王 檸, 孫倫業(yè)

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

鈦合金作為一種特殊的金屬材料,具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等突出優(yōu)點,在航空航天領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備、深海裝備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,鈦合金的超強(qiáng)硬度使其機(jī)械加工面臨較大的挑戰(zhàn),電火花線切割憑借加工范圍廣、材料利用率高、再鑄層等熱影響區(qū)可控性好等技術(shù)優(yōu)勢,成為了鈦合金加工的優(yōu)選方法,相關(guān)研究人員為此開展了一系列研究。薛榮媛[1]研究了工作介質(zhì)的電導(dǎo)率、氧化性和粘度因素對鈦合金電火花加工過程中的加工效率、電極相對損耗率以及表面粗糙度Ra的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上探索出一種具有優(yōu)化放電特性的復(fù)合加工液。唐霖等[2]基于信噪比和灰關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的方法,簡化問題后的加工參數(shù)能夠提高鈦合金電火花加工效率和表面粗糙度、減小電極損耗。高淑娟[3]開展了Ti-6Al-4V鈦合金電火花線切割加工試驗,研究發(fā)現(xiàn)通過改變電參數(shù)可使電火花線切割加工表面呈現(xiàn)出不同的顏色。常偉杰等[4]對TC4鈦合金電火花加工進(jìn)行正交試驗,對加工表面的規(guī)則花紋進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)花紋的周期與絲筒換向周期一致,花紋面積與換向、積碳、排屑不充分等原因有關(guān)。鄧鵬等[5]通過單因素試驗以及正交試驗,分析了電參數(shù)對鈦合金性能指標(biāo)的影響,發(fā)現(xiàn)材料去除率與表面粗糙度是互相對立的影響指標(biāo)。會隨著電參數(shù)的改變,產(chǎn)生不同的變化。Sonawane S A等[6]開展了Ti - 6Al - 4V電火花線切割加工時的多質(zhì)量特性優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)在高脈沖周期和放電電流下,切削表面會形成深坑、碎屑球、空洞和微裂紋,惡化表面光潔度。Gupta Nitin Kumar等[7]采用電火花線切割加工退火態(tài)鈦合金時獲得的切削速度比加工純態(tài)、淬火態(tài)和淬硬態(tài)鈦合金時獲得的切削速度大,最大切削速度為1.75 mm / min。Sachin Ashok Sonawane等[8]采用L27正交試驗,改變脈寬、脈沖間隔等因素,研究參數(shù)組合對表面粗糙度、切割速度和金屬去除率的影響。掃描電子顯微鏡對切割表面的分析顯示,在脈寬最大時有裂紋,微孔和蝕坑出現(xiàn)。

針對TC4鈦合金作為研究對象,針對其電火花線切割過程中棱角質(zhì)量缺損這一常見問題,開展棱角切割試驗,分析棱角處缺損面積隨參數(shù)變化規(guī)律,通過對切割棱角的缺損面積和表面形貌進(jìn)行表征,得出棱角缺損面積的主次影響因素為通道、脈寬、跟蹤、絲速,優(yōu)化結(jié)果表明脈寬為9μs,跟蹤值為4,通道為5個,運絲速度為50m/min時的棱角缺損面積最小;在脈寬為32μs,跟蹤值為2,通道為7,運絲速度為50m/min時,材料切割速度最快。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備與材料

實驗采用DK7732ZT中走絲電火花線切割機(jī)床如圖1所示,電極絲為直徑0.18mm的鉬絲。使用TD4-KP顯微鏡,在1000倍下觀測零件的表面形貌并標(biāo)記缺損形態(tài)。使用FlexSEM 1000掃描電鏡對零件表面形貌進(jìn)行觀察,分析不同參數(shù)加工的差異。

圖1 電火花線切割加工現(xiàn)場圖

TC4鈦合金工件尺寸為14mm×9.5mm×10mm,各個棱角角度分別為15°,30°,45°,60°,90°,120°,135°如圖2所示。

圖2 加工工件

1.2 試驗方案與檢測

設(shè)計四水平、四因素的正交試驗,將脈寬、跟蹤、通道和絲速作為四個因素,找出代表性的四個水平值,設(shè)計正交試驗的加工參數(shù)表,如表1所示。

表1 正交試驗參數(shù)表

上表中選取的四個因素四個水平,為了更加準(zhǔn)確地表現(xiàn)每個因素的顯著性,設(shè)置的正交試驗表為L16(45)型,在最后一列設(shè)置空值,并且不考慮脈寬、跟蹤、通道及絲速的互相影響關(guān)系,設(shè)置的正交表如表2所示。

