基于灰色理論的鈦合金電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

趙建社　郁子欣　周旭嬌　余　澤,2　豆海峰,2

1.南京航空航天大學(xué),南京,210016　2.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都,610092

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基于灰色理論的鈦合金電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

趙建社1郁子欣1周旭嬌1余澤1,2豆海峰1,2

1.南京航空航天大學(xué),南京,2100162.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都,610092

為對(duì)材料去除速度、電極損耗和表面質(zhì)量等工藝目標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以鈦合金材料為試驗(yàn)對(duì)象,基于成熟的電火花加工設(shè)備,對(duì)峰值電流、脈沖寬度、占空比和抬刀周期等可調(diào)工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，運(yùn)用灰色理論進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將多工藝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單一考量指標(biāo)(灰關(guān)聯(lián)度)，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過(guò)程，得到了工藝參數(shù)組合優(yōu)化方案。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,該參數(shù)組合能夠在保證表面質(zhì)量要求的同時(shí),有效提高加工效率和降低電極損耗。

鈦合金;電火花加工;灰關(guān)聯(lián);參數(shù)優(yōu)化

0　引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、高溫力學(xué)性能優(yōu)異和生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空材料、兵器工業(yè)、醫(yī)療器械、船舶等諸多領(lǐng)域。隨著鈦合金在各領(lǐng)域應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,人們對(duì)鈦合金零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量的要求不斷提高,關(guān)于鈦合金加工技術(shù)和方法的研究備受矚目[1]。由于鈦合金特殊的物理化學(xué)特性,機(jī)械加工時(shí),刀具溫度上升快,使刀尖急劇磨損,壽命降低,易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象[2]。電火花加工是通過(guò)電極與工件之間發(fā)生脈沖性火花放電來(lái)蝕除工件材料的，不存在宏觀切削力，適于加工難切削導(dǎo)電材料，已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于形狀特殊的鈦合金零件加工中。

同其他金屬材料相比，鈦合金由于導(dǎo)熱系數(shù)小,在電火花加工過(guò)程中金屬未完全熔化就被拋出和凝固[3],容易造成加工狀態(tài)不穩(wěn)定,特別是深寬比較大的型孔加工,加工產(chǎn)物難以有效排出,易出現(xiàn)拉弧,導(dǎo)致加工效率很低、電極損耗大且表面質(zhì)量差。根據(jù)電火花加工機(jī)理,峰值電流、脈沖寬度、占空比、抬刀周期、空載電壓等工藝參數(shù)是影響加工效率、電極損耗和表面質(zhì)量的重要因素,而如何選擇理想的工藝參數(shù)組合是解決工程應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

一些學(xué)者的研究已經(jīng)初步涉及鈦合金電火花加工工藝參數(shù)及其他因素對(duì)工藝目標(biāo)的影響。如Jabbaripour等[4]使用紫銅電極進(jìn)行鈦合金電火花加工試驗(yàn),以峰值電流、空載電壓以及脈沖寬度作為調(diào)整工藝參數(shù)，其試驗(yàn)表明，增加脈沖能量可以提高加工效率，但表面質(zhì)量卻顯著降低。Hascalik等[5]使用石墨、紫銅和鋁電極進(jìn)行鈦合金電火花加工對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示,石墨電極相對(duì)于紫銅電極和鋁電極在材料去除速度以及電極損耗上更為出色，使用石墨電極的材料去除速度是使用紫銅電極的材料去除速度的6倍左右，是使用鋁電極材料去除速率的10倍左右。Lin等[6]將電火花加工與超聲加工相復(fù)合進(jìn)行鈦合金加工試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明這種復(fù)合加工工藝有助于提高材料去除速度,減小加工后工件表面再鑄層厚度并提高加工過(guò)程穩(wěn)定性。以上試驗(yàn)研究說(shuō)明在鈦合金電火花加工過(guò)程中，使用石墨電極，結(jié)合電參數(shù)和非電參數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化可以取得良好的綜合效果。Azad等[7]采用灰色理論和方差分析方法,獲得了理想的鈦合金微小孔加工參數(shù)優(yōu)化組合。Lin等[8]根據(jù)模糊邏輯分析和灰色理論對(duì)電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)灰色理論在多工藝參數(shù)、多考核指標(biāo)情況下，更容易獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。本文采用成熟的電火花加工設(shè)備,將用戶(hù)關(guān)心的材料去除速度、電極損耗和表面質(zhì)量作為工藝目標(biāo)，選擇石墨作為電極材料,通過(guò)調(diào)節(jié)峰值電流、脈沖寬度、占空比和抬刀周期等可調(diào)參數(shù)進(jìn)行鈦合金電火花加工試驗(yàn),運(yùn)用灰色理論分析得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1　工藝試驗(yàn)

