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Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝參數研究

2016-9-6 來源：太原理工大作者：啟靜凱李文斌

摘要:隨著人們對工業產品的精度、質量要求越來越高，相關模具的制造精度、表面質量以及模具材料的硬度、耐腐蝕性和耐磨性等也得到不斷提高。Cr12Mo V 滿足了模具材料在硬度、耐磨性、耐腐蝕性方面的要求，作為一種廣泛使用的冷作模具鋼，應用于生產截面面積大、外形復雜的各種冷沖模具。

Cr12Mo V 鋼具有高硬度性能，尤其為提高模具成型精度，經熱處理后的 Cr12Mo V 硬度≥60HRC，利用傳統切削方式很難加工。基于此，利用電火花線切割加工 Cr12Mo V 成為最佳選擇。電火花線切割加工是利用脈沖火花放電蝕除材料，并通過數控系統對工件切割成形，可解決這種模具材料的難加工問題，并能滿足制造精度要求。因此，研究 Cr12Mo V 的電火花線切割加工工藝參數（本文主要以電參數為主，包括脈寬時間、脈間時間、峰值電流以及間隙電壓）對材料去除率和表面粗糙度的影響，以達到對電參數優化選取的目的，從而提高電火花線切割加工 Cr12Mo V 的加工效率和表面質量。

利用單因素試驗法，通過改變電火花線切割機床的電參數，得出各個電參數對電火花線切割加工Cr12Mo V的材料去除率與表面粗糙度的影響規律。在此基礎上，利用有限元分析軟件 ANSYS，依據電火花線切割加工的微觀機理，建立合理的物理模型和數學模型，劃分網格，確定能量在放電通道內分布的形式，施加荷載并求解，得到電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場分布，來預測峰值電流的改變對表面粗糙度的影響。將白層厚度考慮在內并且修正仿真凹坑深度值后，與實際加工的結果進行對比驗證，得出了更為吻合的修正凹坑深度曲線與表面粗糙度曲線，表明可通過ANSYS 仿真電火花加工溫度場進行電參數的合理選擇。

應用正交實驗法，通過合理設置考察因素水平，設計表頭，確定以 L16(45)正交表進行正交試驗，得到試驗結果。對試驗結果分別進行極差分析和方差分析，探索電火花線切割的脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對材料去除率和表面粗糙度影響的主次順序和顯著性。以正交試驗結果為基礎應用灰關聯分析法，將材料去除率和表面粗糙度量綱歸一化后進行關聯分析，計算關聯度值，選取關聯值最大的一組電參數為最優參數組合，即：脈寬時間為 10 μs，脈間時間為 20 μs，峰值電流為 2 A，間隙電壓為 3 V，并進行試驗驗證。結果表明，利用經優化后的參數組合切割加工試件，達到了預期的加工效果，解決了參數組合的優化問題。

總之，本文通過一系列試驗和分析方法，研究了電火花線切割加工Cr12Mo V 的電參數的選取和優化問題，為實際生產提供理論指導。

關鍵詞：電火花線切割加工，Cr12Mo V，電參數，材料去除率，表面粗糙度，有限元分析

3、電火花線切割加工參數研究及分析

3.1 引言

在電火花線切割加工Cr12Mo V的過程中，影響其表面粗糙度和材料去除率的因包括非電參數和電參數。而非電參數的影響相對于電參數的影響很小，因此探究電參數的影響規律很重要。在每個廠商的加工工藝參數表中都有針對某一材料，某一加工厚度，某一加工精度制定的參數組合，但是在實際加工過程中，這些參考并沒有達到我們預期的效果。對于某種材料，能得到一組材料去除率和表面粗糙度兼顧的最優參數組合，大量的實踐是必須的，除此之外利用單因素試驗掌握電參數對二者的影響規律是得到最優數組合的基礎。

本章通過單因素試驗探究脈寬時間、脈間時間、峰值電流和間隙電壓對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的材料去除率和表面粗糙度的影響，為正交試驗與灰關聯分析做基礎，得到一組最優加工工藝參數組合。本次單因素試驗的平臺是 FW-1 型電火花線切割機床，電極絲采用 Φ0.18 mm 的鉬絲，試驗材料為經過熱處理的 Cr12Mo V 鋼，厚度為 20 mm。

