多曲率油槽成形電極設計工藝方案綜合評價

文 武， 王西彬， 王 營， 夏 青， 錢 蒙

（1.中機生產力促進中心， 北京 100044； 2.北京理工大學 機械與車輛工程學院， 北京 100081）

0 引言

某裝備液壓系統上壓力油槽是八個槽寬為3mm，油槽深3mm， 而最長的單個油槽長是槽寬的60 倍， 達到181mm 的特殊結構件，零件材料為QT700-2。電火花加工是通過電極與工件之間的放電， 利用熱能來實現工件的加工，電火花加工能用于難加工材料和特殊結構件，其在復雜件的加工效率和加工精度方面有十分明顯的優勢。

多曲率油槽結構件電火花成形加工電極工藝方案設計過程較為復雜，而且主要依靠技術人員的工作經驗，要實現工藝方案的最優選擇， 減少個人經驗對產品設計制造的影響，需要建立較好的工藝方案評價體系，從眾多工藝方案中優選出最佳工藝配置。 影響工藝方案的因素有很多，比如產品質量、生產效率等許多因素只能用定性的方式進行評價， 對于這類很難給出統一標準的模糊性事物，用一般的方法很難做出評價，而模糊數學就是以客觀世界中模糊的現象作為研究對象，從中找出規律，然后用準確的數學方法來處理的一種科學， 它為我們研究復雜的事物和難以定量的問題提供了可行有效的方法， 模糊理論在機械工程方面具有廣泛的應用[1-3]，本文采用模糊理論來對多工藝方案進行評價選優。

1 工藝方案

紫銅是目前電加工領域中應用最多的電極材料之一，具有良好的導電性能，加工穩定性好，電極損耗小，其機加性能好，可獲得較高的成形精度，采用精加工能達到較好的表面粗糙度，因此選擇紫銅材料作為電極材料。

電火花加工用工具電極常用結構形式可分為四類：整體式、組合式、鑲拼式和分解式等四種。 由于分解式電極結構，需要多個電極分次加工，一方面加工效率較低，另一方面存在重復定位的問題，位置精度難以保證，暫不考慮。 根據不同結構形式工具電極的優缺點，針對多曲率油槽加工特點和電火花加工的優勢， 提出了三種電火花加工方案：

方案1：鑲拼式電極結構設計方案，采用通用設備加工，生產準備周期短，其生產流程如圖1 所示。

圖1 鑲拼式電極結構設計簡圖

夾具：粗、精加工電極夾具底面、端面-加工電極夾具側面緊固螺紋-數控打孔-慢走絲加工八個安裝槽。

紫銅電極：粗、精加工電極上下兩表面-數控銑削加工電極-修正電極。

方案優缺點： 在數控銑床上進行加工可以獲得較高的精度；電極制作方便，便于加工；電極安裝容易。但其也有以下幾個缺點：電極加工余量較多，電極材料浪費；由于電極較重，電極夾緊較為困難。

方案2：組合式電極結構設計方案，從新產品的研發試制方面考慮， 決定采用通用設備加工， 生產準備周期短，其生產流程如圖2 所示。

圖2 組合式電極結構設計簡圖

夾具：粗、精加工電極夾具底面、端面-加工電極夾具側面緊固螺紋-數控打孔-慢走絲加工八個電極安裝槽。

紫銅電極：粗、精加工電極表面-慢走絲加工八個電極。

方案優缺點：電極之間的相對位置可以調整，可以保證較高的精度， 電極幾何形狀和尺寸精度可以得到較好的保證，電極制作高度可以較高，電極使用壽命較長；電極損耗后，只要把損耗后的電極修整，無需全部修整，電極的更換和修整方便，對生產不會產生較大的影響，電極利用率較高。

