Cr基模具鋼電火花線切割質量多目標影響因素研究＊

李文明，劉 飛

（天津理工大學中環信息學院，天津300380）

1 引言

冷作模具鋼在沖壓模具的制造中有著廣泛應用，尤其是Cr8類與Cr12類模具鋼。Cr8類模具鋼含C、Cr量較低，韌性較好；Cr12類模具鋼耐磨性較好，隨著Mo、V元素的增加，可以進一步增強耐磨性[1]。電火花線切割是完成沖壓模具凸凹模加工的首選技術。國內外學者針對電火花線切割加工模具鋼技術領域進行了大量的研究。趙靈研究了電火花線切割加工Cr12模具鋼，脈沖寬度、開路電壓、走絲速度、沖液壓力對加工速度和表面粗糙度的影響關系[2]。殷靜凱研究了電火花線切割Cr12MoV模具鋼，脈寬時間、脈間時間、間隙電壓、峰值電流對材料去除率和表面粗糙度的影響關系[3]。Kumar研究了電火花線切割D2（Cr12Mo1V1）模具鋼，走絲速度、沖液壓力、間隙電壓、峰值電流對材料去除率和表面粗糙度的影響關系[4]。現有的研究報道主要集中在對單種類材料的電火花線切割工藝規律研究，未能對多種類材料進行對比性的試驗研究，并且研究的工藝目標多集中在加工速度和表面粗糙度方面，對加工尺寸的工藝目標基本沒有。基于此研究現狀，本文以常用的模具鋼材料Cr8、Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1為試驗材料，全面的考慮切割速度、加工尺寸、表面粗糙度工藝指標，進行了慢走絲電火花線切割Cr基模具鋼工藝規律的試驗研究，旨在為企業加工模具鋼材料提供一定理論參考。

2 試驗方法

在慶鴻慢走絲G3525S機床上，采用?0.25mm銅電極絲、去離子水工作液進行了試驗。選取材料種類、脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓為試驗變量，切割速度、加工尺寸、表面粗糙度為工藝目標，設計了正交試驗。每種材料的厚度都是20mm，每個樣件都是邊長4mm的長方體，試驗過程如圖1所示，先是進行Cr8、Cr12材 料 的 切 割 ，然 后 進 行Cr12MoV、Cr12Mo1V1材料的切割，切割樣件如圖2所示。切割速度等于切割表面積與切割時間的比值，加工尺寸采用千分尺測量樣件相同兩表面間的上、中、下3處位置后所得平均值，表面粗糙度值采用TR210手持式粗糙度測量儀在每個樣件的同一個切割表面測量3個位置后所得平均值，試驗變量及取值如表1所示，試驗設計及結果如表2所示。

圖1 試驗過程

圖2 切割樣件

表1 試驗變量及取值

表2 試驗設計及結果

3 試驗結果分析

3.1 極差分析

極差分析法計算簡單、結果直觀，是正交試驗結果分析最常用的方法。4個試驗變量每水平下對應的各平均工藝指標值及各變量對應的工藝指標極差值如表3所示。

表3 試驗結果極差分析

3.1.1 試驗變量對切割速度的影響

根據4個試驗變量每水平下對應的平均切割速度以及各變量在所有水平下的切割速度極差值，繪制各試驗變量與切割速度的影響曲線圖，如圖3所示，得知對切割速度的影響：脈沖寬度與脈沖間隔影響程度基本相同，且影響程度最大，其次是伺服電壓、材料種類。這是因為：隨著脈沖寬度的增大，單位時間內放電能量增加，電火花蝕除能力增強，切割速度顯著加快；相反，隨著脈沖寬度的增大，單位時間內放電能量減小，電火花蝕除能力減弱，切割速度顯著減慢。電極平均間隙電壓大于設定的伺服電壓設定值時，電極絲前進，所以隨著伺服電壓的增大，為了維持間隙電壓的穩定，電極絲前進速度減慢，隨之切割速度減慢。Cr基模具鋼中，隨著Cr元素含量的增加與Mo、V元素的加入及增加，材料的電火花可加工性得到改善，切割速度小幅度加快。

圖3 試驗變量對切割速度的影響曲線

3.1.2 試驗變量對加工尺寸的影響

根據4個試驗變量每水平下對應的平均加工尺寸以及各變量在所有水平下的加工尺寸極差值，繪制各試驗變量與加工尺寸的影響曲線圖，如圖4所示，得知對加工尺寸的影響：伺服電壓對加工尺寸影響程度最大，其次是脈沖寬度、脈沖間隔，且兩者影響程度基本一致，材料的類型影響程度最小。由伺服電壓對切割速度的影響分析可知，伺服電壓增大，切割速度減慢，相同放電能量情況下，由于切割速度減慢，切割區域單位長度平均分配到的放電能量增加，電蝕除能力增強，去除量增加，所以加工尺寸減小。在一定范圍內，隨著脈沖寬度的增大，雖然切割速度也升快，但是放電能量增加的幅度要大得多，最終結果是切割區域單位長度平均分配到的放電能量增加，電蝕除能力增強，加工尺寸減小。在一定范圍內，隨著脈沖間隔的增加，雖然單位時間內放電能量減小，但是切割速度也減慢，并且電蝕產物排出的時間逐漸增加，利于放電加工，電蝕除能力增強，加工尺寸減小。材料種類不同時，放電能量不變，但是隨著元素種類、含量的增加，切割速度加快，所以切割區域單位長度平均分配到的放電能量減小，電蝕除能力減弱，加工尺寸變大；由于測量尺寸使用的是千分尺，精度有限，并且材料種類對加工尺寸的影響相對較小，導致的結果就是測量后的試驗結果數據有一定誤差，與理論分析略有一些出入。

