鄧偉，徐玉梁，徐明飛，黃昊旻

（貴陽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550005）

0 引言

線切割是利用電極絲與工件間脈沖性電火花放電產(chǎn)生的局部高溫，使工件表面與放電點(diǎn)之間的介質(zhì)電離擊穿，以致工件熔化形成氣化切割效應(yīng)的一種非接觸式特種加工方法[1]。由于電極與工件間并沒有直接的接觸，因而可以加工幾乎當(dāng)前所有高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、高脆性，以及高純度的導(dǎo)電材料，尤其適合低剛度和微細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的加工。文獻(xiàn)[2]～[5]對電火花線切割加工中的工藝參數(shù)和加工質(zhì)量進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

慢走絲線切割作為線切割加工方法之一，相比于快、中走絲線切割加工，其加工速度慢，故又稱低速走絲線切割加工。慢走絲加工的產(chǎn)品擁有表面質(zhì)量高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、模具等等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。邊留進(jìn)等[6]采用正交試驗(yàn)法，研究了電流峰值、放電脈寬時(shí)間、脈間時(shí)間、主電源電壓等參數(shù)對材料去除率和表面粗糙度的影響，分析了影響性能指標(biāo)的主次因素，并驗(yàn)證了其可行性。馮巧波等[7]研究了放電脈寬時(shí)間、主電源電壓、伺服速度等因素對慢走絲線切割加工精度的影響。孫瑤等[8]以慢走絲線切割加工鈦合金為試驗(yàn)對象，在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過信噪比方法研究峰值電流、開路電壓、脈沖寬度等因素對加工時(shí)間、切縫寬度和表面粗糙度的影響規(guī)律。

針對慢走絲線切割的研究，大多都是研究加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響，對于慢走絲線切割的加工成本研究相對較少，本文通過實(shí)驗(yàn)探究，引入粗糙度系數(shù)的概念，建立了慢走絲線切割加工成本預(yù)測模型，最后運(yùn)用構(gòu)建的成本模型測算某工件的加工成本，為慢走絲產(chǎn)品在加工之前提供合理的成本預(yù)測依據(jù)。

1 工藝指標(biāo)和成本模型

1.1 工藝指標(biāo)

慢走絲線切割的工藝指標(biāo)主要有加工速度、工件表面質(zhì)量和加工精度。加工速度一般表示為單位時(shí)間加工的有效面積，工件表面質(zhì)量包括表面粗糙度、表面變質(zhì)層和表面力學(xué)性能三部分，特別是表面粗糙度，直接影響產(chǎn)品的使用性能，是慢走絲線切割的重點(diǎn)檢驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)，加工精度包括尺寸精度、形狀精度和位置精度。

影響上述工藝指標(biāo)的因素主要有放電脈寬時(shí)間、脈間時(shí)間、峰值電流、主電源電壓、伺服速度、電極絲速度等。目前，高檔慢走絲線切割機(jī)床自帶加工參數(shù)智能推薦系統(tǒng)，實(shí)際加工時(shí)，輸入工件材料、外形尺寸和粗糙度等指標(biāo)要求后，機(jī)床自動(dòng)計(jì)算出切削參數(shù)，因此這些切削過程的影響因素不作為成本模型參數(shù)。

1.2 成本預(yù)測模型

當(dāng)前慢走絲加工的費(fèi)用主要以單位時(shí)間加工的有效面積乘以對應(yīng)的加工單價(jià)作為單件產(chǎn)品單次的實(shí)際加工費(fèi)用（C）：C=P×S/v。 （1）式中：P為實(shí)際每小時(shí)慢走絲單價(jià)，元；S為切割面積，mm2；v為切割速度，指單位時(shí)間加工的有效面積，mm2/h。

為了滿足加工后零件能達(dá)到規(guī)定的表面粗糙度，需要對零件進(jìn)行多次反復(fù)加工，即“一切多修”。第一次加工（切加工）主要是成型零件，第二次或第二次以上的加工（修加工）主要是提高零件的精度和降低表面粗糙度。切加工和修加工具有不同的切割速度，所以切割相同面積所需的時(shí)間不同，因此直接將式（1）中的單次成本乘以加工次數(shù)去計(jì)算單件產(chǎn)品的成本是不準(zhǔn)確的。

就加工經(jīng)濟(jì)性而言，線切割加工普遍以粗糙度Ra3.2 μm為臨界，比Ra3.2 μm表面粗糙的用快走絲或中走絲加工，比Ra3.2 μm表面光潔的用慢走絲加工。引入一個(gè)粗糙度系數(shù)k，k定義為慢走絲各加工階段后粗糙度為某一數(shù)值時(shí)，所用總時(shí)間與切加工所用時(shí)間的比值，也可認(rèn)為是當(dāng)工件粗糙度為某一數(shù)值時(shí)，一共折算成了k次切加工，工件若僅切加工，k值取1。式（1）可修改為

