慢走丝线切割成本估算研究

邓伟，徐玉梁，徐明飞，黄昊旻

（贵阳学院 机械工程学院，贵阳 550005）

0 引言

线切割是利用电极丝与工件间脉冲性电火花放电产生的局部高温，使工件表面与放电点之间的介质电离击穿，以致工件熔化形成气化切割效应的一种非接触式特种加工方法[1]。由于电极与工件间并没有直接的接触，因而可以加工几乎当前所有高强度、高硬度、高韧性、高脆性，以及高纯度的导电材料，尤其适合低刚度和微细结构产品的加工。文献[2]～[5]对电火花线切割加工中的工艺参数和加工质量进行了详细的研究。

慢走丝线切割作为线切割加工方法之一，相比于快、中走丝线切割加工，其加工速度慢，故又称低速走丝线切割加工。慢走丝加工的产品拥有表面质量高、精度高等优点，在航空航天、模具等等领域得到了广泛应用。边留进等[6]采用正交试验法，研究了电流峰值、放电脉宽时间、脉间时间、主电源电压等参数对材料去除率和表面粗糙度的影响，分析了影响性能指标的主次因素，并验证了其可行性。冯巧波等[7]研究了放电脉宽时间、主电源电压、伺服速度等因素对慢走丝线切割加工精度的影响。孙瑶等[8]以慢走丝线切割加工钛合金为试验对象，在正交试验的基础上，通过信噪比方法研究峰值电流、开路电压、脉冲宽度等因素对加工时间、切缝宽度和表面粗糙度的影响规律。

针对慢走丝线切割的研究，大多都是研究加工参数对加工质量的影响，对于慢走丝线切割的加工成本研究相对较少，本文通过实验探究，引入粗糙度系数的概念，建立了慢走丝线切割加工成本预测模型，最后运用构建的成本模型测算某工件的加工成本，为慢走丝产品在加工之前提供合理的成本预测依据。

1 工艺指标和成本模型

1.1 工艺指标

慢走丝线切割的工艺指标主要有加工速度、工件表面质量和加工精度。加工速度一般表示为单位时间加工的有效面积，工件表面质量包括表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能三部分，特别是表面粗糙度，直接影响产品的使用性能，是慢走丝线切割的重点检验关键指标，加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。

影响上述工艺指标的因素主要有放电脉宽时间、脉间时间、峰值电流、主电源电压、伺服速度、电极丝速度等。目前，高档慢走丝线切割机床自带加工参数智能推荐系统，实际加工时，输入工件材料、外形尺寸和粗糙度等指标要求后，机床自动计算出切削参数，因此这些切削过程的影响因素不作为成本模型参数。

1.2 成本预测模型

当前慢走丝加工的费用主要以单位时间加工的有效面积乘以对应的加工单价作为单件产品单次的实际加工费用（C）：C=P×S/v。 （1）式中：P为实际每小时慢走丝单价，元；S为切割面积，mm2；v为切割速度，指单位时间加工的有效面积，mm2/h。

为了满足加工后零件能达到规定的表面粗糙度，需要对零件进行多次反复加工，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，所以切割相同面积所需的时间不同，因此直接将式（1）中的单次成本乘以加工次数去计算单件产品的成本是不准确的。

就加工经济性而言，线切割加工普遍以粗糙度Ra3.2 μm为临界，比Ra3.2 μm表面粗糙的用快走丝或中走丝加工，比Ra3.2 μm表面光洁的用慢走丝加工。引入一个粗糙度系数k，k定义为慢走丝各加工阶段后粗糙度为某一数值时，所用总时间与切加工所用时间的比值，也可认为是当工件粗糙度为某一数值时，一共折算成了k次切加工，工件若仅切加工，k值取1。式（1）可修改为

2 粗糙度系数的确定

慢走丝线切割加工一般根据工件的不同粗糙度要求，采用不同的切修次数加工，相同的机床上，粗糙度值越小（表面质量越好）的工件，修加工的次数越多。切加工主要是成形零件，切除绝大部分余量，修加工主要是降低零件表面粗糙度，其实际切削量非常微小。在本次切割实验中，工件内腔尺寸为（6.5±0.02）mm×（13±0.02）mm，材料为铝合金，工件厚度为55 mm。为保证数据的准确性，一共加工4个试验件，各加工阶段时间及各加工阶段后粗糙度如表1所示。

表1 各加工阶段时间及粗糙度

由表1可计算4个实验件各加工阶段的平均时间及各加工阶段结束后的平均粗糙度值，由粗糙度系数定义方式可得对应的粗糙度系数，如表2所示。

表2 平均粗糙度及对应粗糙度系数

由表1可知，三次修加工的总时间少于切加工。切加工后平均粗糙度为Ra3.01 μm，修一结束后为Ra1.90 μm，粗糙度系数增长量仅为0.26。从修一到修三，粗糙度降低到Ra0.99 μm，粗糙度系数增长量仅为Ra0.42 μm。由于切修加工的作用不同，当在机床的工作能力范围内时，粗糙度值越低，修加工次数越多，加工时间越长，但每次修加工的时间相对于总时间增长比例较低。将表2 数据拟合，如图1所示。

图1 粗糙度及粗糙度系数关系

根据拟合函数可得对应的粗糙度系数如表3所示。

表3 实验粗糙度系数

更换线切割机床，加工两个相同的试验件，采用切一修三加工方式，数据拟合后可得，当Ra1.6 μm时，k为1.41，Ra0.8 μm时，k为2.13。上述慢走丝切割实验表明，在机床工作能力范围内，增加修加工次数可以降低工件粗糙度值，修加工所用的时间占实际加工总时间比例较低，对慢走丝加工总时间影响不大。综上所述，粗糙度系数取值可如表4所示。

表4 粗糙度系数

3 成本预测

待加工工件为一锥形工件，材料为黄铜，外形尺寸为50 mm×50 mm×100 mm，工件内腔粗糙度为Ra0.8 μm，尺寸偏差为±0.02 mm，慢走丝线切割加工的内腔面积S约为5000 mm2。实际加工过程中，加工单价P取100 元/h。一切多修加工，默认选用机床推荐的参数，实际加工时间为3.96 h，实际单件支付加工费用396 元。

成本预测时，加工单价P仍然取100 元/h，切割加工速度v取2000 mm2/h，若根据表4，k取2，将各系数值代入式（2）可得该产品的加工成本为500 元，误差为26.26%。但对慢走丝线切割来说，黄铜属于易加工材料，且该工件结构常规不奇异，同样条件下线切割铜的表面质量比铝合金等材料好，意味着加工达到同样的粗糙度值，其粗糙度系数可以取更小，由表3可知，当k取1.78时，误差为12.37%。整体认为，k取值应小于1.78，误差小于12.37%。

4 结语

本文以慢走丝加工成本预测为研究对象，引入粗糙度系数概念，将线切割加工总时间折算为与切加工相关的时间，并构建了成本预测模型。最后运用构建的成本模型测算了某产品的加工成本，为慢走丝产品在加工前提供了合理快速的成本计算方法。但慢走丝线切割成本是一个系统性的研究课题，影响慢走丝线切割加工成本的因素还非常多，比如人力成本、环境成本，还有待加工零件的结构复杂性等都会影响慢走丝加工的成本，本文并未将其全部考虑在内，以后还有待进一步研究。