慢走絲線切割SKD11試驗研究及其參數優化

李文明，唐東升

（1.天津理工大學中環信息學院 機械工程系，天津 300380；2.天津金海天精密模具股份有限公司，天津 300380）

0 引 言

SKD11鋼具有高強度、高硬度、高耐磨性等優異性能，在模具中得到廣泛使用[1]。慢走絲線切割的電極絲單向走絲，在凹模類零件的加工中不需要穿絲，且能實現多次切割，保證良好的加工質量，因此，慢走絲線切割技術在模具零件的加工中有著無可替代的作用。

慢走絲線切割的主要工藝指標是切割速度、表面粗糙度、加工精度，在達到加工要求下的線切割時，切割速度越高、切割次數越少，越能降低生產成本。姚忠等在快走絲線切割機床上運用曲面響應法研究了SKD11基于最大材料去除率的工藝參數優化[2]；李海星等在快走絲線切割機床上運用灰色關聯度分析法對TC4材料去除率與表面質量多工藝指標下的工藝參數進行尋優[3]；王麗慧等在快走絲線切割機床上運用加權平均法對紫銅加工速度與表面粗糙度多工藝指標下的工藝參數進行了優化[4]；宗曉明等在中走絲線切割機床上運用單因素試驗法研究了GGr15基于表面粗糙度與材料去除率多工藝指標的工藝參數優化[5]；馬秀麗等在中走絲線切割機床上運用極差分析法分別研究了Ti6Al4V切割速度與表面粗糙度的工藝參數優化，并提出根據實際生產的具體要求選擇最合適的工藝參數[6]；V SINGH等在慢走絲線切割機床上運用曲面響應法優化D2材料去除率、表面粗糙度多工藝指標的工藝參數[7]；W Y MING等在慢走絲線切割機床上運用NGSAII-GPR模型優化了YG15材料去除率和表面質量多工藝指標的工藝參數[8]。國內外學者在線切割工藝規律的研究和參數優化方面進行了大量的研究，但是多集中在中、快走絲線切割機床上，并且多以切割速度、表面粗糙度為工藝指標，對于重要的加工精度工藝指標的研究鮮有報道。

以下將在慢走絲線切割機床上，全面考慮切割速度、表面粗糙度、加工精度工藝指標，研究SKD11加工工藝規律以及滿足加工要求下的最優工藝參數，為企業的實際生產提供理論支持。

1 試驗方法

在慢走絲線切割機床上，運用φ0.25 mm電極絲進行SKD11模具鋼的切割試驗。選取脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓、伺服速度、走絲速度等工藝參數為試驗變量，設計了5因素4水平的正交試驗，探究了對切割速度、表面粗糙度、加工精度等工藝指標的影響，各工藝參數的取值及試驗安排如表1所示。

為便于測量每組試驗的加工精度，試驗中的切割樣件設計如圖1所示，切割厚度20 mm，切割長度為樣件邊長20 mm與切入量1 mm之和，即21 mm。切割速度等于切割面積與每組試驗所用切割時間的比值，其中每組試驗所用切割時間為開始切入樣件至樣件切完這一過程的時間，可從機床中直接讀出；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個位置后所得的均值；加工精度主要考量的是尺寸精度，運用千分尺測量沒有切入痕的兩側之間的距離，分別從樣件上、中、下3個位置測量的尺寸取其均值，其中線切割偏移量參數的設置是0.159 mm。

圖1 切割樣件

2 試驗結果分析

按照上述試驗方法進行了16組試驗，試驗結果如表1所示，試驗樣件如圖2所示。對于3個工藝指標的測量，切割速度、加工精度（切割尺寸）的測量比較精確，尤其是切割速度的測量，直接由機床加工時間的記錄進行保證，切割尺寸每一次的測量有極小誤差；相對而言，每一切割表面的表面粗糙度測量誤差較大，進行數據處理時，也是按照同一位置進行多次測量，取較穩定的數值作為測量結果。引入極差分析法處理了試驗結果數據，極差分析結果如表2所示。

圖2 試驗樣件

2.1 工藝參數對切割速度的影響

根據表1試驗結果，16組試驗最大與最小切割速度差值達到24.96 mm2/min，可見不同工藝參數組合下對切割速度的影響較大。由表2試驗結果極差分析得出各工藝參數每一水平平均切割速度關系曲線如圖3所示。