1.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中選擇加工設(shè)備允許自主設(shè)定而對(duì)加工過(guò)程影響顯著的工藝參數(shù)作為正交試驗(yàn)的影響因素,共有4個(gè)因素,分別為峰值電流A、脈沖寬度B、占空比C和抬刀周期D,基于初步工藝試驗(yàn)和潛在應(yīng)用對(duì)象需要,每個(gè)因素選擇三個(gè)水平(表1)。將研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)為L(zhǎng)18(34)正交試驗(yàn)(表2)。其他試驗(yàn)設(shè)置如表3所示。

表1　工藝參數(shù)

1.2試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

電極材料為石墨，尺寸為10 mm×10 mm×60 mm,其中加工端面為10 mm×10 mm。鈦合金為T(mén)i-6Al-4V，化學(xué)成分如表4所示,尺寸為20 mm×20 mm×15 mm。試驗(yàn)用電火花機(jī)床為AgieCharmile公司生產(chǎn)的FO350SP；材料去除量和電極損耗量經(jīng)電子天平稱(chēng)量后得到,電子天平由美國(guó)奧豪斯公司生產(chǎn)，型號(hào)為CP214,量程為210 g,分辨率為0.1 mg。

表2　L18(34)正交試驗(yàn)表

表3　試驗(yàn)設(shè)置

表4　Ti-6Al-4V的化學(xué)成分

試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:材料去除速度tMR，min/g;相對(duì)電極損耗ηEW,R,%;表面質(zhì)量為表面粗糙度Ra。其中,tMR和ηEW,R的計(jì)算公式分別為

tMR=T/M

(1)

ηEW,R=100m/M

(2)

式中,M為工件損耗質(zhì)量;m為電極損耗質(zhì)量;T為加工時(shí)間。

工件在測(cè)量前都先浸入草酸溶液中1 min,再使用超聲清洗機(jī)加熱清洗5 min,然后放入恒溫干燥箱內(nèi),設(shè)置100 ℃烘干20 min。在電子天平上測(cè)出工件損耗質(zhì)量M。

電極在試驗(yàn)前后和測(cè)量之前都放入恒溫干燥箱內(nèi),設(shè)置溫度200 ℃,恒溫干燥時(shí)間為2 h。在電子天平上測(cè)出電極損耗質(zhì)量m。

加工試件如圖1所示,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖1　試驗(yàn)樣件圖

序號(hào)工藝參數(shù)工藝目標(biāo)ABCDtMR(min/mg)ηEW,R(%)Ra(μm)1111151.219267.7376.22122226.844966.5457.4773133316.699506.90510.8624213219.320579.1997.955221316.228985.3319.1536232113.686205.25711.97312317.7428210.7697.65668323110.029986.28799331214.099784.72512.2410113322.897008.7617.12311121143.775296.7567.28812132225.146846.3781013212119.342166.6746.85614223212.989866.2488.46915231315.60714511.9216311217.528605.6757.5817322312.341057.0778.51833318.0564495.33213.1

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

灰關(guān)聯(lián)分析是一種用灰色關(guān)聯(lián)度順序來(lái)描述因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序的方法，用于處理上述試驗(yàn)結(jié)果，能夠綜合考量三項(xiàng)工藝目標(biāo)得到優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。基本步驟是首先確定原始數(shù)據(jù)序列，對(duì)其進(jìn)行灰生成即量綱一化，然后分別求取灰色關(guān)系數(shù)，得到灰色關(guān)聯(lián)度，從而進(jìn)行優(yōu)勢(shì)分析。也就是將多項(xiàng)工藝目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單項(xiàng)灰關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)工藝目標(biāo)的優(yōu)化，得出優(yōu)化的參數(shù)組合方案。

