往复走丝电火花线切割多次切割工艺试验

贾志新，刘译允，高坚强，黄磊阳

（1.北京科技大学机械工程学院，北京100083；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215128）



往复走丝电火花线切割多次切割工艺试验

贾志新1，刘译允1，高坚强2，黄磊阳1

（1.北京科技大学机械工程学院，北京100083；2.苏州新火花机床有限公司，江苏苏州215128）

摘要：对“中走丝”电火花线切割加工机床的多次切割工艺参数进行了研究，围绕脉宽、占空比、峰值电流、走丝速度等因素进行实验。采用综合评分法对实验数据进行处理，使多目标优化变为单目标优化。通过正交试验法优化出第二次切割和第三次切割的工艺参数，并进行验证。实验结果能为“中走丝”电火花线切割加工工艺提供参考。

关键词：中走丝；电火花线切割加工；多次切割；工艺试验

随着模具工业的发展及市场形势的需求，电火花线切割加工不仅要求切割速度快，还要求具有良好的加工表面质量。传统的往复走丝电火花线切割机床之所以没有取得明显的突破，究其原因是运丝系统没有根本性改进，而近年来有所发展的“中走丝”线切割机床由于受到结构的限制，加工精度也未得到明显提高。纵观我国的电火花线切割加工机床，并未按金属加工的一般原则进行加工，即将整个加工过程分为粗、中、细三档，故加工精度很难提高。“中走丝”线切割机床的多次切割工艺优势很明显，因此，本文对其进行试验研究，通过实验量化“中走丝”多次切割所能达到的工艺水平[1]。

1　实验方案

先进行二次切割多因素正交试验，得出二次切割优化结果并进行验证；再进行三次切割多因素正交试验，得出三次切割优化结果并进行验证。电火花线切割工艺的好坏更多地是由设备性能决定的，如果零件的加工需通过多次切割来完成，则必须兼顾切割速度和表面粗糙度这2项工艺指标，本文就以此来探究“中走丝”多次切割的工艺规律[2-3]。

实验采用综合评分法来评估各组合的优劣，从中选出较优的切割参数组合。综合评分法是根据每个实验指标重要程度的不同来分配权重系数，然后对各组实验进行相应的评分，评分公式为：式中：Wi为各组对应的加权综合评分；Mij为切割速度和表面粗糙度2个评价指标的各自得分；ωj为各指标权重。

这样，多指标问题就转化成为以实验综合得分为指标的单指标问题。

2　二次切割实验

2.1实验准备

二次切割实验选用厚40 mm的Cr12材料，在M332“中走丝”电火花线切割机床上进行，测量设备有表面粗糙度仪、浓度检测仪、数显千分尺等。

采用正交试验，因素有4个，分别为：走丝速度（A）、峰值电流（B）、脉宽（C）及占空比（D）。由于走丝速度的水平数为3个，其余均为4个，没有合适的正交试验表可选，故用拟水平法将认为可能较合适的走丝速度2.2 m/s重复一次，凑成四水平，从而选用较合适的正交表L16（45），第5列不使用（表1）。

表1　二次切割正交试验因素水平表

在二次切割前，第一刀切割选用单次切割正交优化所得的参数为：脉宽30 μs，占空比1∶4，峰值电流45 A，走丝速度6.6 m/s。第二刀的理论修刀量为45 μm。

2.2实验数据分析

第二次切割作为第一次切割和第三次切割之间的一次过渡，其主要作用是修正，在提高加工精度的同时，保证较高的表面质量和加工速度。因此，第二次切割的优化工作可采用评分法进行较简单的优选，得出一组加工速度较高、表面粗糙度值较低的参数组合。

二次切割正交试验结果见表2，以最高切割速度481.93 mm2/min作为切割速度基准1，以最佳表面粗糙度Ra1.791 μm作为表面粗糙度基准1，Mi1为各实验结果的切割速度与切割速度基准1的比值，Mi2为各实验结果的表面粗糙度值与表面粗糙度基准1的比值的相反数。由于越往后的刀次，其表面粗糙度的权重越高，故多次切割的第二次切割权重分配为切割速度40 %、表面粗糙度60 %，所得加

式中：Wi为第二次切割各组对应的加权综合评分；vwi为第二次切割的切割速度；Ra为第二次切割的表面粗糙度[4]。权综合评分记为Wi。因此，二次切割实验各组的加工结果所对应的综合加权计算公式为：

表2　二次切割正交试验结果

由表2所示的加权综合评分可看出，得分最高的为第11组，所以第二刀切割应选用该组对应的参数设置，即走丝速度4.4 m/s，峰值电流15 A，脉宽5 μs，占空比1∶5。优化结果见表3。

表3　二次切割优化电参数

对综合评分法得出的优化方案进行3次样件切割验证实验，测量结果为：二次切割的平均切割速度为318.60 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值为Ra2.000 μm；对该结果进行综合评分为-0.406，高于表2所示的其余15组方案，表明该优化参数组合能稳定地实现较优的二次切割工艺。同时，与第一次切割所得的切割速度50.28 mm2/min、表面粗糙度Ra2.79 μm相比，明显效率更高、表面质量更好。