由圖3得知，對切割速度有顯著影響的工藝參數主要是脈沖寬度、脈沖間隔，且脈沖寬度的影響程度大于脈沖間隔；伺服電壓、伺服速度、走絲速度對切割速度的影響基本一致且較小。隨著脈沖寬度的增加，由線切割加工原理可知，脈沖放電能量增大，電蝕除能力增強，所以切割速度增大。而隨著脈沖間隔的增加，單位時間內的放電能量減小，切割速度也隨之減小。根據線切割機床使用說明，電極平均間隙電壓小于設定的伺服電壓設定值時，電極絲后退，所以隨著伺服電壓設定值的升高，切割速度變慢，而伺服速度設定值越大，切割速度變快。線切割放電區域穩定的環境有利于切割的進行，隨著走絲速度的升高，可以促進電蝕產物的排出，但是過快的走絲速度會引起電極絲振動，導致電極絲與導電塊瞬間不接觸，干擾了穩定的放電狀態，造成切割速度的降低[9]。

圖3 各工藝參數每一水平的平均切割速度

2.2 工藝參數對切割精度的影響

對于切割尺寸的理想值5 mm，由表1中在試件上、中、下3個位置的測量結果可知：試件上（位置1）切割尺寸＜試件中（位置2）切割尺寸＜試件下（位置3）切割尺寸。造成這種現象的原因可能是：①電極絲垂直度可能有誤差；②試件切割時，每一位置處的電極絲走絲方向都是由上到下，上部放電區域可以有更多、更潔凈的工作液，促進放電，蝕除量大。取試件上、中、下3個位置處測量后的均值作為每一組的切割尺寸，根據試驗結果可知，有10組試驗切割精度在5 μm以內，只有第13、14組試驗的切割精度在10 μm以上，各工藝參數對切割精度的影響規律較明顯。由表2試驗結果極差分析作出各工藝參數每一水平平均切割尺寸關系曲線，如圖4所示。脈沖寬度對切割精度影響程度最大，脈沖間隔、走絲速度對切割精度基本無影響。脈沖寬度越大，放電能量越大，蝕除能力越強，所以隨著脈沖寬度的增加，切割尺寸越小，尤其是當脈沖寬度取值14 μs，誤差達到了10 μm；脈沖間隔、走絲速度與放電能量的大小無關，所以對切割精度無影響。伺服電壓、伺服速度對切割尺寸的影響趨勢與對切割速度的影響趨勢基本一致，這是因為當放電能量一定時，切割速度越慢，切割表面單位時間內分配到的能量越多，電蝕除量也越大，切割尺寸隨之越小。

表1 試驗設計與結果

表2 試驗結果極差分析

圖4 各工藝參數每一水平的平均切割尺寸

2.3 工藝參數對表面粗糙度的影響

由表2可知，各工藝參數對表面粗糙度影響程度依次為脈沖寬度、脈沖間隔、伺服電壓、伺服速度、走絲速度。各工藝參數每一水平平均表面粗糙度關系曲線如圖5所示。脈沖寬度因素下的表面粗糙度極差約為0.3 μm，脈沖間隔因素下的表面粗糙度極差約為0.2 μm，脈沖寬度增加，放電能量增強，電蝕凹坑增大，所以表面粗糙度變大，脈沖間隔增加，有利于電蝕產物的排出及充分的消電離，有利于提高表面質量。其他因素對表面粗糙度的影響相對較小，且對試件表面粗糙度測量時有一定的誤差，所以曲線趨勢不是太明顯，對于這種現象的處理，可以弱化這3種工藝參數對表面粗糙度影響的分析，從企業實際生產“降本保質”的角度進行工藝參數的選取。

圖5 各工藝參數每一水平的平均表面粗糙度

3 多工藝指標下的參數組合優化

根據工藝參數對工藝指標的影響分析可知，最大切割速度與最小表面粗糙度對應的工藝參數不一致，研究了工藝參數對切割精度的影響規律后，在保證加工要求下的切割精度，只需調整偏移量的設置即可，因此，對多工藝指標下的工藝參數組合優化設定為對切割速度與表面粗糙度工藝指標下的參數組合優化。

