摘 要：本文利用現(xiàn)有的線切割加工測(cè)試平臺(tái)，對(duì)放電參數(shù)、工作液、鉬絲工藝型號(hào)、鉬絲直徑、工件厚度等單因素進(jìn)行摸索研究，并在此基礎(chǔ)上以工件厚度、工作液濃度以及鉬絲直徑為影響因子，以加工效率為反應(yīng)值進(jìn)行DOE（正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法）試驗(yàn)，由此得出提升加工效率的優(yōu)化途徑。通過(guò)本次研究，可以在線切割加工過(guò)程中，采用切割條件應(yīng)用優(yōu)化方式來(lái)提升切割效率，給后續(xù)提供實(shí)際工程化應(yīng)用的參考案例。

關(guān)鍵詞：電火花線切割加工；切割條件；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法

中圖分類號(hào)：TG 48" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

用鉬絲切割機(jī)床加工是鉬在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用之一，線切割加工也稱“電火花加工”（Electrical Discharge Machining，EDM）是利用放電腐蝕原理切除材料的一種先進(jìn)且高精度的加工方法[1]。其基本原理是使工件和電極之間產(chǎn)生連續(xù)脈沖放電，利用放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫將金屬工件按工藝要求熔化后切除，非常適合傳統(tǒng)加工方法較難切削的導(dǎo)電材料、特殊及復(fù)雜形狀的零件加工。

1 電火花線切割技術(shù)的工作原理

電火花線切割技術(shù)是在電腐蝕原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)工具電極連接脈沖電源的負(fù)極，工件連接脈沖電源的正極，工件與工具電極之間加入工作介質(zhì)（工作液），然后脈沖電源輸出脈沖，在脈沖電場(chǎng)的作用下，工件與電極絲之間的工作介質(zhì)被電離擊穿，在電極絲和工件之間產(chǎn)生火花放電，工具電極連續(xù)往復(fù)移動(dòng)，工作臺(tái)在水平面內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)（X、Y）方向進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，蝕除多余的金屬，從而達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量等預(yù)定的加工要求[2]。電火花線切割加工原理如圖1所示。

2 試驗(yàn)方法

以現(xiàn)有的線切割加工測(cè)試平臺(tái)為基礎(chǔ)研究條件，分別對(duì)放電參數(shù)、工作液、鉬絲工藝型號(hào)、鉬絲直徑、工件厚度等因素進(jìn)行摸索，并進(jìn)行相應(yīng)的DOE試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件及指標(biāo)說(shuō)明如下。

2.1 測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)條件

機(jī)床：機(jī)床DK系列、?0.18mm鉬絲 、工件材質(zhì)為45號(hào)鋼、工件厚度為100mm。

工作液：工作液配比（液∶水）為1∶11、電壓90V、跟蹤檔位為中速檔。

2.2 主要的測(cè)試指標(biāo)說(shuō)明

2.2.1 絲材延伸量

絲材延伸量是指電火花線切割加工過(guò)程中，鉬絲在切割一定面積（文中為10000mm2）后的伸長(zhǎng)量。

2.2.2 絲損面積數(shù)

絲損面積數(shù)是指電火花線切割加工過(guò)程中，鉬絲損耗一定直徑所切割的面積數(shù)，為了統(tǒng)一比較，文中均以鉬絲從新絲使用開(kāi)始，損耗一絲（0.01mm）所切割面積數(shù)（萬(wàn)mm2）來(lái)表示。

2.2.3 切縫寬度

切縫寬度是指電火花線切割加工過(guò)程中，經(jīng)加工后工件的切割縫隙寬度，為了統(tǒng)一比較，文中均按照工件切割前后的重量差，并根據(jù)密度公式換算經(jīng)切割蝕除的工件體積，再根據(jù)切割面積計(jì)算切縫寬度（厚度）。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從參與電火花線切割加工的主要因素（放電參數(shù)、工作液濃度配比、鉬絲工藝型號(hào)、鉬絲直徑、工件厚度等）對(duì)線切割效率影響和主要因素間組合（工件厚度、工作液濃度、鉬絲直徑）對(duì)切割效率交互影響這兩個(gè)方面來(lái)詳細(xì)說(shuō)明實(shí)際工程應(yīng)用中加工效率影響因素及優(yōu)化途徑。

3.1 單因素影響結(jié)果分析

文中選取了放電參數(shù)、工作液濃度配比、鉬絲工藝型號(hào)、鉬絲直徑以及工件厚度來(lái)進(jìn)行測(cè)試說(shuō)明。

3.1.1 放電參數(shù)

根據(jù)測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)條件，摸索放電參數(shù)與切割電流之間的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表1。

在選定最大脈寬、最大功放前提下，隨著脈間調(diào)小，切割電流就逐步變大；電火花線切割加工過(guò)程中，由于多個(gè)脈沖放電累積會(huì)導(dǎo)致工件材料出現(xiàn)蝕除[3]，因此，線切割加工效率與脈沖能量是直接相關(guān)的，而脈沖能量取決于放電電壓、放電電流、放電持續(xù)時(shí)間。脈寬增加、功放加大、脈間調(diào)小可以有效使放電電流變大，即有效提升累積脈沖能量，可以提升加工效率。

