，對(duì)加工尺寸的工藝目標(biāo)基本沒有?；诖搜芯楷F(xiàn)狀，本文以常用的模具鋼材料Cr8、Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1為試驗(yàn)材料，全面的考慮切割速度、加工尺寸、表面粗糙度工藝指標(biāo)，進(jìn)行了慢走絲電火花線切割Cr基模具鋼工藝規(guī)律的試驗(yàn)研究，旨在為企業(yè)加工模具鋼材料提供一定理論參考。

2 試驗(yàn)方法

在慶鴻慢走絲G3525S機(jī)床上，采用?0.25mm銅電極絲、去離子水工作液進(jìn)行了試驗(yàn)。選取材料種類、脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓為試驗(yàn)變量，切割速度、加工尺寸、表面粗糙度為工藝目標(biāo)，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。每種材料的厚度都是20mm，每個(gè)樣件都是邊長4mm的長方體，試驗(yàn)過程如圖1所示，先是進(jìn)行Cr8、Cr12材 料 的 切 割 ，然 后 進(jìn) 行Cr12MoV、Cr12Mo1V1材料的切割，切割樣件如圖2所示。切割速度等于切割表面積與切割時(shí)間的比值，加工尺寸采用千分尺測量樣件相同兩表面間的上、中、下3處位置后所得平均值，表面粗糙度值采用TR210手持式粗糙度測量儀在每個(gè)樣件的同一個(gè)切割表面測量3個(gè)位置后所得平均值，試驗(yàn)變量及取值如表1所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

圖1 試驗(yàn)過程

圖2 切割樣件

表1 試驗(yàn)變量及取值

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 極差分析

極差分析法計(jì)算簡單、結(jié)果直觀，是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法。4個(gè)試驗(yàn)變量每水平下對(duì)應(yīng)的各平均工藝指標(biāo)值及各變量對(duì)應(yīng)的工藝指標(biāo)極差值如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

3.1.1 試驗(yàn)變量對(duì)切割速度的影響

根據(jù)4個(gè)試驗(yàn)變量每水平下對(duì)應(yīng)的平均切割速度以及各變量在所有水平下的切割速度極差值，繪制各試驗(yàn)變量與切割速度的影響曲線圖，如圖3所示，得知對(duì)切割速度的影響：脈沖寬度與脈沖間隔影響程度基本相同，且影響程度最大，其次是伺服電壓、材料種類。這是因?yàn)椋弘S著脈沖寬度的增大，單位時(shí)間內(nèi)放電能量增加，電火花蝕除能力增強(qiáng)，切割速度顯著加快；相反，隨著脈沖寬度的增大，單位時(shí)間內(nèi)放電能量減小，電火花蝕除能力減弱，切割速度顯著減慢。電極平均間隙電壓大于設(shè)定的伺服電壓設(shè)定值時(shí)，電極絲前進(jìn)，所以隨著伺服電壓的增大，為了維持間隙電壓的穩(wěn)定，電極絲前進(jìn)速度減慢，隨之切割速度減慢。Cr基模具鋼中，隨著Cr元素含量的增加與Mo、V元素的加入及增加，材料的電火花可加工性得到改善，切割速度小幅度加快。

圖3 試驗(yàn)變量對(duì)切割速度的影響曲線

3.1.2 試驗(yàn)變量對(duì)加工尺寸的影響

根據(jù)4個(gè)試驗(yàn)變量每水平下對(duì)應(yīng)的平均加工尺寸以及各變量在所有水平下的加工尺寸極差值，繪制各試驗(yàn)變量與加工尺寸的影響曲線圖，如圖4所示，得知對(duì)加工尺寸的影響：伺服電壓對(duì)加工尺寸影響程度最大，其次是脈沖寬度、脈沖間隔，且兩者影響程度基本一致，材料的類型影響程度最小。由伺服電壓對(duì)切割速度的影響分析可知，伺服電壓增大，切割速度減慢，相同放電能量情況下，由于切割速度減慢，切割區(qū)域單位長度平均分配到的放電能量增加，電蝕除能力增強(qiáng)，去除量增加，所以加工尺寸減小。在一定范圍內(nèi)，隨著脈沖寬度的增大，雖然切割速度也升快，但是放電能量增加的幅度要大得多，最終結(jié)果是切割區(qū)域單位長度平均分配到的放電能量增加，電蝕除能力增強(qiáng)，加工尺寸減小。在一定范圍內(nèi)，隨著脈沖間隔的增加，雖然單位時(shí)間內(nèi)放電能量減小，但是切割速度也減慢，并且電蝕產(chǎn)物排出的時(shí)間逐漸增加，利于放電加工，電蝕除能力增強(qiáng)，加工尺寸減小。材料種類不同時(shí)，放電能量不變，但是隨著元素種類、含量的增加，切割速度加快，所以切割區(qū)域單位長度平均分配到的放電能量減小，電蝕除能力減弱，加工尺寸變大；由于測量尺寸使用的是千分尺，精度有限，并且材料種類對(duì)加工尺寸的影響相對(duì)較小，導(dǎo)致的結(jié)果就是測量后的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)有一定誤差，與理論分析略有一些出入。