2.1灰關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)處理

(1)原始數(shù)據(jù)序列的確定。表5試驗(yàn)結(jié)果中各個(gè)工藝目標(biāo)下的一組數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)序列,即xi(k)分別代表tMR、ηEW,R和Ra的原始數(shù)據(jù)序列,i=1,2,3。

(2)量綱一化處理。由于原始數(shù)據(jù)序列之間的量綱不同,故需要對(duì)其進(jìn)行量綱一化。

對(duì)于tMR、ηEW,R和Ra的原始數(shù)據(jù)序列,使用下式[9]

(3)

式中,yi(k)為i指標(biāo)下第k次試驗(yàn)。

求取其區(qū)間值像進(jìn)行量綱一化,處理結(jié)果如表6所示。

表6　原始數(shù)據(jù)量綱一化

(3)求差序列。計(jì)算公式為

(4)

(4)求關(guān)聯(lián)系數(shù)。計(jì)算公式為

(5)

i=1,2,…,18

求取相應(yīng)參數(shù)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)γi k,如表7所示。

(5)求灰關(guān)聯(lián)度。計(jì)算公式為

(6)

式中,n為工藝目標(biāo)個(gè)數(shù),n=3。

根據(jù)式(6)計(jì)算得到相應(yīng)的灰關(guān)聯(lián)度值如表7所示。

2.2單工藝目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)分析

分別針對(duì)材料去除速度、相對(duì)電極損耗和表面粗糙度進(jìn)行單工藝目標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)分析。由表7中各參數(shù)不同水平對(duì)應(yīng)的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)求得針對(duì)各工藝目標(biāo)的平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表8～表10所示。

表7　灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及灰關(guān)聯(lián)度

表8　針對(duì)tMR的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

表9　針對(duì)ηEW,R的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

表10　針對(duì)Ra的不同水平平均灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)正交試驗(yàn)性質(zhì)，各工藝參數(shù)所處的不同水平導(dǎo)致了不同水平之間灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的差值，與其他工藝參數(shù)無(wú)關(guān)[10]。這樣就可以確定每個(gè)工藝參數(shù)的不同水平對(duì)各項(xiàng)工藝目標(biāo)的影響程度。

根據(jù)灰相關(guān)度的概念,關(guān)聯(lián)系數(shù)均值最大的值組成最優(yōu)的參數(shù)組合。針對(duì)材料去除速度,由表8可以看出,推薦的參數(shù)組合為A3B3C3D3。對(duì)材料去除速度影響由大到小的工藝參數(shù)依次為峰值電流、占空比、脈沖寬度和抬刀周期。

由表9可以看出,對(duì)相對(duì)電極損耗影響由大到小的工藝參數(shù)依次為脈沖寬度、占空比、峰值電流和抬刀周期。推薦的參數(shù)組合為A2B3C1D2。

由表10可以看出，對(duì)表面粗糙度值影響由大到小的工藝參數(shù)依次為脈沖寬度、峰值電流、抬刀周期和占空比。推薦的參數(shù)組合為A1B1C1D1。

2.3多工藝目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中往往需要綜合多個(gè)工藝目標(biāo)進(jìn)行考量。針對(duì)材料去除速度、相對(duì)電極損耗和表面粗糙度進(jìn)行多工藝目標(biāo)的灰關(guān)聯(lián)分析,分析結(jié)果見(jiàn)表11。

表11　工藝參數(shù)各水平平均灰關(guān)聯(lián)度

由試驗(yàn)的均衡搭配性質(zhì)可知，各參數(shù)不同水平下平均灰關(guān)聯(lián)度的相互比較，與其他參數(shù)無(wú)關(guān)，只反映該參數(shù)不同水平對(duì)多項(xiàng)工藝指標(biāo)的影響程度。比較各個(gè)水平，灰關(guān)聯(lián)度值最高的水平為對(duì)多工藝目標(biāo)綜合考量時(shí)的最優(yōu)水平。

