薛剛，白基成，李強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

往復(fù)走絲線切割機(jī)床變厚度切割工藝研究

薛剛，白基成，李強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

電火花線切割機(jī)床在加工變厚度工件時(shí)，工件厚度變化處易出現(xiàn)加工條紋，影響加工質(zhì)量和加工效率，而根據(jù)不同厚度的工件采用不同的加工參數(shù)，可明顯改善加工質(zhì)量和效率。利用往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行不同厚度工件的加工試驗(yàn)研究，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行規(guī)劃，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，研究其加工規(guī)律，分析得到加工變厚度工件的理想?yún)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)電火花線切割加工變厚度工件時(shí)始終保持較高的加工效率及一致的表面質(zhì)量。

往復(fù)走絲電火花線切割加工；正交試驗(yàn)；變厚度加工

目前，電火花線切割加工的主要研究方向是如何在保證加工質(zhì)量的前提下提高加工效率。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用電火花線切割加工一個(gè)厚度變化明顯（如階梯狀）的工件，在厚度變化處易出現(xiàn)較明顯的換向條紋，工件表面質(zhì)量較差，加工效率降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致斷絲。因此，如何對現(xiàn)有的電火花線切割機(jī)床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)高效、高精度地加工變厚度工件是目前亟需解決的問題之一。

國內(nèi)外學(xué)者針對電火花線切割變厚度加工做了許多研究，如基于向量機(jī)檢測工件厚度，對不同厚度的工件通過改變電加工參數(shù)進(jìn)行加工[1]，但僅僅局限于單向走絲電火花線切割加工。而往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床在運(yùn)絲速度、運(yùn)絲方式、脈沖電源、工作液等方面與單向走絲電火花線切割機(jī)床差異較大，目前針對變厚度工件加工的研究并不一定適合于往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床。因此，本文利用往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行變厚度工件的加工試驗(yàn)研究，在不同加工參數(shù)下切割變厚度工件，研究在工件厚度變化處的加工效率和表面質(zhì)量的變化情況，并得出在加工不同厚度工件時(shí)較理想的加工參數(shù)，為進(jìn)一步研究電火花線切割變厚度工件自適應(yīng)控制技術(shù)提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

在使用電火花線切割機(jī)床加工不同厚度的工件時(shí)，影響其加工效率和表面質(zhì)量的主要因素分為電參數(shù)和非電參數(shù)。電參數(shù)主要包括峰值電流、脈寬、占空比等；非電參數(shù)一般包括工作液、電極絲運(yùn)絲速度（絲速）、電極絲材料及其尺寸等。考慮到在加工不同厚度工件的過程中，工作液、電極絲材料及其尺寸等加工條件不能隨時(shí)調(diào)整，所以通過機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)對峰值電流、脈寬、占空比、絲速等進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的加工。

根據(jù)上述分析，擬選用DK7740往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床，其峰值電流、脈寬、占空比、絲速等參數(shù)具有較大的可調(diào)范圍，且機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性較好，能基本滿足試驗(yàn)要求。機(jī)床所用電極絲為直徑0.18 mm的鉬絲，工作液為1：50乳化液。試驗(yàn)中測量電流所用的工具為CP8150A電流鉗。工件材料為Cr13。

2 試驗(yàn)規(guī)劃及結(jié)果

本文針對往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床中影響變厚度工件加工效率和表面質(zhì)量的可調(diào)因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過使用不同的參數(shù)組合加工不同厚度的工件，從而得到不同加工條件下工件的加工效率和表面質(zhì)量。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析，得到各因素對工件加工效率和表面質(zhì)量的影響規(guī)律，在加工不同厚度工件時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)在變厚度切割過程中始終保持較高的加工效率和一致的表面質(zhì)量，使加工后的工件在厚度變化處沒有明顯的換向條紋。工件及切割過程見圖1。

本文采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。選取峰值電流、脈寬、占空比、絲速及工件厚度作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取5個(gè)水平（表1）。暫不考慮各因素間的交互作用，分別對加工時(shí)間和加工后的工件表面質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次并取平均值，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1 因素水平表

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖1 加工示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加工效率的影響因素分析

電火花線切割加工效率是指單位時(shí)間內(nèi)被加工的工件面積[2]，本文的加工效率單位為mm2/min。對加工效率的影響因素進(jìn)行極差分析（表3）。根據(jù)正交試驗(yàn)處理數(shù)據(jù)的方法，由于存在未考慮因素的影響，需引入“其他”列作為其他因素的綜合影響，既能補(bǔ)充試驗(yàn)影響因素，又能通過比較得知已考慮因素受未考慮因素干擾的大小，從而保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表3 加工效率影響因素的極差分析

