中走絲線切割加工薄壁件變形試驗研究

王宏宇，馬虎亮，楊勝強，王燕青

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

電子技術的進步為制造業的發展帶來了巨變，使得復雜化、精密化、微細化成為當前制造業發展的主流。隨著航空、航天、汽車、模具制造等高端產業的發展，薄壁件作為一種特征形式被廣泛應用于發動機葉片、機匣及工具電極的制造[1]。由于薄壁件形狀的特殊性，對其采用傳統加工方式進行加工，工件本身易受切削力、切削熱、殘余應力等因素的影響而產生較大變形。而電火花線切割加工作為非接觸式加工的一種，具有無宏觀切削力、普適性強、精度高等特點[2]，與傳統加工方式相比，工件加工后的變形量大大減小，因而已成為薄壁件加工的主流方式之一。

近年來，國內外眾多學者對慢走絲電火花線切割加工過程中薄壁件的變形已進行了較為深入的研究。文獻[3]采用單因素試驗分析了線切割過程中切片翹曲的主要原因，并對其加工過程中的熱應力場進行了仿真，同時提出了雙線切割的方式以降低切片翹曲變形。文獻[4]對微細電火花加工過程中微肋件的溫度分布進行了研究，得出殘余應力的非線性分布是造成工件變形的主要原因。文獻[5]研究了材料磁性對銳角薄壁件尖端變形方向的影響，證明在加工參數相同的情況下，鐵磁性材料的尖端變形方向同加工方向相同，而順磁性材料的尖端變形方向同加工方向相反。文獻[6-7]分析了材料的物理性能對薄壁件變形的影響，指出材料的屈服強度和傳熱系數是影響薄壁件變形的重要因素，屈服強度越小，傳熱系數越低，變形越嚴重。此外，二者還對線切割過程中的峰值電流、絲速等工藝參數對薄壁件變形的影響進行了探究，并得出了相應結論。

總的來說，當前國內外學者對線切割薄壁件的變形研究集中于加工過程中的熱應力分析和材料物理性能對變形的影響等方面，對于加工過程中的各個工藝參數對薄壁件變形量的影響則研究較少。此外，上述研究均針對慢走絲電火花線切割薄壁件，而隨著中走絲電火花線切割機床加工精度的提高，該型設備已越來越廣泛的應用于薄壁件加工，因此探索中走絲電火花線切割薄壁件的變形規律就具有重要意義。基于中走絲電火花線切割機床對薄壁件進行加工，主要研究了脈寬、脈間、壁厚和薄壁寬度對線切割加工薄壁件變形量的影響規律。

2 薄壁件線切割加工試驗

2.1 試驗條件

本試驗采用蘇州冬慶公司生產的DK7732ZAA數控中走絲線切割機床，結合工件、夾具及測量儀器構成了完整的試驗平臺，如圖1 所示。電極絲選用直徑Ф0.18mm 的鉬絲，工作液為1：40比例的JR3A乳化液，試驗材料選用工程中常用的TA2，工件尺寸為兩種：一種（20×10×4）mm，另一種為（20×5×4）mm。試驗過程中，通過設置加工參數獲取不同的TA2薄片，并對其變形量進行測量。薄壁件變形量的測量選用基恩士公司生產的LK-G3001V高速、高精度CCD激光位移傳感器，該傳感器擁有50kHz的超高采樣速度和±0.02%的高精確度，并可通過對應的LK-Navigator軟件對測量數據進行顯示和保存，滿足試驗測量的需要。測量時，激光位移傳感器采集并記錄2萬多個點的位置值，以其平均值相對基準的差值作為此次加工薄壁件的變形量。