2 粗糙度系數(shù)的確定

慢走絲線切割加工一般根據(jù)工件的不同粗糙度要求，采用不同的切修次數(shù)加工，相同的機(jī)床上，粗糙度值越?。ū砻尜|(zhì)量越好）的工件，修加工的次數(shù)越多。切加工主要是成形零件，切除絕大部分余量，修加工主要是降低零件表面粗糙度，其實(shí)際切削量非常微小。在本次切割實(shí)驗(yàn)中，工件內(nèi)腔尺寸為（6.5±0.02）mm×（13±0.02）mm，材料為鋁合金，工件厚度為55 mm。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一共加工4個(gè)試驗(yàn)件，各加工階段時(shí)間及各加工階段后粗糙度如表1所示。

表1 各加工階段時(shí)間及粗糙度

由表1可計(jì)算4個(gè)實(shí)驗(yàn)件各加工階段的平均時(shí)間及各加工階段結(jié)束后的平均粗糙度值，由粗糙度系數(shù)定義方式可得對應(yīng)的粗糙度系數(shù)，如表2所示。

表2 平均粗糙度及對應(yīng)粗糙度系數(shù)

由表1可知，三次修加工的總時(shí)間少于切加工。切加工后平均粗糙度為Ra3.01 μm，修一結(jié)束后為Ra1.90 μm，粗糙度系數(shù)增長量僅為0.26。從修一到修三，粗糙度降低到Ra0.99 μm，粗糙度系數(shù)增長量僅為Ra0.42 μm。由于切修加工的作用不同，當(dāng)在機(jī)床的工作能力范圍內(nèi)時(shí)，粗糙度值越低，修加工次數(shù)越多，加工時(shí)間越長，但每次修加工的時(shí)間相對于總時(shí)間增長比例較低。將表2 數(shù)據(jù)擬合，如圖1所示。

圖1 粗糙度及粗糙度系數(shù)關(guān)系

根據(jù)擬合函數(shù)可得對應(yīng)的粗糙度系數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)粗糙度系數(shù)

更換線切割機(jī)床，加工兩個(gè)相同的試驗(yàn)件，采用切一修三加工方式，數(shù)據(jù)擬合后可得，當(dāng)Ra1.6 μm時(shí)，k為1.41，Ra0.8 μm時(shí)，k為2.13。上述慢走絲切割實(shí)驗(yàn)表明，在機(jī)床工作能力范圍內(nèi)，增加修加工次數(shù)可以降低工件粗糙度值，修加工所用的時(shí)間占實(shí)際加工總時(shí)間比例較低，對慢走絲加工總時(shí)間影響不大。綜上所述，粗糙度系數(shù)取值可如表4所示。

表4 粗糙度系數(shù)

3 成本預(yù)測

待加工工件為一錐形工件，材料為黃銅，外形尺寸為50 mm×50 mm×100 mm，工件內(nèi)腔粗糙度為Ra0.8 μm，尺寸偏差為±0.02 mm，慢走絲線切割加工的內(nèi)腔面積S約為5000 mm2。實(shí)際加工過程中，加工單價(jià)P取100 元/h。一切多修加工，默認(rèn)選用機(jī)床推薦的參數(shù)，實(shí)際加工時(shí)間為3.96 h，實(shí)際單件支付加工費(fèi)用396 元。

成本預(yù)測時(shí)，加工單價(jià)P仍然取100 元/h，切割加工速度v取2000 mm2/h，若根據(jù)表4，k取2，將各系數(shù)值代入式（2）可得該產(chǎn)品的加工成本為500 元，誤差為26.26%。但對慢走絲線切割來說，黃銅屬于易加工材料，且該工件結(jié)構(gòu)常規(guī)不奇異，同樣條件下線切割銅的表面質(zhì)量比鋁合金等材料好，意味著加工達(dá)到同樣的粗糙度值，其粗糙度系數(shù)可以取更小，由表3可知，當(dāng)k取1.78時(shí)，誤差為12.37%。整體認(rèn)為，k取值應(yīng)小于1.78，誤差小于12.37%。

4 結(jié)語

本文以慢走絲加工成本預(yù)測為研究對象，引入粗糙度系數(shù)概念，將線切割加工總時(shí)間折算為與切加工相關(guān)的時(shí)間，并構(gòu)建了成本預(yù)測模型。最后運(yùn)用構(gòu)建的成本模型測算了某產(chǎn)品的加工成本，為慢走絲產(chǎn)品在加工前提供了合理快速的成本計(jì)算方法。但慢走絲線切割成本是一個(gè)系統(tǒng)性的研究課題，影響慢走絲線切割加工成本的因素還非常多，比如人力成本、環(huán)境成本，還有待加工零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等都會影響慢走絲加工的成本，本文并未將其全部考慮在內(nèi)，以后還有待進(jìn)一步研究。