表2 正交試驗表

通過正交試驗設(shè)計不同的參數(shù)組合,降低實驗的次數(shù)與難度,避免重復(fù)試驗。通過方差與極差分析方法研究各參數(shù)對于棱角缺損面積和加工速度的影響程度,找到最佳的參數(shù)組合。

2 試驗結(jié)果

由于切割之后的棱角缺損形狀極不規(guī)則,此時為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要對試驗缺損面積進(jìn)行圖像處理,采用Visual Studio Code軟件對缺損處進(jìn)行面積計算。對各參數(shù)組合下的缺損面積進(jìn)行準(zhǔn)確測量,首先需要對缺損處進(jìn)行填充處理,將棱角為30°,脈寬為9μs,跟蹤值為4,通道數(shù)為5個,絲速為40m/min時的面積模型作為軟件上的圖像面積,確定測量面積與顯微鏡下實際拍攝圖像的比例大小,然后輸出測量面積。如圖3-圖9所示為寬9μs,跟蹤值2,通道數(shù)4個,絲速30m/min的缺損面積測量值,各參數(shù)下的面積缺損也依次按照本方法求得。

圖3 棱角為15°的缺損圖

圖4 棱角為30°的缺損圖

圖5 棱角為45°的缺損圖

圖6 棱角為60°的缺損圖

圖7 棱角為90°的缺損圖

圖8 棱角為120°的缺損圖

將顯微鏡下觀測圖片對缺損面積進(jìn)行描邊處理,然后通過Visual Studio Code軟件進(jìn)行圖像處理及程序編寫進(jìn)而運行解得缺損面積。切割棱角為15°時的缺損為0.0054mm2;切割棱角為30°時的缺損為0.039mm2;45°時的缺損為0.078mm2;棱角為60°時的缺損為0.067mm2;90°時的缺損為0.059mm2;120°時的缺損為0.060mm2;135°時的缺損為0.073mm2。以此求得在脈寬為9μs,跟蹤值為4,通道為5個,絲速為40 mm2/min時的缺損面積,算得此參數(shù)下的總?cè)睋p面積為0.450 mm2。各參數(shù)下的面積缺損如上述計算方法求得,將求得的缺損面積填入如表3所示的正交試驗結(jié)果表中。

圖9 棱角為135°的缺損圖

表3 正交試驗結(jié)果

3 極差分析

3.1 面積極差分析

通過極差分析方法分析脈寬、跟蹤、通道和絲速對加工零件的切割速度和拐角處缺損面積的影響。極差的數(shù)值越大,代表此因素對于零件拐角處缺損面積的影響越顯著。通過計算得到RA=0.175,RB=0.120,RC=0.177,RD=0.077。顯然RC>RA>RB>RD,所以對于缺損面積的影響主次順序為:C通道、A脈寬、B跟蹤、D絲速。通過對每一列因素的水平號的實驗結(jié)果,求得每一列因素水平的算數(shù)平均值來優(yōu)化試驗方案。在材料進(jìn)行缺損面積參數(shù)優(yōu)化時,選擇的最優(yōu)參數(shù)是脈寬為9μs,跟蹤值為4,通道為5個,運絲速度為50m/min。記Ki為計算求得每一列水平對應(yīng)的試驗結(jié)果之和,ki為每列水平的算數(shù)平均值,試驗結(jié)果分析如表4所示。在此參數(shù)下的試驗材料缺損面積為0.032mm2。

表4 缺損試驗結(jié)果優(yōu)化分析

根據(jù)K值繪制四個因素對缺損面積的主效應(yīng)圖,主效應(yīng)圖的斜率大小反映影響缺損面積的主次順序:斜率越大,影響程度越大;斜率越小,影響程度越小[9-12]。主效應(yīng)圖的繪制需要設(shè)置相同的縱坐標(biāo)間隔和大小,才能更直觀反映影響的主次順序,首先對脈寬、跟蹤、通道、絲速進(jìn)行主效應(yīng)圖的繪制如圖10所示。

