李文明 周長武

（天津理工大學中環(huán)信息學院，天津 300380）

電極在電火花成形加工中是必需的工具，電極材料性能的優(yōu)劣直接決定了電火花成形加工的質量和效率[1]。銅鎢合金工具電極兼有銅的高導熱性和鎢的高熔點以及抗火花侵蝕能力強的特點，在電火花成形加工表現(xiàn)出電極損耗小、加工效率高等優(yōu)質性能[2-5]。

電火花線切割不受加工材料硬度的限制，并且可以加工出形狀復雜的工具，因此在各類材料的刀具以及工具電極的制造得到廣泛應用。毛聰?shù)萚6]對電火花線切割CBN-WC-10Co刀具材料進行了加工實驗，主要研究了超硬材料去除機理以及切割表面質量等問題。曹志全等[7]采用一種新的工藝方法在電火花線切割機床上加工出硬質合金成形車刀法。宋滿倉等[8]在慢走絲電火花線切割機床上對PCD、PCBN復合片進行了多次加工工藝試驗，研究了切割表面粗糙度、富鈷界面層加工質量和刃口加工質量等問題。學者們對電火花線切割各類材料的刀具進行了大量研究，但是對工具電極的電火花線切割試驗研究較少，尤其鮮有綜合考慮切割速度、切割尺寸精度以及切割表面質量的研究。

然而一般電火花線切割機床加工系統(tǒng)中沒有銅鎢合金工具電極材料工藝參數(shù)，中走絲電火花線切割雖然達不到慢走絲電火花線切割精密的加工精度和較好的表面質量，但是憑借其機床價格以及加工成本較低的優(yōu)勢，在電火花線切割加工領域仍占據(jù)一定市場，并且通過科學的研究能夠提高中走絲電火花線切割的加工性能。因此，本文為了探索出高效高質量銅鎢合金工具電極的加工工藝方法，首先進行了1次切割工藝參數(shù)對切割速度影響規(guī)律的研究，并優(yōu)化出最大切割速度下的組合工藝參數(shù)，在此基礎上又分別進行了2次切割、3次切割加工精度與切割表面質量的研究，旨在為電火花線切割銅鎢合金工具電極高效高質量的制造提供理論技術指導，促進銅鎢合金工具電極在電火花成形加工更廣泛的應用。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗裝置與材料

銅鎢合金工具電極材料中，鎢元素的含量越高，電火花成形加工時電極損耗越小，加工精度越高，但是隨之電極價格也越貴，考慮到銅鎢合金工具電極材料應用的廣泛性，試驗中選用厚度10 mm的CuW（W80）作為試驗材料，使用電極絲φ0.18 mm鉬絲，在HQ32GZ-AS中走絲電火花線切割機床使用乳化液進行了切割試驗。采用千分尺測量試件切割尺寸，手持式TR210表面粗糙度儀測量切割表面粗糙度，EVO MA15掃描電子顯微鏡觀察切割表面微觀形貌，EDS分析切割表面化學元素成分。

1.2 試驗方法

針對銅鎢合金工具電極電火花線切割多次切割的工藝研究，首先進行了1次切割工藝參數(shù)對切割速度影響的規(guī)律研究并優(yōu)化出最大切割速度下的組合工藝參數(shù)，然后以此工藝參數(shù)作為第1次切割參數(shù)，又分別通過改變電極絲偏移量進行了1次切割、2次切割和3次切割試驗，探究不同工藝方法對加工時間、切割尺寸精度及切割表面質量的影響。試驗過程如圖1所示。

圖1 試驗過程

2 第 1 次切割試驗

2.1 第 1 次切割試驗設計

電火花線切割多次切割的第1次切割主要任務是切割成形，較快的切割速度MRR對于1次切割具有重要意義。根據(jù)電火花線切割加工原理，單脈沖放電能量直接決定著材料去除率的大小，因此試驗中選擇脈沖寬度Ton，峰值電流Ip，以及決定伺服速度的伺服電壓SV等工藝參數(shù)為試驗變量，運用Design-Expert設計了3因素3水平的 Box-Behnken試驗，基于響應曲面法（RSM）研究了試驗變量對切割速度的影響關系，并優(yōu)化出最大切割速度下的組合工藝參數(shù)。

試驗變量取值范圍確定的依據(jù)主要是每次試驗都能夠穩(wěn)定切割，取值見表1，并且設定占空比（脈沖間距）1∶4。切割速度MRR由式（1）計算所得，其中切割長度l=15 mm，切割厚度h=10 mm，切割時間t由機床記錄可知。試驗設計與結果見表2。