3.2 脈寬時間對加工 Cr12Mo V 的影響

試驗中要研究脈寬時間對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響，采用的方法是單因素試驗法，也就是將脈寬時間作為單一變量，其他因素保持不變進行試驗。衡量影響的性能指標為材料去除率和表面粗糙度值。具體的試驗操作是改變脈寬時間的機床加工參數值分別為 7μs、8μs、9μs、10 μs 來切割，并測量加工得到的試驗試件的表面粗糙度值和計算其材料去除率。表3-1 所示為不同脈寬時間下試驗結果。

為便于分析，將試驗結果繪制成圖 3-1。觀察圖可得出，隨脈寬時間的增大，材料去除率加快。電火花線切割加工是使用金屬絲做電極，通過脈沖電源對工件進行脈沖放電來蝕除金屬，在數控系統的幫助下切割成形的。脈寬時間是決定脈沖能量大小的重要因素之一，脈寬時間增大則放電能量增強，提高了加工速度。但脈沖能量增大會導致電蝕坑變大，表面質量下降。加工時，需保證表面質量的同時增大脈寬時間來提高加工速度，因為過大的脈寬時間會使電蝕產物排出不暢，最終不僅不能提高加工速度，甚至會造成斷絲。

表3-1 脈寬時間變化的影響

圖 3-1 脈寬時間對表面粗糙度-材料去除率的影響

3.3 脈間時間對加工 Cr12Mo V 的影響

研究脈間時間對電火花線切割加工 Cr12Mo V 的影響，試驗中將脈間時間作為單一變量，改變其機床加工參數值分別為 20μs、25μs、30μs、35 μs，并保持其他因素不變。材料去除率和表面粗糙度為衡量脈間時間對加工影響的性能指標，將加工得到的試驗試件測量并計算其加工速度。表 3-2 所示為記錄的試驗結果。

脈間時間是相鄰脈沖的間隙時間，它的大小影響電極絲與工件間的消電離。隨著脈間時間的增大，平均電流減小則加工速度減小。但是為了提高加工效率不能盲目減小脈間時間，這樣會引起電弧和斷絲[21]。觀察圖3-2得出，表面粗糙度值的大小隨脈間時間的改變出現先降后升的現象，并且在25 μs時其達到最小。這是因為作為影響放電加工的重要參數，脈間時間過大會造成頻繁短路，導致表面粗糙度變差，相反過小會造成間隙不完全消電離和蝕除物來不及排出，致使拉弧燒傷。

表3-2脈間時間變化的影響

圖3-2 脈間時間對表面粗糙度-材料去除率的影響

3.4 峰值電流對加工 Cr12Mo V 的影響

峰值電流是影響電火花線切割加工 Cr12Mo V 的重要因素。本研究將峰值電流作為單一變量，其他因素保持不變，他們的取值范圍如表 3-3 所示。以材料去除率和表面粗糙度為性能指標，將試驗結果也記錄于表 3-3。

表 3-3峰值電流變化的影響

峰值電流的改變，對加工速度和表面質量的影響尤為重要。從圖3-3可得出，隨著峰值電流增大，表面質量變差，而材料去除率呈現加快的趨勢。同脈寬時間相同，峰值電流決定脈沖能量的大小。提高峰值電流使得加工速度變快而表面質量下降。單方面通過提高峰值電流來加快加工速度會造成電蝕產物的顆粒大，表面質量急劇下降，嚴重情況會造成斷絲。

圖3-3 峰值電流對表面粗糙度-材料去除率的影響

3.5 間隙電壓對加工 Cr12Mo V 的影響

研究間隙電壓對電火花線切割加工Cr12Mo V的影響，將其他因素保持不變，改變間隙電壓的機床加工參數值分別為2 V、3 V、4 V、5 V。表3-4所示為記錄的材料去除率和表面粗糙度的試驗結果。

表3-4 間隙電壓變化的影響

將得到的試驗結果繪制成圖3-4，可見，隨著間隙電壓的改變，其對材料去除率和表面粗糙度的影響有限。當間隙電壓為3V時，加工效率最大，而表面粗糙度隨著它的增大而不斷減小。這是因為間隙電壓是兩極間的加工電壓，隨著間隙電壓增大，改善排屑條件，使加工趨于穩定。但是過大的間隙電壓會使空載脈沖增多，影響加工速度。