圖10 四因素主效應(yīng)圖

從圖10中可明顯看出,通道的折線斜率最大略大于脈寬的主效應(yīng)圖中的斜率,脈寬主效應(yīng)圖斜率遠(yuǎn)大于跟蹤,跟蹤主效應(yīng)圖斜率略大于絲速的曲線斜率,所以對于缺損面積的影響,通道的影響最大,脈寬的影響次之,跟蹤影響較前兩個略小,絲速的影響最小。

3.2 切割速度極差分析

通過計算得到RA=7.55,RB=0.7,RC=2.3,RD=0.1。從數(shù)值可以看出,RA>RC>RB>RD,所以對于切割速度的影響主次順序為:A脈寬、C通道、B跟蹤、D絲速。在材料進(jìn)行切割速度參數(shù)優(yōu)化時,選擇的較優(yōu)參數(shù)為A3B1C4D1,此時的脈寬為32μs,跟蹤值為2,通道為7,運絲速度為50m/min,試驗結(jié)果分析如表5所示,此參數(shù)下的試驗材料切割速度為9.7mm2/min,優(yōu)于表中最高的9.5mm2/min,因此該試驗方案為最優(yōu)方案。

表5 切割速度試驗結(jié)果優(yōu)化分析

對脈寬、跟蹤、通道、絲速進(jìn)行主效應(yīng)圖的繪制如圖11所示。從圖中斜率可以明顯看出,主效應(yīng)圖中,脈寬的斜率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通道,通道的斜率略大于跟蹤,跟蹤的主效應(yīng)圖斜率遠(yuǎn)大于絲速,所以四個因素對TC4鈦合金材料切割速度的影響主次順序可以得出結(jié)論,A脈寬>C通道>B跟蹤>D絲速。

圖11 四因素主效應(yīng)圖

4 方差分析

采用方差分析法,將四個因素對于材料切割速度和缺損面積的影響程度的顯著性做出分析和計算,對材料的切割速度和拐角處的缺損面積進(jìn)行分析,判斷脈寬、跟蹤、通道和絲速四個因素對試驗影響的顯著性,結(jié)合極差分析做出更具說服力和科學(xué)性的分析。方差分析包括離差平方和的計算、自由度的計算、平均離差平方和的計算、F值的計算以及檢驗四因素的顯著性。

表6 切割速度方差分析

通過表6可以看出,脈寬對于TC4鈦合金材料切割速度具有最顯著的影響,通道對TC4鈦合金材料切割速度的影響顯著,跟蹤的影響較為顯著,絲速對于材料切割速度影響程度較小。與極差分析結(jié)果基本吻合,方差分析的影響顯著程度與極差分析的主次順序一致,說明在進(jìn)行TC4鈦合金材料切割時要優(yōu)先選擇并調(diào)整脈寬及通道的參數(shù)。

表7 缺損面積方差分析

通過表7可以看出,通道對于TC4鈦合金材料切割缺損面積具有最顯著的影響,脈寬對TC4鈦合金材料缺損面積的影響顯著,跟蹤的影響較為顯著,絲速對于材料缺損面積影響程度較小。與極差分析結(jié)果基本吻合,方差分析的影響顯著程度與極差分析的主次順序一致,說明在進(jìn)行TC4鈦合金材料切割時要優(yōu)先選擇并調(diào)整通道及脈寬的參數(shù)。

5 結(jié) 論

通過設(shè)計正交試驗及對試驗結(jié)果的極差、方差分析,研究各因素對于試驗結(jié)果的影響,并做出優(yōu)化方案。研究結(jié)論如下:

(1)在鈦合金缺損面積極差和方差分析中,極差結(jié)果顯示RC>RA>RB>RD,所以主次影響順序為C通道、A脈寬、B跟蹤、D絲速,優(yōu)化結(jié)果脈寬為9μs,跟蹤值為4,通道為5個,運絲速度為50m/min時,缺損面積最小為0.032mm2;方差分析結(jié)果與極差相符,C通道的影響最為顯著,其次為A脈寬和B跟蹤,D絲速的影響程度最不顯著。

(2)在鈦合金材料切割速度極差和方差分析中,極差結(jié)果顯示RA>RC>RB>RD,所以主次影響順序為A脈寬、C通道、B跟蹤、D絲速,優(yōu)化結(jié)果脈寬為32μs,跟蹤值為2,通道為7,運絲速度為50m/min時,材料切割速度最快為9.7mm2/min;方差結(jié)果顯示與極差也相符,A脈寬的影響最為顯著,其次為C通道和B跟蹤,D絲速的影響程度最不顯著。