表2 響應曲面試驗設計與響應結果

表1 Box-Behnken設計因素和水平設計

2.2 第 1 次切割試驗結果分析

運用Design-Expert對切割速度進行回歸分析，擬合的切割速度MRR與各試驗因素（A為脈沖寬度，B為峰值電流，C為伺服電壓）的二階回歸數(shù)學模型為

MRR=-31.81+0.199A+9B-0.825C-6.58×10-3AB-0.011AC-0.084BC+5.02×10-4A2-0.31B2+0.08C2

切割速度MRR的二階回歸模型方差分析見表3，該模型的P值遠小于 0.01，失擬項P值=0.863 9，并且R2=0.998 5，說明模型擬合程度好，可信度高。

表3 二階回歸模型的方差分析

由模型F值可知，試驗因素對切割速度影響程度大小依次為：峰值電流、伺服電壓和脈沖寬度。模型切割速度各影響因素的交互作用見圖2，由圖2a知，伺服電壓一定時，切割速度隨峰值電流的增加顯著增大；峰值電流一定時，切割速度隨伺服電壓的增加緩慢減小。由圖2b知，脈沖寬度一定時，切割速度隨峰值電流的增加顯著增大；峰值電流一定時，切割速度隨脈沖寬度的增加增大幅度較小。由圖2c知，脈沖寬度一定時，切割速度隨伺服電壓的增加緩慢減小，伺服電壓一定時，切割速度隨脈沖寬度的增加增大幅度較小。這是因為：由式（2）可知，峰值電流增加，電火花線切割放電能量增加，電蝕除能力增強，切割速度增大；脈沖寬度增加時，單脈沖放電能量也是增加的，由于占空比（脈沖間距）設定為1:4，脈沖間隔也是4倍關系增加，致使單位時間內(nèi)總的放電時間基本不變，然而脈沖間隔的增大便于蝕除物的排出，有利于電加工過程的穩(wěn)定，所以切割速度隨脈沖寬度的增加增大幅度較小；伺服電壓決定著伺服速度的快慢，當電極平均間隙電壓小于設定的伺服電壓設定值時，電極絲后退，所以切割速度隨伺服電壓的增加緩慢減小。

圖2 切割速度各影響因素的交互作用

式中：W為單個脈沖能量；u為隨時間變化的電壓，V；i隨時間變化的電流，A；t為單個脈沖實際放電時間，min。

通過RSM最優(yōu)值預測方法，得知最大切割速度下的組合工藝參數(shù)為Ton=50 μs、Ip=12 A、SV=8 V，最大MRR=24.91 mm2/min。為了驗證模型最優(yōu)值預測的準確性，以該組合參數(shù)進行了實際切割試驗，得到MRR=25.08 mm2/min，誤差率為0.7%，表明該模型最優(yōu)值預測的準確度極高。

3 多次切割試驗

為研究電火花線切割多次切割工藝對銅鎢合金工具電極加工質量的影響，在確定了1次切割最大切割速度下的工藝參數(shù)后，又進行了多次切割的試驗。其中第2次切割主要用于修正加工尺寸，提高加工精度，第3次加工主要用于修光切割表面，提高加工表面質量。

3.1 多次切割試驗設計

電火花線切割加工主要工藝指標為切割速度、加工精度和表面粗糙度，就目前報道[9-11]可知，國內(nèi)外學者關于電火花線切割工藝規(guī)律中各因素對切割速度、表面粗糙度影響的研究較多，對加工精度影響的研究較少，并且這些研究都只是針對1次切割進行的。本文在綜合考慮了切割速度、加工精度、表面粗糙度的基礎上，進行了多次切割試驗，其中第1次切割時工藝參數(shù)為最大切割速度下優(yōu)化得到的工藝參數(shù)，第2、3次切割時工藝參數(shù)為機床系統(tǒng)推薦默認的工藝參數(shù)，每次切割時的工藝參數(shù)取值見表4，重點研究了多次切割時的切割次數(shù)對銅鎢合金工具電極加工質量的影響規(guī)律。

表4 每次切割時的工藝參數(shù)取值

電火花線切割加工電極絲偏移量的取值直接決定著切割尺寸精度的高低，電極絲偏移量的計算如式（3）所示。各切割次數(shù)下的原電極絲偏移量以及修正后的偏移量取值見表5，并且以3次切割為例，說明了電極絲偏移量、加工余量與理想加工面之間的關系示意圖，如圖3所示。