由表3可知，各因素對加工效率的影響由大到小依次為：峰值電流、脈寬、工件厚度、絲速、占空比。由于占空比的極差小于其他不定因素的極差，故在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，占空比對加工效率的影響受其他不定因素的干擾較大，故在此暫不考慮其對加工效率的影響。

峰值電流和脈寬對加工效率的影響因素指標(biāo)分析見圖2、圖3。從圖2可看出，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，工件的加工效率隨著峰值電流的增加而增大，但在峰值電流提高到一定程度時(shí)，工件的加工效率不增反降。這是因?yàn)榉逯惦娏鞯脑黾邮箚蝹€(gè)脈沖放電能量增大，單次放電的電蝕產(chǎn)物體積也隨之增大，提高了加工效率；但如果峰值電流過高，放電能量過大，會導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物體積過大，由于電火花線切割加工過程中的放電間隙很小，體積過大的電蝕產(chǎn)物很難排出，過大的峰值電流反而降低了加工效率；此外，峰值電流過大會導(dǎo)致加工間隙的消電離不充分，加工過程變得不穩(wěn)定，也會導(dǎo)致加工效率降低。

從圖3可看出，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，工件加工效率隨著脈寬的增大而提高。這是因?yàn)殡S著脈寬的增大，單脈沖放電能量增大，提高了加工效率。

圖2 峰值電流對加工效率的影響

圖3 脈寬對加工效率的影響

由上述分析可知，在一定范圍內(nèi)，增大峰值電流和脈寬，可提高單脈沖放電能量，進(jìn)而提高加工效率。

絲速和工件厚度對加工效率的影響因素指標(biāo)分析見圖4、圖5。從圖4可看出，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，加工效率隨著絲速的提高而增大。這是因?yàn)樘岣呓z速有利于電極絲將工作液帶入工件放電間隙中，有利于電蝕產(chǎn)物的排出，使放電過程變得穩(wěn)定，從而提高加工效率。

從圖5可看出，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著工件厚度的增加，出現(xiàn)加工效率先提高、后降低的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵黾庸ぜ穸瓤商岣唠娔芾寐?，進(jìn)而提高加工效率；但當(dāng)工件達(dá)到一定厚度后，由于工作液沖液不充分、電蝕產(chǎn)物排出困難等原因，反而導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定，降低了加工效率。

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)合理論可知，加工效率的影響因素主要是峰值電流、脈寬、絲速等。為了提高加工效率，應(yīng)適當(dāng)提高電參數(shù)，但并不是加工電參數(shù)越高，加工效率越高，而是在整個(gè)參數(shù)范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際加工情況合理地選擇峰值電流、脈沖寬度等電參數(shù)，才能有效地提高加工效率。此外，僅從加工效率方面考慮，適當(dāng)提高運(yùn)絲速度，也可提高加工效率。

圖4 絲速對加工效率的影響

圖5 工件厚度對加工效率的影響

3.2 表面質(zhì)量的影響因素分析

本文主要采用測量加工工件的表面粗糙度Ra值作為表面質(zhì)量好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)。首先，對影響表面粗糙度的因素進(jìn)行直觀分析，見表4。

表4 表面質(zhì)量影響因素的極差分析

由表4可知，各因素對表面質(zhì)量的影響由大到小依次為：峰值電流、絲速、脈寬、工件厚度、占空比。而占空比的極差小于其他不定因素的極差，即受其他不定因素的干擾較大，故在本試驗(yàn)條件下，暫不考慮占空比對表面質(zhì)量的影響。

峰值電流和脈寬對表面質(zhì)量的影響因素指標(biāo)分析見圖6、圖7?？煽闯觯谠囼?yàn)條件范圍內(nèi)，隨著峰值電流和脈寬的增大，表面粗糙度值均變大。這是因?yàn)殡S著峰值電流和脈寬的增大，單脈沖放電能量增大，造成電蝕顆粒體積增大，進(jìn)而導(dǎo)致表面粗糙度值變大。

圖6 峰值電流對表面質(zhì)量的影響

圖7 脈寬對表面質(zhì)量的影響

圖8是絲速對表面質(zhì)量的影響因素指標(biāo)分析?？煽闯?，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著絲速的提高，表面粗糙度值變大。這是因?yàn)榻z速過快會導(dǎo)致機(jī)械振動增大，降低了切割精度，使表面質(zhì)量變差。此外，絲速提高后，電極絲的換向周期變短，換向條紋變密，也導(dǎo)致表面粗糙度變差。