方案3：整體式電極結構設計方案，其加工流程如圖3 所示。

紫銅電極：粗精加工底面、端面-加工成型電極

方案優缺點： 電極相互位置精度較高， 加工精度較高；但其也存在以下缺點：電極加工余量較大，并且電極報廢后底座不能重復使用，電極材料浪費嚴重；相鄰兩電極之間尺寸較小， 加工不方便； 并且受刀具長徑比的影響，電極制作高度不會太高；只要有一個電極損耗后，就必須把電極整個拆卸下來， 并且同時需要將所有的電極進行修整，浪費電極材料和需較長的修整時間。

圖3 整體式電極結構設計簡圖

2 工藝方案評價

2.1 工藝方案模糊評價體系

影響工藝方案優選的主要因素主要有：生產成本、產品質量和生產效率三個方面，這是第一層因素。生產成本一般包括零件材料費、工資、電費、機床折舊費、夾具和工具費等； 生產效率主要包括制作工具電極所消耗的時間以及在使用工具電極加工時考慮到工具電極損耗后更換、修復所需輔助時間；產品質量主要從加工表面質量、形位誤差、電極使用壽命等三個方面來考慮，這是第二層因素。 第二層因素是對上述指標進一步評價而細分的因素集。 影響工藝方案評價優選的因素主要有三個方面共9 個指標。 由于各因素地位的重要性不同，因此，必須對各因素進行加權，影響工藝方案優選的因素較多，單一因素所獲得的權重較小，因此，為了避免由于人的主觀因素而導致權重預測與實際情況相背離的情況，本文采用層次分析法[4，5]將各因素集合按屬性分類，通過測評指標兩兩比較，建立判斷矩陣，并進行排序確定各測評指標的重要性來確定權重分配。

圖4 工藝方案評價指標體系

層次分析法首先根據問題的性質、以及所要達到的目標進行分層，依據問題的隸屬關系和關聯程度分解為不同的因素組，形成一個不相交的層，在此基礎之上，進行定性和定量相結合的多目標決策分析方法，層次分析法對一個定性復雜的事物，以一個層次遞進的方式直觀的表達出來，反映出不同因素之間的相互關系，是系統工程學的系統分析法和系統綜合法。

2.2 構建比較判別矩陣

以工藝方案優選為準則，記為A，以生產成本、 產品質量和生產效率為對比因素，建立層次結構判別矩陣，記為A-Bi，具體方法見參考文獻[7-8]，類似的，以生產成本、產品質量和生產效率為準則，以第三層各因素為比較對象建立判別矩陣，記為Bi-Cj，同理，建立第四層與第三層的判別矩陣，記為Ci-Dk，判別矩陣如下：

表1 工藝方案經濟性評價計算結果

對判別矩陣求其最大特征值及最大特征值對應的特征向量， 并將特征向量歸一化， 求得相應層次的權重向量、一致性指標CI、和一致性比例CR，結果見表1，其中RI 為平均一致性指標。

所有層次排序CR 值均小于0.1，符合一致性要求。

2.3 層次總排序

第四層相對第三層的排序向量WD-C為：

2.4 一致性

由于：

所以可以認為比較判別矩陣的一致性可以接受，層次中所有元素的標度分配是合理的。 由此可得多曲率油槽成型加工電極設計方案排序結果為：

方案1：權重為0.2736；

方案2：權重為0.4879；

方案3：權重為0.2384；

計算結果表明：方案2 是一種較為理想的方案。這是由于整體成形電極雖然相互位置精度較高， 加工精度較高，但其電極制備成本較高，電極加工余量較大，材料浪費嚴重；鑲拼式電極結構設計也存在上述問題，并且其電極制備不如組合式結構設計方面，使用上也不是很方便。

3 結束語

采用了層次分析法對多曲率油槽成形加工電極結構設計工藝方案進行了模糊評價選優， 建立了工藝方案評價體系遞階層次結構模型， 并對各層次進行了排序和一致性檢驗，一致性檢驗結果表明判別矩陣是合理的，評價結果是可以接受的，模糊評優結果表明：組合式電極設計方案是一種較為理想的方案。 依據評優結果制備了組合式多曲率油槽成形電極，并加工出合格零件。