3.1.2 工作液濃度

基礎(chǔ)測(cè)試條件：設(shè)備一致、跟蹤檔位一致、工件為45號(hào)鋼、厚度為100mm ，放電參數(shù)：脈寬為60μs、脈間為7（X）、功放管個(gè)數(shù)為4。通過(guò)調(diào)整不同的工作液與水配比，進(jìn)行切割測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，隨著工作液與水配比提升，加工效率與絲損面積數(shù)（新絲的一絲損耗切割面積數(shù)，以萬(wàn)mm2/絲計(jì)量）均能得到提升。

3.1.3 鉬絲型號(hào)

與鎢鉬行業(yè)普遍采用旋錘及后續(xù)拉拔的傳統(tǒng)工藝相比，采用軋制開(kāi)坯技術(shù)制備的線切割鉬絲在切割過(guò)程相關(guān)指標(biāo)方面（例如1萬(wàn)mm2絲材延伸量、絲損面積數(shù)、切縫寬度等）均有一定優(yōu)勢(shì)。而在同樣采用軋制開(kāi)坯技術(shù)的前提下，“S”形、“T”形的型號(hào)鉬絲采用兩輥大變形量軋制技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)又比采用“Y”形軋機(jī)技術(shù)更大，因?yàn)椴捎脙奢伌笞冃瘟寇堉萍夹g(shù)制備的鉬盤(pán)圓（桿材原料）其組織的晶粒度、晶粒均勻度及纖維組織的發(fā)育程度均優(yōu)于采用“Y”形軋機(jī)技術(shù)[4]，所以后續(xù)所制備的“S”形、“T”形線切割鉬絲成品也具有更高的室溫及高溫強(qiáng)度，特別是“T”形鉬絲，這種優(yōu)勢(shì)更加明顯，由于高溫強(qiáng)度更高，因此在相同的電火花線切割加工應(yīng)用條件下（例如切割電流接近、工件厚度接近、工作液濃度配比接近等），鉬絲高溫受熱延伸量少、絲材直徑變化小、切縫寬度大，切縫寬度大使工作液更容易深入放電通道，可以保證排屑及冷卻能力，因此，相關(guān)的切割過(guò)程指標(biāo)包括加工效率也更優(yōu)越。

3.1.4 鉬絲直徑

在測(cè)試過(guò)程中，?0.18mm規(guī)格的鉬絲切割電流為9A、10A以及?0.20mm規(guī)格的鉬絲在切割電流為11A過(guò)程中，均有斷絲現(xiàn)象，為了分析斷絲原因，需要對(duì)斷口形貌進(jìn)行SEM（掃描電鏡觀察）和能譜分析。

隨著鉬絲規(guī)格增加，鉬絲可以穩(wěn)定切割的最大切割電流也會(huì)逐步提升，加工效率也會(huì)隨之提升[5]，將0.18mm規(guī)格與0.22mm規(guī)格數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，0.22mm穩(wěn)定切割的加工效率（13483.1 mm2/h）比0.18mm的加工效率（8865.1 mm2/h）提升了52.09%。從切縫數(shù)據(jù)看，0.22mm的切縫達(dá)到了0.33mm，比其他兩個(gè)規(guī)格更能進(jìn)行良好排屑，也為能在12A電流前提下進(jìn)行穩(wěn)定切割加工提供基礎(chǔ)。

在高電流前提下（例如0.18mm規(guī)格在8.5A以上、0.20mm規(guī)格在10A以上）均出現(xiàn)鉬絲斷絲現(xiàn)象，借助SEM（掃描電鏡）觀察，其斷口形貌均表現(xiàn)為高溫電蝕脆性斷口，另外，從0.20mm規(guī)格斷口的能譜分析可以看出，鉬基體上黏附工件材料，這也說(shuō)明蝕除物沒(méi)有順利排出，導(dǎo)致工件與鉬絲的放電間隙因蝕除物堆積變小引起異常放電，一旦出現(xiàn)異常放電狀態(tài)會(huì)因極間高溫導(dǎo)致工作液汽化失效，不能有效冷卻與順利排屑，進(jìn)而出現(xiàn)工件燒傷及鉬絲燒蝕甚至燒斷現(xiàn)象。

3.1.5 工件厚度

在測(cè)試過(guò)程中，工件厚度為100mm、切割電流為7.8A，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，工件厚度為150mm、切割電流為7.9A，出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。為了分析其斷絲原因，需要對(duì)斷口形貌進(jìn)行SEM（掃描電鏡觀察）分析，同時(shí)，為了比較不同工件厚度在不同脈間設(shè)置條件下的具體排屑情況，也要對(duì)切割后工件表面進(jìn)行觀察，以是否有燒傷條紋來(lái)評(píng)判切割過(guò)程的排屑情況。