圖8 絲速對表面質(zhì)量的影響

圖9是工件厚度對表面質(zhì)量的影響因素指標(biāo)分析?？煽闯?，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，隨著工件厚度的增加，表面粗糙度值降低。這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)導(dǎo)輪間距確定的情況下，工件越厚，電極絲抖動越小，有利于提高加工精度，降低工件表面粗糙度值。

綜上分析，為了獲得較好的表面質(zhì)量，應(yīng)選用較小的峰值電流和脈寬，并采用較低的絲速進(jìn)行切割。此外，在相同的加工條件下，適當(dāng)提高工件厚度，也能有效提高表面質(zhì)量。

圖9 工件厚度對表面質(zhì)量的影響

通過比較可知，采用第5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)加工出來的工件表面質(zhì)量最好，此時(shí)的峰值電流、脈寬、占空比、絲速都是最小的，與理論分析相符。

為了使不同厚度處的表面粗糙度一致，在加工不同厚度時(shí)應(yīng)采用不同的加工參數(shù)。通過試驗(yàn)結(jié)果分析可得，對不同厚度處的加工，采用表5所示的參數(shù)，加工質(zhì)量一致性較好。

表5 不同厚度處加工參數(shù)

圖10、圖11分別是加工參數(shù)優(yōu)化前后的工件表面質(zhì)量對比圖。參數(shù)優(yōu)化前，不同厚度處采用相同的加工參數(shù)：峰值電流17 A、脈寬60 μs、占空比33%、絲速5.79 m/s，加工效率為43.3 mm2/min，表面粗糙度值為Ra2.5～3.4 μm；當(dāng)采用表5所示的加工參數(shù)后，加工效率為30.6 mm2/min，表面粗糙度值為Ra2.9±0.15 μm。雖然參數(shù)優(yōu)化后的加工效率有所降低，但表面質(zhì)量明顯提高，且表面一致性變好。從圖11也可看出，參數(shù)優(yōu)化后加工出的工件表面質(zhì)量明顯優(yōu)于參數(shù)優(yōu)化前。

圖10 參數(shù)優(yōu)化前的工件加工表面

圖11 參數(shù)優(yōu)化后的工件加工表面

4 結(jié)論

本文通過在往復(fù)走絲電火花線切割加工機(jī)床上用不同的峰值電流、脈寬、占空比及絲速加工不同厚度的工件，研究了影響加工效率及表面質(zhì)量的因素，得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)中各因素對加工效率的影響由大到小依次為：峰值電流、脈寬、工件厚度、絲速、占空比。適當(dāng)提高峰值電流、脈寬和絲速，可提高加工效率；但當(dāng)峰值電流過高時(shí)，反而會導(dǎo)致加工變得不穩(wěn)定，降低加工效率。

（2）試驗(yàn)中各因素對表面質(zhì)量的影響由大到小依次為：峰值電流、絲速、脈寬、工件厚度、占空比。適當(dāng)降低絲速、峰值電流和脈寬，可提高表面質(zhì)量。

（3）為了保證在加工變厚度工件時(shí)，工件不同厚度處的表面質(zhì)量一致，在不同厚度處應(yīng)采用不同的加工參數(shù)。通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法可使變厚度工件的表面質(zhì)量具有較好的一致性。

[1]張浩然，汪曉東.回歸最小二乘支持向量機(jī)的增量和在線式學(xué)習(xí)算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2006（3）：400-405.

[2]劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

Process Study on Variable Thickness Cutting in Reciprocating Traveling WEDM Machine

Xue Gang，Bai Jicheng，Li Qiang
（Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

When workpiece with variable thickness is machined by the wire-cut electricaldischarge machines，machining strips appears apparently as the thickness of workpiece changes，which influences the quality and efficiency of the processing sharply.To improve the processing efficiency and surface quality，different machining parameters are adopted according to the different thickness of the workpiece.Experimental studies focused on the variable thickness processing are carried out by the reciprocating traveling WEDM.In addition，the orthogonal experimental design was adopted to program the experiments and research the machining rules.Ultimately，the ideal machining parameters depended on the thickness of the workpiece are discovered by analyzing the rules，which guaranteed higher machining efficiency and better uniformity of the surface quality when machining the workpiece has variable thickness by WEDM.

reciprocating traveling WEDM；orthogonal experiment；variable thickness processing

TG661

A

1009－279X（2014）04－0008-05

2014-04-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175120）；江蘇省科技支撐計(jì)劃（BE201248）

薛剛，男，1988年生，碩士研究生。