圖4 試驗(yàn)變量對(duì)加工尺寸的影響曲線

3.1.3 試驗(yàn)變量對(duì)表面粗糙度的影響

根據(jù)4個(gè)試驗(yàn)變量每水平下對(duì)應(yīng)的平均表面粗糙度以及各變量在所有水平下的表面粗糙度極差值，繪制各試驗(yàn)變量與表面粗糙度的影響曲線圖，如圖5所示，得知對(duì)表面粗糙度的影響：脈沖寬度對(duì)表面粗糙度的影響程度最大，其次是伺服電壓、脈沖間隔，材料種類對(duì)表面粗糙度基本沒有。脈沖寬度增加，單脈沖放電能量增大，電蝕除凹坑增大，切割表面粗糙度值越大。伺服電壓主要用于調(diào)整間隙電壓的穩(wěn)定，以維持放電狀態(tài)的穩(wěn)定，當(dāng)伺服電壓40V時(shí)，放電狀態(tài)比較穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的表面粗糙度值最小，伺服電壓高于或者低于40V時(shí)，放電狀態(tài)都不穩(wěn)定，切割后的表面粗糙度值也大。脈沖間隔增加，單脈沖放電能量減小，并且電蝕產(chǎn)物排出時(shí)間增加，利于消電離，放電狀態(tài)穩(wěn)定，尤其是脈沖間隔增加至19μs時(shí)，切割表面粗糙度值顯著減小。

圖5 試驗(yàn)變量對(duì)表面粗糙度的影響曲線

3.2 方差分析

極差分析方法雖然計(jì)算簡單、直觀易懂，但是試驗(yàn)誤差無法估計(jì)，不能精確地估量試驗(yàn)變量對(duì)各工藝指標(biāo)影響的顯著性，因此引入方差分析方法，準(zhǔn)確判斷因素對(duì)指標(biāo)的影響程度。切割速度、加工尺寸、表面粗糙度方差分析表，如表4、表5、表6所示。試驗(yàn)變量的顯著性可用P值判定，一般認(rèn)為P＜0.01，試驗(yàn)變量為關(guān)鍵因子，P＜0.05，試驗(yàn)變量為重要因子，P＜0.1，試驗(yàn)變量為一般因子或次要因子[5]。

表4 切割速度方差分析

表5 加工尺寸方差分析

表6 表面粗糙度方差分析

由表4知，PC≈PB＜PD＜PA，各試驗(yàn)變量對(duì)切割速度的影響程度由強(qiáng)到弱依次為：脈沖間隔、脈沖寬度，且顯著性較大；伺服電壓，且顯著性一般；材料種類，且顯著性較小。由表5知，PD＜PB＜PC＜PA，各試驗(yàn)變量對(duì)加工尺寸的影響程度由強(qiáng)到弱依次為：伺服電壓，且顯著性較大；脈沖寬度、脈沖間隔，且顯著性一般；材料種類，且顯著性較小。由表6知，PB＜PD＜PC＜PA，各試驗(yàn)變量對(duì)表面粗糙度的影響程度由強(qiáng)到弱依次為：脈沖寬度、伺服電壓、脈沖間隔、材料種類，且顯著性都很小。

根據(jù)以上方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果對(duì)比可知，兩種分析方法得出的結(jié)論基本一致，說明試驗(yàn)中的誤差遠(yuǎn)小于試驗(yàn)變量對(duì)工藝指標(biāo)的影響，分析結(jié)論可信度較高。

4 結(jié)論

采用正交試驗(yàn)，通過極差分析和方差分析，研究了材料種類、脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓對(duì)切割速度、加工尺寸、表面粗糙度工藝目標(biāo)的影響規(guī)律。

（1）試驗(yàn)變量對(duì)切割速度的影響程度大小依次為：脈沖間隔、脈沖寬度、伺服電壓、材料種類。在試驗(yàn)變量取值范圍內(nèi)，切割速度與脈沖間隔、伺服電壓負(fù)相關(guān)，與脈沖寬度正相關(guān)，隨著Cr元素含量的增加與Mo、V元素的加入以及增加，有利于切割速度的提升。

（2）試驗(yàn)變量對(duì)加工尺寸的影響程度大小依次為：伺服電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、材料種類。在試驗(yàn)變量取值范圍內(nèi)，加工尺寸與伺服電壓、脈沖寬度、脈沖間隔負(fù)相關(guān)，并且加工尺寸與切割速度有一定關(guān)系，切割速度減慢，會(huì)導(dǎo)致切割區(qū)域單位長度平均分配到的放電能量增加，加工尺寸減小。試驗(yàn)的4種材料種類對(duì)加工尺寸影響很小。

（3）試驗(yàn)變量對(duì)表面粗糙度的影響程度大小依次為：脈沖寬度、伺服電壓、脈沖間隔、材料種類。脈沖寬度的大小影響蝕除凹坑直徑的大小，從而直接決定表面粗糙度的大小。伺服電壓、脈沖間隔影響著放電狀態(tài)的穩(wěn)定性、蝕除物的排出，對(duì)表面粗糙度有著間接的影響。試驗(yàn)的4種材料種類對(duì)表面粗糙度影響基本可以忽略。

（4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用極差分析與方差分析，得到的結(jié)果基本一致，分析結(jié)論可信度較高。