從斷口形貌分析看，當(dāng)工件厚度為100mm、切割電流為7.8A時(shí)，鉬絲斷口形貌為徑縮斷口，說(shuō)明在大能量、高工件切割的情況下，如果脈間選擇較小，那么蝕除物無(wú)法順利排出，極間工作液汽化嚴(yán)重，無(wú)法起到冷卻作用，因此，鉬絲因承受放電高溫而沒(méi)有得到有效冷卻而出現(xiàn)高溫延伸斷絲現(xiàn)象，當(dāng)工件厚度為150mm、切割電流為7.9A時(shí)，鉬絲斷口形貌為高溫電蝕斷口，這也是在大能量、高工件切割的前提下，脈間過(guò)小，蝕除物堆積嚴(yán)重，鉬絲與工件間放電間隙過(guò)小，出現(xiàn)拉弧甚至短路現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生高溫電蝕斷絲。

從切割工件表面看，在大能量切割前提下，脈間選擇過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)燒傷紋，而通過(guò)脈間調(diào)大，燒傷紋現(xiàn)象消除，并且工件厚度越大，所需脈間也會(huì)相應(yīng)增加[6]。

3.2 DOE（正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法）測(cè)試

為了進(jìn)一步了解參與電火花線切割加工幾個(gè)主要因素之間的聯(lián)系及交互影響作用，便于尋求在組合條件下較佳提升切割效率的途徑，以工件厚度、工作液濃度以及鉬絲直徑為影響因子，以加工效率為反應(yīng)值進(jìn)行DOE（正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法）試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)如下。

3.2.1 三因子DOE試驗(yàn)方案

按照DOE設(shè)計(jì)方案，選定工件厚度、工作液濃度、鉬絲直徑這3個(gè)影響因子，各因子對(duì)應(yīng)相應(yīng)水平以及具體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

3.2.2 DOE試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，輸出54組試驗(yàn)條件，并安排進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試，在試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)中，P值均小于0.05，且R-Sq（調(diào)整）=97.51%，說(shuō)明已經(jīng)找到顯著因子及相互作用關(guān)系，模型分析無(wú)須再簡(jiǎn)化。因此，根據(jù)三因子DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行因子間交互作用以及因素組合主效應(yīng)分析，分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2可知，從工件厚度與工作液濃度的交互關(guān)系看，當(dāng)工件厚度為 50～100mm時(shí)，隨著工作液濃度增加，其加工效率提升明顯，但是當(dāng)工件厚度達(dá)到150mm時(shí)，增加濃度配比會(huì)使加工效率提升幅度變小，總體看，工作液濃度配比增加均能提升不同厚度工件的加工效率，從工件厚度與鉬絲直徑的交互關(guān)系看，與厚度100mm相比，50mm與150mm對(duì)鉬絲直徑變化較敏感，即在這個(gè)厚度范圍，鉬絲直徑增加，加工效率提升效果明顯。從鉬絲直徑與工作液濃度的交互關(guān)系看，當(dāng)鉬絲直徑為0.20mm時(shí)，濃度明顯增加，綜上所述，工作液濃度增加、鉬絲直徑增加均會(huì)提升加工效率，在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)工件厚度為 50～100mm時(shí)，可以根據(jù)耗材實(shí)際成本來(lái)選擇相應(yīng)的濃度配比與鉬絲直徑，一旦工件厚度超過(guò)100mm，建議通過(guò)增加鉬絲直徑與加大工作液濃度配比，來(lái)提升加工效率。

由圖3可知，高效率的因素較佳組合如下。1）鉬絲直徑優(yōu)選0.20mm。2）工作液濃度優(yōu)選20%。3）根據(jù)實(shí)際切割的厚度需求選擇工件厚度，一般來(lái)講，50～100mm差異不大，但是超過(guò)150mm后效率會(huì)降低較多。

通過(guò)本次DOE試驗(yàn)的最后模式與預(yù)期值得知，提升加工效率的因素組合：工件厚度為50mm、工作液濃度為20%、鉬絲直徑為0.20mm。

總趨勢(shì)：工件厚度增加，加工效率下降，可以通過(guò)增加工作液濃度和鉬絲直徑的方式提升效率。

以上工件厚度、工作液以及鉬絲直徑的三因子DOE試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著工件厚度增加，加工效率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可以采用增加工作液濃度及鉬絲直徑的方式使加工效率提升。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究系統(tǒng)探討了電火花線切割加工中切割條件的應(yīng)用及其對(duì)加工質(zhì)量的影響。通過(guò)試驗(yàn)與分析，深入理解了放電參數(shù)、工作液、鉬絲工藝型號(hào)、鉬絲直徑、工件厚度等因素對(duì)切割質(zhì)量的重要性和影響機(jī)制。優(yōu)化這些切割條件能顯著提高加工效率和精度，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供重要的技術(shù)支持。

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