◇安徽天航機(jī)電有限公司 常星星 李紅進(jìn) 于家祥 張昊

在短電弧加工中以石墨電極加工鑄鐵工件為研究對象，為了提高短電弧加工過程中工件表面加工質(zhì)量與減小工具電極損耗率，對加工過程中電壓、占空比、頻率三個主要脈沖電源參數(shù)對工件表面粗糙度和工具損耗率的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合正交試驗(yàn)和田口算法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，初步確定這三個要素對其影響程度，然后采用極差分析方法對正交結(jié)果進(jìn)一步處理，得出各要素對試驗(yàn)的影響程度。發(fā)現(xiàn)極差分析結(jié)果與田口得出的結(jié)論一致，經(jīng)過分析得出最優(yōu)的參數(shù)組合且工件粗糙度達(dá)到12.86。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證而確認(rèn)了田口法適用于短電弧加工。

在現(xiàn)代的生活、生產(chǎn)中，人類的生活日益更新，高強(qiáng)度，高硬度的材料的使用越來越普遍，而對于普通的加工加床是難以進(jìn)行有效的加工，為了滿足人類生產(chǎn)的需求，短電弧銑削加工更適合生產(chǎn)發(fā)展的需要，并得到廣泛的應(yīng)用。同時對工件的表面質(zhì)量和相對工具損耗率要求越來越高，而對于短電弧加工工件的表面粗糙度和工具損耗量的影響因素有許多，如工件（材料、形狀，物理性能等）、工具（材料，形狀，導(dǎo)電性，物理性能等）、放電參數(shù)（電壓、電流、脈沖寬度、頻率）等[1]。本文針對短電弧銑削加工方案，設(shè)計正交切削試驗(yàn)，考察了電壓、占空比、頻率等因素對表面質(zhì)量的影響程度，應(yīng)用田口法和方差分析法分別對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了電參數(shù)對工件表面粗糙度的影響規(guī)律，并且得到最優(yōu)的切削參數(shù)組合，進(jìn)一步提高短電弧加工工件的表面質(zhì)量。

1 短電弧加工材料去除機(jī)理

短電弧加工是一種非接觸、機(jī)械切削力近與零的強(qiáng)電流放電加工，工作介質(zhì)通常為具有一定壓力的氣液混合物，在加工的過程中，當(dāng)兩電極距離接近時工作介質(zhì)會被擊穿形成放電通道，此時會產(chǎn)生強(qiáng)電子電流(電流可以達(dá)到3000A以上)[2]，由放電通道產(chǎn)生的高溫與火花會轉(zhuǎn)移到加工材料表面使工件表層金屬迅速發(fā)生局部熔化，在壓力溶液的作用下蝕除的顆粒會脫離工件，達(dá)到蝕除表層材料的目的，在加工中采用的脈沖電源放電，當(dāng)一個電弧放電結(jié)束后，會引發(fā)下一個電弧的產(chǎn)生放電，經(jīng)過周而復(fù)始電弧的產(chǎn)生，大量的材料會被蝕除，達(dá)到去除材料的目的[3]。由于短電弧加工中工件去除率較電火花相對較高，有一部分能量會轉(zhuǎn)移到工具上，因此存在電極的損耗和工件表面質(zhì)量相對較低。因此有必要對加工進(jìn)行改善，目前采用較多的是改變工件與工具的材料、特性等[4]。其加工的原理如圖1所示。

圖1 短電弧加工示意圖

1.1 田口法與方差分析法

田口法源于日本教授田口玄一在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，它采取當(dāng)一個工程中影響它的目標(biāo)結(jié)果有很多因素，通過改變影響因素來提高總體的目標(biāo)值。在計算的過程中使用正交表進(jìn)行參數(shù)的劃分。正交表具有均勻分配的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中的每一個因素因子與另外一個因子會水平結(jié)合一次，通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來達(dá)到優(yōu)化結(jié)果的目的[5]。在正交試驗(yàn)的過程中引入信噪比來衡量每一個因素對目標(biāo)的影響程度。

田口博士提出信噪比的概念，并且在分析中規(guī)定事件分為三種情況，分別為望小特性、望目特性、望大特性[5]，接著是衡量目標(biāo)中的影響因素對結(jié)果所造成的優(yōu)先級，通過對正交試驗(yàn)結(jié)果的分析找出優(yōu)化目標(biāo)的最佳參數(shù)組合，從而來提高所需要的優(yōu)化值。同時在運(yùn)算的過程中對損失量與偏離的目標(biāo)值進(jìn)行偏差分析，將損失函數(shù)轉(zhuǎn)換成信噪比S/N。很顯然短電弧加工的表面粗糙度和電極相對損耗應(yīng)采用望小特性。