圖3 3次切割電極絲偏移量、加工余量與理想加工面關系示意圖

式中：f為電極絲偏移量，mm；δ為單面放電間隙，mm；φ為電極絲直徑，mm；Δ為加工余量，mm。

根據(jù)表5作出多次切割試驗切割次數(shù)對銅鎢合金工具電極加工時間、加工誤差和表面粗糙度的影響關系曲線圖，如圖4所示。

圖4 切割次數(shù)與銅鎢合金工具電極加工質量影響關系

表5 各切割次數(shù)下的電極絲偏移量取值及工藝指標結果

3.2 多次切割加工時間和尺寸精度試驗結果分析

傳統(tǒng)的切削加工是依靠刀具切入工件，在切削力作用下產(chǎn)生塑性變形形成切屑去除材料加工的，為了保證一定加工精度，在設置刀具補償量時，主要考慮刀具半徑，刀具半徑方向上的磨損以及粗、精加工余量等數(shù)值[12]，刀具補償量的確定相對簡單。電火花加工是通過兩極火花放電，產(chǎn)生局部、瞬時的高溫熔解、氣化蝕除材料加工的，在火花蝕除機理的研究中，楊曉冬團隊建立了電火花放電通道模型，仿真得到了放電通道的溫度在中心達到最高，從中心點向四周逐漸減小的現(xiàn)象[13]。也就是說，電火花線切割加工中，在放電通道內(nèi)的放電間隙所表現(xiàn)出來的蝕除材料能力不均勻，越靠近電極絲，其蝕除能力越強，因此，電火花線切割加工電極絲偏移量的確定相對復雜，不能如傳統(tǒng)切削加工那般單純的通過相關因素數(shù)值的計算得到。

各切割次數(shù)后的加工時間、試件長度方向尺寸結果如表5所示，切割次數(shù)對銅鎢合金工具電極加工時間、加工誤差的影響關系，如圖4所示。1次切割試驗設置電極絲偏移量f11=0.095 mm，測得試件長度l1=5.008 mm，由于銅鎢合金工具電極具有較強的抗電蝕除能力[14]，所以切割后的尺寸較大。為了研究1次切割能夠達到的尺寸精度，在相同工藝參數(shù)條件下，修正電極絲偏移量f11′=0.091 mm，測得試件長度l1′=4.993 mm，小于理想尺寸。這是因為1次切割采用的工藝參數(shù)可以產(chǎn)生較大的放電能量，因而放電間隙也越大，越靠近電極絲，其蝕除能力越強的現(xiàn)象越明顯，造成了過切的現(xiàn)象。1次切割通過修正電極絲偏移量的數(shù)值可控制尺寸誤差在 0.01 mm 以內(nèi)，加工時間t1′=8.583 min。

2次切割試驗后測得試件長度l2=5.019 mm，這是因為電極絲偏移量f21、f22取值過大，加之第2次切割時所用的工藝參數(shù)產(chǎn)生的放電能量較小，造成了欠切的現(xiàn)象。若要獲得理想的加工尺寸，需要縮小電極絲偏移量，通過修正電極絲偏移量f21′、f22′，可獲得試件長度l2′=5.003 mm，表明第2次切割時由于放電能量、放電間隙較小的原因，放電通道內(nèi)溫度不均勻分布造成的空間不均勻蝕除的現(xiàn)象減弱，2次切割通過修正電極絲偏移量的數(shù)值可獲得較高的加工精度，約5 μm以內(nèi)，并且加工時間t2′=12.433 min，較1次切割加工時間增加44.86%。

3次切割試驗后測得試件長度l3=5.008 mm，存在欠切的現(xiàn)象，為此修正了電極絲偏移量f31′、f32′、f33′再進行試切，獲得試件長度l3′=4.999 mm，表明第3次切割時的放電能量更小，放電通道溫度不均勻分布造成的空間不均勻蝕除的現(xiàn)象更弱，3次切割通過修正電極絲偏移量的數(shù)值可獲得更高的加工精度，約 3 μm 以內(nèi)，并且加工時間t3′=19.033 min，較1次切割加工時間增加121.75%。