峰值電流對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)序?yàn)?/p>

γ33A>γ25A>γ17A

脈沖寬度對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)序?yàn)?/p>

γ25μs>γ50μs>γ12.8μs

占空比對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)序?yàn)?/p>

γ20%>γ40%>γ30%

抬刀周期對(duì)綜合工藝指標(biāo)影響的灰關(guān)聯(lián)序?yàn)?/p>

γ0.04s>γ0.08s>γ0.16s

推薦的參數(shù)組合為A3B2C1D1,即峰值電流為33 A,脈沖寬度為25 μs,占空比為20%,抬刀周期為0.04 s,結(jié)合表11和表12可以看出,峰值電流對(duì)三項(xiàng)工藝目標(biāo)綜合影響最大,而抬刀周期、占空比和脈沖寬度對(duì)其影響基本一致。

表12　方差分析

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述灰關(guān)聯(lián)分析得出優(yōu)化組合為A3B2C1D1。對(duì)該優(yōu)化組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，將驗(yàn)證結(jié)果與L18(34)正交試驗(yàn)中的第16組(18組試驗(yàn)中灰關(guān)聯(lián)度值最高的一組)和第15組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表13所示。

表13　試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與第15組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,表面粗糙度提高了32.9%,相對(duì)電極損耗下降了1.1%,材料去除速度提高了0.61%。試驗(yàn)件表面對(duì)比如圖2所示。

(a)A3B2C1D1

(b)A2B3C1D3圖2　表面質(zhì)量對(duì)比圖

將驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果同第16組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,材料去除速度提高了12.99%,相對(duì)電極損耗下降了20.23%,表面粗糙度略微減小5.5%,整體的灰關(guān)聯(lián)度提高了7.46%。可以看出優(yōu)化參數(shù)組合大幅減小了相對(duì)電極損耗并提高了加工速度，而表面質(zhì)量略微減小。由灰關(guān)聯(lián)理論和驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果可知,最優(yōu)參數(shù)組合為此次4因素3水平試驗(yàn)共43組試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)組合。

4　結(jié)論

(1)灰關(guān)聯(lián)理論可以將多工藝目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)單一目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)度的優(yōu)化，使復(fù)雜的多工藝指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題迎刃而解。

(2)利用灰關(guān)聯(lián)理論的分析方法，對(duì)加工速度、相對(duì)電極損耗和表面粗糙度進(jìn)行綜合考量，尋求最佳的工藝參數(shù)組合，將優(yōu)化的參數(shù)組合與18組正交試驗(yàn)中最優(yōu)組合進(jìn)行對(duì)比，材料去除速度提高了12.99%，相對(duì)電極損耗下降了20.23%，表面粗糙度略微減小5.5%,整體灰關(guān)聯(lián)度提高了7.46%,優(yōu)化效果明顯。

(3)灰關(guān)聯(lián)理論的分析方法可以被更加廣泛地應(yīng)用于多工藝目標(biāo)優(yōu)化的試驗(yàn)分析中,從而大幅簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程并得到最佳參數(shù)組合。

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(編輯陳勇)

Experiments of Parameter Optimization of EDM Titanium Alloy Based on Gray Relation Theory

Zhao Jianshe1Yu Zixin1Zhou Xujiao1Yu Ze1，2Dou Haifeng1,2

1.Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Nanjing,210016 2.Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Chengdu,610092

Material removal rate,electrode wear ratio and surface roughness were chosen as the performance characteristics.To comprehensively evaluate the performance characteristics above, adjustable process parameters such as peak current, pulse duration, duty factor and tool jump cycle were studied in orthogonal experiments,which tested titanium alloy using commercially mature EDM equipment.Test process was simplified and optimized process parameter combination was achieved based on gray relation analysis,which converted multiple performances objectives into a single index(gray relation grade).Based on the confirmation experiments,the parameter combination can achieve a higher material removal rate and lower electrode wear ratio simultaneously and meet the requirements of surface roughness.

titanium alloy;electric discharge machining(EDM);gray relation;parameter optimization

2014-09-11

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011ZE52055)；“十二五”國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NS2013052)

TG661DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.007

趙建社,男,1976年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)樘胤N加工新技術(shù)、精密高效電加工技術(shù)、整體構(gòu)件組合電加工技術(shù)。郁子欣,男,1989年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。周旭嬌,女,1991年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。余澤,男,1973年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生,成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究員級(jí)高級(jí)工程師。豆海峰,男,1981年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生,成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司主任工藝師。