圖1 中走絲線切割薄壁件試驗平臺Fig.1 MS-WEDM Test Platform for Thin-Walled Parts

2.2 試驗設計

為分析不同參數對薄壁件變形量的影響，本試驗采用全因素試驗設計以獲取較多信息，同時采用JMP10部分析因分析各參數的顯著程度[8-9]。JMP10是由SAS公司旗下的一種交互式可視化統計分析軟件，其包含試驗設計單元和數據分析單元?；贘MP10軟件可進行不同類型的數據分析并得出試驗參數的顯著度，因此被越來越廣泛的應用于數據統計分析領域。部分析因分析是一種多因素的交叉分組分析，區別于完全析因分析，部分析因分析為提高分析效率，只考慮試驗因素及兩兩因素間的交互作用，適合參數較少的試驗[10-11]。本試驗各輸入因素，如表1所示。以薄壁件變形量為輸出響應。

表1 輸入因素及水平Tab.1 Input Factors and Levels

2.3 試驗過程

工件裝夾后，在輸入因素中選取特定組合對工件進行加工。考慮到加工路徑對工件變形有重要影響，故在加工過程中應采取對稱加工的方式。具體過程是在裝夾工件后，先采用選定參數對工件一側進行“溜邊”，即去除一層，之后按要求的壁厚再加工另一側，并記錄數據，具體走刀路徑，如圖2所示。薄壁件的加工長度為10mm，測量時共記錄五次數據，即每加工2mm測量一次變形量。

圖2 走刀路徑Fig.2 Tool Path

3 試驗結果與分析

薄壁件加工前和加工后的對比，如圖3所示。圖3（a）為未加工工件，圖3（b）為加工完成的工件，兩圖對比可以看出，薄壁件經線切割加工后，其末端會出現翹曲變形現象。經多次試驗發現，其翹曲變形的方向與加工的先后順序有關，變形方向普遍位于后加工一側，即向圖2中所示B側面變形。以向A側彎曲為正向，向B側彎曲為負向，對試驗結果進行分析，可得出脈寬、脈間、壁厚及薄壁寬度對薄壁件變形的影響。

圖3 薄壁件加工前后對比Fig.3 Comparison of Thin-Walled Parts before and after Processing

3.1 脈寬對薄壁件變形量的影響

在保證其他參數不變的情況下，改變脈寬的值，可研究單因素條件下脈寬對薄壁件變形量的影響。當脈間Toff為4.5、5.5、6.5、7.5倍的脈寬時，薄壁件變形量隨脈寬變化的曲線，如圖4（a）～圖4（d）所示。由圖可知，隨著脈寬的增加，薄壁件變形量呈現逐漸增大的趨勢；在薄壁件壁厚較薄時，這一現象尤為顯著。線切割薄壁件加工過程中工件瞬間受熱產生熱影響區，之后又因沖液而冷卻，這一急速的冷熱變換過程產生的殘余應力以及其后續的變化是導致薄壁件產生變形的主因[3]。當應力超過薄壁件自身剛度時，工件就會產生變形。脈寬值越大，單脈沖放電能量值越大；單位時間內工件受到的放電能量越大，熱影響區越大，同時產生的殘余應力就越大，薄壁件的變形量隨之加大。

圖4 薄壁件變形量隨脈寬變化曲線Fig.4 Variation Curve of Deformation of Thin-Walled Parts with Pulse Width

3.2 脈間對薄壁件變形量的影響

脈間是指相鄰兩個放電脈沖之間的間隔時間，其用來調節不放電時間（排屑時間）和放電脈沖的比例關系，脈間越大，放電后的等待時間越長。當脈寬Ton分別為20μs、32μs時，薄壁件變形量隨脈間變化的曲線，如圖5（a）～圖5（b）所示。由圖可以看出，隨著脈間的增大，薄壁件變形量呈現出越來越小的趨勢，但其變化的趨勢較為平緩。其原因在于脈間主要影響線切割過程中的排屑和散熱，故隨著脈間的增大，切縫內蝕除物排出更好，散熱能力增強，使薄壁件內熱應力降低，工件變形量減少。但脈間對放電能量的影響較小，并沒有像脈寬那樣顯著，故由脈間導致的薄壁件變形量的變化趨勢較為平緩。

圖5 薄壁件變形量隨脈間變化曲線Fig.5 Variation Curve of Deformation of Thin-Walled Parts with Pulse Space