3.3 多次切割加工表面質量試驗結果分析

各切割次數(shù)后的表面粗糙度結果如表5所示，切割次數(shù)對銅鎢合金工具電極表面粗糙度的影響關系，如圖4所示。1次切割表面粗糙度Ra1′=2.582 μm，2次切割表面粗糙度Ra2′=1.177 μm，較 1次切割表面粗糙度降低54.42%，3次切割表面粗糙度Ra3′=0.732 μm，較1次切割表面粗糙度降低71.65%。1次、2次、3次切割次數(shù)對應的切割表面微觀形貌 2 000 倍下的形貌依次見圖5a、6a、7a，5 000 倍下的形貌依次見圖5b、6b、7b，EDS分析見圖5c、6c、7c。

由圖5a、6a、7a可知，隨著切割次數(shù)的增加切割表面平整度越好。由圖5b、6b、7b可知，隨著切割次數(shù)的增加切割表面殘留的金屬熔融顆粒越小并且裂紋趨于消失，這是因為第1次切割的放電能量較大，金屬以較大顆粒狀態(tài)被逐漸熔化、汽化，加工完成后，在切割表面殘留較大的熔融顆粒，較大放電能量產(chǎn)生的高溫在工作液急劇冷卻的作用下，切割表面形成了明顯的裂紋；第2次切割、第3次切割的放電能量隨之減小，所以相應切割表面殘留的熔融顆粒變小，并且切割表面形成的裂紋逐漸減小，以致3次切割后的切割表面裂紋現(xiàn)象基本消失。

圖5 1次切割表面微觀形貌與表面能譜分析

圖6 2次切割表面微觀形貌與表面能譜分析

本次試驗材料CuW（W80），W元素質量百分比80%，其余全為Cu，由圖5c、6c、7c的EDS分析可知，隨著切割次數(shù)的增加，切割表面的W元素含量基本不變，Cu元素含量減少，表面沉積了C元素，并且含量逐漸增加，還沉積了Mo元素，并且含量逐漸減少，特別是3次切割后，Cu元素含量1.84%，C元素含量14.24%，Mo元素含量0。這是因為Cu熔點低，隨著放電加工的進行逐漸被熔化汽化，而來自于線切割工作液中的C逐漸沉積在切割表面，表面沉積的Mo主要來自電極絲鉬絲，并且主要是第1次切割時的沉積，在之后的切割次數(shù)中Mo元素被逐漸去除。圖5c的EDS分析中出現(xiàn)的O元素主要來自工作液中的水，P元素主要來自工作液中的線切割乳化液，F(xiàn)e元素、Cr元素主要來自以前切割模具鋼殘留在工作液中的電蝕產(chǎn)物，由圖7c的EDS分析可知，3次切割后的切割表面雜質元素基本被清除，并且沉積了大量的高熔點C元素，對于銅鎢合金工具電極的使用性能，尤其是提高電極的低損耗性能具有重大的促進作用。

圖7 3次切割表面微觀形貌與表面能譜分析

4 結語

本文在中走絲電火花線切割機床上進行了銅鎢合金工具電極的多次切割工藝研究。首先以最大切割速度為工藝目標，優(yōu)化得出最佳組合工藝參數(shù)，然后在此基礎上又進行了不同切割次數(shù)對工具電極加工質量影響的研究，得出以下結論。

（1）通過曲面響應法研究得出第1次切割各工藝參數(shù)對切割速度的影響程度由強到弱依次為：峰值電流、伺服電壓和脈沖寬度，且影響都非常顯著。

（2）擬合出切割速度與各工藝參數(shù)的二階回歸數(shù)學模型，借助模型優(yōu)化得出脈沖寬度50 μs、峰值電流12 A、伺服電壓12 V，切割速度最大為24.91 mm2/min，并進行了實際切割試驗，得到切割速度25.08 mm2/min，模型擬合程度好，可信度高。

（3）1次切割的尺寸誤差可控制在10 μm以內(nèi)，切割表面粗糙度Ra2.582 μm；適用于加工質量要求不高且加工量較大的工具電極制造。2次切割的尺寸誤差可控制在5 μm以內(nèi)，切割表面粗糙度Ra1.177 μm，切割時間較1次切割增加44.86%；適用于兼顧加工質量與生產(chǎn)效率且加工量適中的工具電極制造。3次切割的尺寸誤差可控制在3 μm以內(nèi)，切割表面粗糙度Ra0.732 μm，切割時間較1次切割增加121.75%；適用于加工質量要求較高且加工量較小的工具電極的制造。

（4）隨著切割次數(shù)的增加，切割表面沉積的其他雜質元素減少，碳元素增多，對于提高電極的低損耗性能具有重大的促進作用。