纯铜窄缝式电极电火花线切割加工试验研究

李文明，张五金，黎 振

（1.天津理工大学中环信息学院机械工程系，天津300380；2.天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222）

1 引言

电火花成形加工中，纯铜加工稳定性好，是目前在电加工领域应用最多的电极材料。针对微尺度凸起结构的制造，采用窄缝式电极代替凹槽式电极成形的工艺方法，能够较大程度降低电极的制造难度，文献[1]利用窄缝式电极电火花成形出用于注塑成型聚合物微流控芯片的微凸起结构的模具镶块。

然而对于窄缝式电极的制作，电火花线切割具有独特的优势。多次切割是保证能够加工出符合加工质量要求的重要技术手段[2]，其中第一次切割将窄缝切开，后续切割用于加工尺寸的修整和加工表面的修光。电火花线切割加工窄缝电极时，第一次切割的窄缝宽度越小，那么越可以为后续加工留取充足的加工余量，从而保证窄缝式电极的加工质量。

对于电火花线切割加工工艺规律的试验研究，国内外学者已取得一定研究成果。文献[3]在中走丝电火花线切割机床上切割高速钢，发现加工限速是影响表明粗糙度的主要因素。文献[4]在高速走丝电火花线切割机床上切割Cr12MoV，得出峰值电流和脉宽时间对材料去除率和切割表面粗糙度影响最大。文献[5]在慢走丝电火花线切割机床上研究TC2 材料的切割性能，得出电参数比非电参数对加工时间和切割表面质量影响要大，其中峰值电流的影响最大。文献[6]在微细电火花线切割机床上研究了Ti6Al4V材料的切割性能，得出电容对材料去除率和切割表面粗糙度影响最大。各学者主要集中在电火花线切割对加工效率和加工表面质量的研究，对切缝宽度的研究，尤其对电极材料切缝的研究，现报道比较匮乏，因此，选取峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔、开路电压主要电参数进行了正交试验，对纯铜窄缝式电极的切缝宽度、切割速度多工艺目标采用信噪比和灰色关联度分析方法进行组合参数优化，旨在探索电参数与切缝宽度、切割速度之间的影响规律，为实际纯铜窄缝式电极的制作提供理论指导。

2 试验设计

试验选取主要电参数中的脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流和间隙电压作为试验因素，以稳定切割的原则设置电参数，如表1所示。设计了L16（45）的正交试验。

表1 试验因素与水平设置Tab.1 Experiment Factors and Levels Set

表中：Ip—峰值电流；U—间隙电压数值，只表示相应档位，非参数实际值；档位越高，相应参数实际值越大。

在AR2300 中走丝电火花线切割机床上进行试验，如图1所示。

图1 AR2300 中走丝电火花线切割机床Fig.1 Medium-Speed WEDM of AR2300

考虑中走丝电火花线切割在加工过程存在电极丝损耗现象，本试验之前进行φ0.18mm 钼丝的更换，每参数设置状态下都按照试验序号1 至16、16 至1 的顺序各进行两次，如表2 所示。以减小由于电极丝损耗带来的切缝宽度和切割速度的试验误差，也可以减小其他随机干扰因素带来的试验误差。试验材料为纯铜，切缝长度10mm、厚度5mm；在每个切缝上均匀选取三个相同位置，运用TF-510 工具显微镜测量切缝宽度，取三次测量的平均值作为本次线切割试验的结果，如图2 所示。每一次试验的切割速度为切缝表面积与机床记录切割时间的比值。

表2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal Test Results

图2 TF-510 工具显微镜Fig.2 Tool Microscope of TF-510

3 试验结果分析

3.1 信噪比分析

采用信噪比的方法对试验数据进行分析处理，在分析试验因素影响的同时也将试验随机干扰的因素考虑进去，提高试验结果的准确性。本试验切缝宽度，希望越小越好，具有望小特性，试验结果由式（1）[7]计算，其值越大，切缝宽度越小；切割速度，希望越大越好，具有望大特性，试验结果由式（2）计算，其值越大，切割速度越大。试验结果信噪比值，如表2 所示。并对信噪比值进行了极差分析，如表3 所示。