圖4 試驗變量對加工尺寸的影響曲線

3.1.3 試驗變量對表面粗糙度的影響

根據4個試驗變量每水平下對應的平均表面粗糙度以及各變量在所有水平下的表面粗糙度極差值，繪制各試驗變量與表面粗糙度的影響曲線圖，如圖5所示，得知對表面粗糙度的影響：脈沖寬度對表面粗糙度的影響程度最大，其次是伺服電壓、脈沖間隔，材料種類對表面粗糙度基本沒有。脈沖寬度增加，單脈沖放電能量增大，電蝕除凹坑增大，切割表面粗糙度值越大。伺服電壓主要用于調整間隙電壓的穩定，以維持放電狀態的穩定，當伺服電壓40V時，放電狀態比較穩定，對應的表面粗糙度值最小，伺服電壓高于或者低于40V時，放電狀態都不穩定，切割后的表面粗糙度值也大。脈沖間隔增加，單脈沖放電能量減小，并且電蝕產物排出時間增加，利于消電離，放電狀態穩定，尤其是脈沖間隔增加至19μs時，切割表面粗糙度值顯著減小。

圖5 試驗變量對表面粗糙度的影響曲線

3.2 方差分析

極差分析方法雖然計算簡單、直觀易懂，但是試驗誤差無法估計，不能精確地估量試驗變量對各工藝指標影響的顯著性，因此引入方差分析方法，準確判斷因素對指標的影響程度。切割速度、加工尺寸、表面粗糙度方差分析表，如表4、表5、表6所示。試驗變量的顯著性可用P值判定，一般認為P＜0.01，試驗變量為關鍵因子，P＜0.05，試驗變量為重要因子，P＜0.1，試驗變量為一般因子或次要因子[5]。

表4 切割速度方差分析

表5 加工尺寸方差分析

表6 表面粗糙度方差分析

由表4知，PC≈PB＜PD＜PA，各試驗變量對切割速度的影響程度由強到弱依次為：脈沖間隔、脈沖寬度，且顯著性較大；伺服電壓，且顯著性一般；材料種類，且顯著性較小。由表5知，PD＜PB＜PC＜PA，各試驗變量對加工尺寸的影響程度由強到弱依次為：伺服電壓，且顯著性較大；脈沖寬度、脈沖間隔，且顯著性一般；材料種類，且顯著性較小。由表6知，PB＜PD＜PC＜PA，各試驗變量對表面粗糙度的影響程度由強到弱依次為：脈沖寬度、伺服電壓、脈沖間隔、材料種類，且顯著性都很小。

根據以上方差分析結果與極差分析結果對比可知，兩種分析方法得出的結論基本一致，說明試驗中的誤差遠小于試驗變量對工藝指標的影響，分析結論可信度較高。

4 結論

采用正交試驗，通過極差分析和方差分析，研究了材料種類、脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓對切割速度、加工尺寸、表面粗糙度工藝目標的影響規律。

（1）試驗變量對切割速度的影響程度大小依次為：脈沖間隔、脈沖寬度、伺服電壓、材料種類。在試驗變量取值范圍內，切割速度與脈沖間隔、伺服電壓負相關，與脈沖寬度正相關，隨著Cr元素含量的增加與Mo、V元素的加入以及增加，有利于切割速度的提升。

（2）試驗變量對加工尺寸的影響程度大小依次為：伺服電壓、脈沖寬度、脈沖間隔、材料種類。在試驗變量取值范圍內，加工尺寸與伺服電壓、脈沖寬度、脈沖間隔負相關，并且加工尺寸與切割速度有一定關系，切割速度減慢，會導致切割區域單位長度平均分配到的放電能量增加，加工尺寸減小。試驗的4種材料種類對加工尺寸影響很小。

（3）試驗變量對表面粗糙度的影響程度大小依次為：脈沖寬度、伺服電壓、脈沖間隔、材料種類。脈沖寬度的大小影響蝕除凹坑直徑的大小，從而直接決定表面粗糙度的大小。伺服電壓、脈沖間隔影響著放電狀態的穩定性、蝕除物的排出，對表面粗糙度有著間接的影響。試驗的4種材料種類對表面粗糙度影響基本可以忽略。

（4）試驗數據采用極差分析與方差分析，得到的結果基本一致，分析結論可信度較高。