通過灰色關聯度分析方法，用式（1）、（2）將表面粗糙度與切割速度進行量綱化處理，然后按式（3）求得2個工藝指標灰色關聯系數，并用式（5）求得2個工藝指標灰色關聯度，計算結果如表3所示。

其中，j取值1，2，…，16；x1j、x2j分別表示表面粗糙度、切割速度工藝指標的量綱化處理；y1j、y2j分別表示表面粗糙度、切割速度工藝指標下的第j個試驗。

其中，i取值1、2；j取值1，2，…，16；xi0表示第i個工藝指標的理想值。ζ為分辨系數，通過式（4）確定。

其中，m、n分別表示i、j的個數，即m=2，n=16。

由公式（4）計算ε=0.406 6；當Δmax≤3Δv，分辨系數 ζ取值為 1.5ε＜ζ≤2ε，即：0.609 9＜ζ≤0.813 2，ζ取0.8。

根據表3的灰色關聯度計算結果，第15組參數組合下的試驗，灰色關聯度值最大，且此時的切割尺寸為4.994 mm，只需將電極絲的偏移量從0.159 mm改為0.162 mm即可獲得較理想的表面粗糙度、切割速度、切割精度等工藝指標。為了進一步尋求更優的工藝參數組合，將各工藝參數水平下的灰色關聯度均值進行了計算，結果如表4所示，最優工藝參數組合為脈沖寬度14 μs、脈沖間隔20 μs、伺服電壓18 V、伺服速度7檔、走絲速度11 m/min。需指出的是，伺服速度水平2的灰色關聯度均值與水平4的灰色關聯度均值相差較小，由于表面粗糙度的測量存在一定誤差，造成這兩水平下的灰色關聯度均值可能有一些偏差，理論上伺服速度取值越大，切割速度越快，為了客觀的尋求最優工藝參數組合，將最優的伺服速度暫定為7檔或9檔，通過后續的試驗驗證再確定；走絲速度水平1的灰色關聯度均值與水平2的灰色關聯度均值相差更小，從企業實際生產角度考慮，因為走絲速度越慢越能降低成本，所以無論是從理論計算分析還是實際生產考慮，最優的走絲速度取11 m/min。

表4 各工藝參數每水平下的灰色關聯度均值

由圖4可知，脈沖寬度對切割速度的影響占據主要作用，所以在保證切割精度工藝指標時，只考慮脈沖寬度的取值對切割速度的影響，當脈沖寬度取14 μs，這一水平下平均的切割尺寸為4.990 mm，將電極絲的偏移量從0.159 mm改為0.164 mm后，可以得到較好的切割精度。

4 試驗驗證

經過分析優化后的工藝參數組合為脈沖寬度14 μs、脈沖間隔 20 μs、伺服電壓 18 V、伺服速度 7檔或9檔、走絲速度11 m/min，電極絲偏移量0.164 mm。在第一組（伺服速度7檔）、第二組（伺服速度9檔）參數試驗得到的表面粗糙度、切割速度、切割尺寸依次為Ra2.589 μm、84.85 mm2/min、4.999 mm和Ra2.612 μm、86.90 mm2/min、5.001 mm；相應的表面粗糙度與切割速度的灰色關聯度值為0.770、0.802，經過試驗驗證，確定優化后的工藝參數組合中的伺服速度定為9檔，且運用優化后的工藝參數進行加工可以獲得較理想的加工效果。

5 結束語

經過對慢走絲線切割SKD11工藝規律的試驗研究以及基于全面工藝指標考慮的工藝參數優化，得出以下結論。

（1）脈沖寬度對切割速度、表面粗糙度、加工精度工藝指標的影響程度最大且最為顯著；其次是脈沖間隔對切割速度、表面粗糙度工藝指標的影響程度較強，對加工精度基本沒有影響；伺服電壓、伺服速度、走絲速度對這3個工藝指標的影響相對較弱。

（2）優化后的工藝參數組合為脈沖寬度14 μs、脈沖間隔20 μs、伺服電壓18 V、伺服速度9檔、走絲速度11 m/min，電極絲偏移量0.164 mm，可實現86.90 mm2/min切割速度、Ra2.612 μm表面粗糙度、5 μm以內加工精度的SKD11線切割，為企業實際生產中降低成本，提高效率，提供理論技術支持。