其信噪比計算公式為[6-7]：

式中：n為總的測量次數(shù)，yi為第i次測得的表面粗糙度值。

方差分析先對目標(biāo)中的每一個因素進(jìn)行統(tǒng)計，將總的變化分為試驗(yàn)值與誤差值，并且構(gòu)造統(tǒng)計量F，結(jié)果給出精確的數(shù)字進(jìn)行比較，得出每個試驗(yàn)因素影響因子的顯著程度，其方差計算公式如下[8]：

F統(tǒng)計量的計算公式為[9]：計算出來的F值有三種情況：

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計

短電弧正交切削實(shí)驗(yàn)過程中考慮的因素有電壓(V)、占空比(%)、頻率(Hz)，試驗(yàn)考慮的優(yōu)化指標(biāo)有加工工件的表面粗糙度Ra，針對石墨電極加工鑄鐵工件設(shè)計三因素三水平的正交試驗(yàn)，以A代表電壓(V)，B代表占空比(%)，C為頻率(Hz)，各切削參數(shù)結(jié)合平時的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的情況選取三個水平，其正交試驗(yàn)的參數(shù)如表1所示。

表1 因素水平配置表

此次試驗(yàn)是三因素三水平是試驗(yàn)，采用L9(33)正交表，開展切削試驗(yàn)，切削試驗(yàn)結(jié)束后采用TR210表面粗糙度測試儀測量工件表面粗糙度Ra。加工時工作介質(zhì)壓力為2MPa，工具電極速率為2000r/min，工件為鑄鋼，工具為外徑為18mm，內(nèi)徑為6mm石墨電極進(jìn)行內(nèi)沖電火花加工，試驗(yàn)的參數(shù)組合和表面粗糙度的值記錄于表2中。

表2 正交試驗(yàn)表

1.3 田口法與方差分析

顯而易見表面粗糙度Ra和電極損耗屬于信噪比里面的三個特性中的望小特性，利用公式（2）計算其信噪比S/N見表2，將電壓、占空比與頻率對粗糙度和電極損耗率的平均信噪比如圖2所示。

圖2 電壓、占空比、頻率因素的平均S/N

由圖2可以看出，對于表面粗糙度各因素信噪比的數(shù)值最大的組合為A1B0C1，即電壓選擇20V、占空比為60%，頻率為700。最小電極損耗率為A2B1C0，即電壓選擇為25V、占空比為70%，頻率為500%。

從表3、表4中可以看出：三個影響因子對表面粗糙度與相對電極損耗的顯著程度不一樣，但是總體影響順序是一樣的，即A>B>C，在方差分析中電壓對表面粗糙度的影響為80.65%，對電極的相對損耗為60.01%，表面加工過程中，隨著電壓的增大，極間電弧產(chǎn)生的熱量聚集的越多，所產(chǎn)生的熱量也就相應(yīng)增加，加工中轉(zhuǎn)移到電極表面熱量就會變多，從而導(dǎo)致電極的相對損耗更加明顯，同時加工工件的表面質(zhì)量也會降低。

表3 表面粗糙度的方差分析

表4 電極相對損耗的方差分析

2 加工驗(yàn)證

當(dāng)采用第一組A1B0C1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，加工出來的工件表面粗糙度為12.86，電極相對損耗為10.71%，而采用第二組A2B1C0時，表面粗糙度為18.55，電極損耗為6.93%，因此可以看出當(dāng)采用信噪比進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化時，對于表面粗糙度或者是電極損耗都有相應(yīng)的較小，該算法能夠達(dá)到優(yōu)化的粗糙度與電極損耗。

3 結(jié)論

（1）通過對田口算法的研究可以對多輸入和多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化的應(yīng)用。

（2）短電弧加工中對電極損耗與表面粗糙度影響程度先后順序?yàn)椋弘妷?占空比>頻率。

（3）當(dāng)選擇電壓為20V，占空比為60%，頻率為700Hz時，用石墨電極加工鑄鐵的表面粗糙度值可以達(dá)到12.86，可以更好的滿足于工業(yè)上要求。