表3 信噪比极差分析Tab.3 Range Analysis of SNR

表中：Kij—第i 项工艺目标在j 水平下的信噪比之和；i=1—切缝宽度；i=2—切割速度，j=1、2、3、4；R1、R2—切缝宽度、切割速度的极差。

3.2 试验因素对工艺目标的影响分析

由表3 得出结论，试验因素对切缝宽度影响强弱顺序：间隙电压、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流；试验因素对切割速度影响强弱顺序：脉冲宽度、脉冲间隔、间隙电压、峰值电流。结合表2，第4 组试验，当脉冲宽度10μs、脉冲间隔70μs、峰值电流8 档、间隙电压8 档时，切缝宽度最大、切割速度最慢。这是因为：虽然峰值电流、间隙电压值最大，单位时间释放的能量最大，但是单个脉冲中，脉冲宽度时间最短，且脉冲宽度对切割速度的影响起主导作用，单个脉冲释放的能量最小，所以这一组试验参数下的切割速度最慢。间隙电压对切缝宽度的影响起主导作用，这一组试验参数下，间隙电压、脉冲间隔值最大；大的间隙电压，在增大放电间隙的同时，也利于电蚀产物的排出，保证加工过程的稳定性；此外，大的脉冲间隔也利于电蚀产物的排出；并且在工具显微镜的观察下，这一组切缝宽度一致性最好；所以这一组试验参数下的切缝宽度最大。第13 组试验，对切割速度影响比重非常大的两个因素，脉冲宽度25μs、脉冲间隔40μs，都取到了极值，此参数下的单脉冲释放能量最大，所以该试验参数下的切割速度最快。第14 组试验，对切割宽度影响比重比较大的两个因素，间隙电压5 档、脉冲宽度25μs，也都取到了极值，此参数下放电间隙最小的，所以该试验参数下的切缝宽度最小。

根据表2 中的试验结果，第二次切割试验结果的切缝宽度、切割速度值都要大于第一次的。这是因为试验中为新更换的钼丝，随着电火花线切割加工纯铜的进行，铜材料附着在了电极丝表面，而钼材料的电阻率为0.0472μΩ·m，铜材料的电阻率为0.0171μΩ·m，电极丝的导电性变好了，所以第二次的切割速度稍快于第一次的；而随着线切割的进行，虽然电极丝存在少量损耗，但是电极丝的导电性变好了，所以第二次的切缝宽度也比第一次的略大。通过对试验结果的分析，并没有发现最大切割速度、最小切缝宽度对应的参数组合，所以对两项工艺目标进行灰色关联度分析，以寻求最佳组合参数。

3.3 灰色关联度分析

灰色关联分析法是将因素之间发展趋势的相似或相异程度作为衡量因素间关联程度的方法[8]。对试验结果采用灰色关联度分析，将多项工艺目标的优化转化为单项灰关联度，得出最优工艺参数组合。具体优化过程[9]：

以试验结果的信噪比值为原始数据，按照式（3）进行量纲一化处理，生成两个工艺目标灰色关联：

由式（5）、式（6）计算Δv=0.4803，εΔ=0.4803；当Δmax≤3Δv，分辨系数ζ 取值为1.5εΔ＜ζ≤2εΔ，即：0.7205＜ζ≤0.9606，且为了体现关联度的整体性，ζ 应取较大值[10]，本次计算ζ 取0.9，代入式（4）计算，求得灰色关联系数，如表4 所示。

求两个工艺目标灰色关联度值，按照式（7）计算，求得灰色关联度，如表4 所示。

其中，m=2；j 取值1，2，…，16。

3.4 最优组合参数的确定

由表4 得出，第13 组试验参数下的切缝宽度与切割速度的灰色关联度值最大，它是这16 组试验中最优参数组合。根据灰色关联度值的计算结果，为了寻求更优的组合参数，对各参数在每水平下的灰色关联度均值进行了计算，各参数在每水平下的最大灰色关联度均值，便是两项工艺目标最优下的最佳参数。各参数在每水平下的灰色关联度均值，如表5 所示。从表中得出，脉冲宽度20μs（水平3）、脉冲间隔40μs（水平1）、峰值电流8 档（水平4）、间隙电压6 档（水平2）的组合参数，可以使切缝宽度与切割速度的灰色关联度值最大，也是最优的组合参数。

表4 切缝宽度与切割速度的灰色关联度Tab.4 Grey Correlation of Cutting Slit Width and Cutting Speed

表5 各参数水平下的灰色关联度均值Tab.5 The Mean Value of Grey Correlation at Each Parameter Level

3.5 试验验证

按照试验设计的原则，对通过灰关联分析得到的最优组合参数进行验证试验。验证试验结果：切缝宽度200.7μm、202.7μm（17 组试验参数下，切缝宽度最小），切割速度53.57mm2/min、54.55mm2/min；对应信噪比-46.09dB、34.66dB；对应灰色关联系数1、0.979；两工艺目标灰色关联度值0.990，大于16 组试验参数中最大灰色关联度值0.910（对应表4 中0.968）。虽然相比较第13组试验最大切割速度，验证试验的切割速度略微降低，但是相比较第14 组试验最小切缝宽度，验证试验的切缝宽度减小幅度较大；最终，整体的切割性能是最优的，验证了运用灰关联分析得到的最优组合参数是合理的。

4 结论

通过正交试验，对纯铜窄缝式电极切缝宽度、切割速度多工艺目标采用信噪比和灰色关联度分析方法进行优化处理，得出结论：（1）对切缝宽度影响强弱顺序为：间隙电压、脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流；对切割速度影响强弱顺序为：脉冲宽度、脉冲间隔、间隙电压、峰值电流，其中脉冲宽度、脉冲间隔对切割速度的影响起主导作用。（2）电极丝为钼丝的中走丝电火花线切割加工纯铜材料，随着线切割的进行，电极丝导电性变好，同组试验参数下，切缝宽度、切割速度都略微增大。（3）综合考虑切缝宽度、切割速度两项工艺目标，纯铜窄缝式电极电火花线切割加工工艺最优组合参数为：脉冲宽度20μs、脉冲间隔40μs、峰值电流8 档、间隙电压6 档。