3　三次切割实验

3.1实验准备

三次切割实验选用厚20 mm的Cr12材料，在M332“中走丝”电火花线切割机床上进行，测量设备有TR210表面粗糙度仪、浓度检测仪及千分尺。

本实验的目的是建立相应的修刀加工工艺数据库，优化出一组或多组能保证较优表面粗糙度的修刀参数。为此设计了正交试验，其因素水平见表4。其中，占空比的水平数为4个，其余因素的水平数为2个，故选用正交表L8（4×24）进行正交试验，第5列不使用。

表4　三次切割正交试验因素水平表

按表3所示的参数进行第一次、第二次切割。因为第三次切割的主要作用是修光，使工件表面粗糙度值达到尽可能低的水平，同时仅需保证能进行连续稳定的放电加工即可，所以三次切割实验选用较小的理论修刀量（5 μm）和较小的脉冲能量。

3.2实验数据分析

三次切割正交试验结果见表5，以最高切割速度300 mm2/min作为切割速度基准1，以最佳表面粗糙度Ra1.24 μm作为表面粗糙度基准1，Mi1为各实验结果的切割速度与切割速度基准1的比值，Mi2为各实验结果的表面粗糙度与表面粗糙度基准1的比值的相反数。由于第三次切割主要考虑表面粗糙度，所以切割速度权重系数为30 %，表面粗糙度权重系数为70 %，则所得加权综合评分Wi为：

式中：Wi为第三次切割各组对应的加权综合评分；vwi为第三次切割的切割速度；Ra为第三次切割的表面粗糙度。

对加权得分进行极差分析，结果见表6。可看出，因素A应取1水平，因素B应取1水平，因素C应取1水平，因素D应取2水平，即最优组合为A1B1C1D2。此时，综合评分最高，切割效果最佳。

三次切割的优化结果见表7。对其进行验证发现，第三刀平均切割速度为170.5 mm2/min，加工工件总体平均切割速度（即加工工件的表面积与总时间的比值）为55.08 mm2/min，加工表面粗糙度的平均值为Ra1.15 μm。该结果的综合得分为-0.479，高于表5所示的8组方案，表明该参数组合能稳定地实现较优的三次切割工艺。和之前所做的一次切割与二次切割实验相比，切割总效率有所提高，表面粗糙度Ra1.15 μm已达到传统机械精加工的精度范畴。

表5　三次切割正交试验结果

表6　三次切割综合得分极差分析表

表7　三次切割优化电参数

通过优化工艺参数来满足“中走丝”电火花线切割加工需求，能极大地提高机床加工精度，丰富线切割工艺数据库[5]。

4　结论

（1）本文对“中走丝”电火花线切割多次切割工艺参数进行优化，运用综合分析法得出第二次切割和第三次切割的较优工艺参数，并进行了验证。

（2）二次切割最优方案中，第二刀切割速度达到312.5 mm2/min，总体平均切割速度为78.49 mm2/ min，表面粗糙度的平均值达到Ra1.97 μm。

（3）三次切割最优方案中，第三刀切割速度达到170.5 mm2/min，总体平均切割速度为55.08 mm2/ min，表面粗糙度可达Ra1.15 μm。

（4）通过多次切割工艺参数的优化，得出既能保证表面粗糙度、又能提高加工速度的参数，为“中走丝”电火花线切割加工工艺提供指导。

参考文献：

[1]李明辉，杨振步，蒋文英.中走丝电火花线割机的特点与发展趋势[J].航空制造技术，2011（8）：32-35.

[2]刘志东，俞容亨.高速走丝电火花线切割机床多次切割的实现[J].中国机械工程，2007，18（20）：2410-2413.

[3]齐文春，麻长平，高坚强.基于多次切割工艺的第一次切割参数优化策略研究[J].电加工与模具，2012（3）：50-53.

[4]宋华斌，李玉贵.论正交法与三次设计中的综合评分[J].数理统计与管理，1994，13（5）：36-40.

[5]朱宁，叶军，韩福柱，等.电火花线切割加工技术及其发展动向[J].电加工与模具，2010（增刊）：53-63.

Repeated Cutting Process Experiment of Reciprocating Traveling WEDM

Jia Zhixin1，Liu Yiyun1，Gao Jianqiang2，Huang Leiyang1
（1. School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2. Suzhou New Spark Machine Tool Co., Ltd.，Suzhou 215128，China）

Abstract：The repeated cutting process parameters of middle speed wire eletrical -discharge machines are studied. Four factors such as pulse width，duty cycle，peak current and wire speed are adopted in the process. The comprehensive scoring method is used to deal with the data，which makes the multi objective optimization to turn into the single objective optimization. The technological parameters of the second cutting and third cutting are optimized by orthogonal test，and the process parameters are verified. The experimental results can provide reference for middle speed WEDM process.

Key words：middle speed；WEDM；repeated cutting；process test

第一作者简介：贾志新，男，1968年生，教授。

收稿日期：2015-09-11

中图分类号：TG661

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）01－0055-04