3.3 壁厚對薄壁件變形量的影響

壁厚對薄壁件變形量有著重要的影響。對上述圖4、圖5中圖線1、2、3、4綜合分析可得，使用不同的電參數進行加工，當壁厚T為0.5mm時，薄壁件的變形量較大，且會隨著電參數的變化發生較大改變。當壁厚T為1mm時，薄壁件的變形量遠小于同等參數下壁厚T為0.5mm時的變形量，且隨著電參數的變化，變形量的后續變化趨勢不顯著。產生該情況的主要原因在于壁厚的不同使得薄壁件自身的剛度不同，壁厚越厚，工件剛度越大，抵抗殘余應力的能力就越強。而工件熱變形區的殘余應力恰恰是線切割薄壁件發生變形的主要因素，因此，薄壁件的壁厚越厚，其在線切割加工時的變形量就越小，即抗變形能力越強。

3.4 薄壁寬度對薄壁件變形量的影響

由圖4、圖5中的各條曲線可以看出，薄壁寬度W為5mm和10mm的工件，其變形量并無明顯變化，這一現象在工件厚度較大時尤為顯著。之所以會出現這種現象是因為電火花線切割時是單點放電，薄壁件寬度的增大在一定范圍內既不影響放電能量的大小，又對排屑能力影響不大。寬度變大雖然使得工件加工部分的剛度增加，但是隨之也使得切割時熱影響區變大，殘余應力增加，二者互相抵消，使得一定范圍內薄壁寬度對于薄壁件變形量的影響較小。

4 試驗數據部分析因分析

第二部分得出了單因素條件下脈寬Ton、脈間Toff、壁厚T和薄壁寬度W對薄壁件變形量的影響，并未對各參數的顯著程度進行說明。為了分析上述參數對薄壁件變形量的影響程度，將試驗數據導入JMP10進行部分析因分析得：擬合優度R2值為0.838，同時，其方差分析的總體模型矯正F比小于0.0001，可認為試驗數據總體偏離預測值的累計和較小，試驗數據的部分析因分析結果可信。

脈寬Ton、脈間Toff、壁厚T及薄壁寬度W這四個因素的顯著度，如表2所示。

表2 因素顯著度Tab.2 Significance of Factors

同時表2中對因素兩兩之間的交互作用進行了計算，根據各參數估計量的t比及其置信度分析結果，t比的絕對值越大且大于的概率小于0.0001，則認為該因素對薄壁件變形量的影響是顯著的，并在表中以上標*標注。由表2可知，對于脈寬Ton、脈間Toff、壁厚T及薄壁寬度W這四個因素，影響變形量的因素次序依次為壁厚T＞脈寬Ton＞脈間Toff＞薄壁寬度W。綜合考慮t比和置信度，薄壁件變形量的主要影響因素分別為壁厚、脈寬及該兩因素的耦合作用，該規律的獲得客觀上為薄壁件的設計及加工工藝參數的選取提供了參考。將部分析因分析結果同單因素分析結論對照可知，兩者關于加工參數對線切割薄壁件變形量的影響的分析結果互相吻合，即薄壁件變形量隨脈寬及壁厚的變化明顯。

5 結論

（1）采用激光位移傳感器搭建了薄壁件加工變形量在線測試平臺，并成功用于薄壁件變形量測試。對線切割薄壁件試驗結果進行單因素分析可知，在其他因素不變的情況下，薄壁件變形量隨脈寬Ton的增大而增大，隨脈間Toff的增大而減小。薄壁件壁厚T越厚，其變形量越小。在一定的范圍內，薄壁件的寬度W對其線切割加工后的變形量影響不顯著。（2）對試驗結果進行部分析因分析可知，影響變形量的因素次序依次為壁厚T＞脈寬Ton＞脈間Toff＞薄壁寬度W。結合參數估計中的t比和置信度，可得影響薄壁件變形量的主要因子分別為壁厚、脈寬及該兩因素的耦合作用。（3）線切割加工薄壁件時，在薄壁件厚度及寬度確定后，為減小加工后的變形量，應盡量采用小脈寬和大脈間的電參數進行加工。若考慮加工效率等其他因素的影響，則應根據實際情況合理選取。