基于正交試驗(yàn)3Cr13電火花成型的加工試驗(yàn)及分析

王磊，劉巧，趙永滿*，陳虎

（1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

基于正交試驗(yàn)3Cr13電火花成型的加工試驗(yàn)及分析

王磊1，劉巧2，趙永滿1*，陳虎1

（1石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

為提高3Cr13不銹鋼模具型腔電火花成型精加工效率，降低加工過程中工具電極的損耗，以工具電極材料、峰值電流和脈沖寬度為影響因子，材料去除率和電極體積相對損耗為性能指標(biāo)，進(jìn)行2-3因素混合水平試驗(yàn)；應(yīng)用Minitab軟件建立了影響因子與性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型，分析了各因子對性能指標(biāo)的影響；采用多目標(biāo)優(yōu)化，確定最優(yōu)參數(shù)組合為：峰值電流為11.6 A，脈沖寬度為67.4 μs，電極材料為Cu50W；根據(jù)優(yōu)化參數(shù)組合，重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果為：材料去除率22.378 mm3/min，電極體積相對損耗1.075%，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合。該研究為電火花成型加工不銹鋼模具型腔最優(yōu)工具電極材料選擇和電參數(shù)選擇具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

正交試驗(yàn)；電火花成型加工；材料去除率；電極損耗

在現(xiàn)代模具加工中，不銹鋼材料以其抗拉強(qiáng)度高、硬度高、耐腐蝕性強(qiáng)、耐高溫等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于航天航空、石油化工、電子儀表等諸多領(lǐng)域［1］，然而不銹鋼材料具有高韌性、高熱強(qiáng)度、低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，致使在傳統(tǒng)切削加工中切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、所需切削力大、刀具磨損嚴(yán)重、易產(chǎn)生積屑瘤和粘刀等問題，使得不銹鋼的切削效率和加工質(zhì)量很難控制甚至不能進(jìn)行切削加工，其難加工性制約了 其應(yīng)用［2］。

電火花加工（Electrical discharge machining，EDM）是一種利用電、熱能量進(jìn)行加工的方法，加工時(shí)不受被加工材料強(qiáng)度、硬度限制，工件和工具電極無宏觀作用力等特點(diǎn)，對難加工材料的加工具有明顯優(yōu)勢［3-6］。在電火花微細(xì)精加工中，由于單位面積的電火花能量大，造成電極損耗嚴(yán)重，從而達(dá)不到精加工的技術(shù)要求，可通過調(diào)整加工參數(shù)，減少單位面積的放電能量，但勢必會降低加工效率［7］。合理選用電極材料和電參數(shù)可提高有效脈沖利用率，以最小的電極損耗獲得較高的加工速度、加工精度和表面質(zhì)量。

為提高3Cr13不銹鋼模具型腔電火花成型精加工效率，降低加工過程中工具電極的電極損耗，以工具電極材料、峰值電流和脈沖寬度為影響因子，材料去除率和電極體積相對損耗為響應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行2-3因素混合水平試驗(yàn)，應(yīng)用Minitab軟件建立響應(yīng)指標(biāo)與各影響因子的數(shù)學(xué)回歸模型，分析各因子對響應(yīng)指標(biāo)的影響，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證，從而為電火花成型加工最優(yōu)工具電極和電參數(shù)的選擇提供實(shí)際指導(dǎo)的依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

ROBOFORM 54P精密數(shù)控電火花成型機(jī)床（瑞士 GF，分辨率 0.5 μm）；EDM Fluid 108 MP/S電火花專用工作液（美國Exxon Mobil，閃點(diǎn)108℃，粘度3cst）；AB204-N精密電子天平（中國上海，量程0～210 g，精度 0.01 g）等。

1.2 工件材料和工具電極材料

1.2.1 工件材料

試驗(yàn)用工件材料為3Cr13，屬中碳馬氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和耐磨性，廣泛應(yīng)用于高負(fù)荷，高耐磨和高耐腐蝕性的塑料模具。其熱學(xué)性能如表1所示［8］。試驗(yàn)工件為長方體，尺寸為60 mm×25 mm×12 mm。

表1 3Cr13的熱學(xué)性能Tab.1 Thermology physical constant of 3Cr13

1.2.2 工具電極材料

微細(xì)電火花加工常用電極材料有Cu、W、Cu-W和WC等，其中電極材料的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱率較高的電極損耗較?。?，9］。為滿足 3Cr13模具型腔的電加工要求，結(jié)合3Cr13的熱學(xué)性能（表1），應(yīng)選擇相對損耗小、加工過程穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和易于制造加工的材料作為電極材料，因此選擇紫銅和銅鎢合金作為工具電極材料，其熱學(xué)物理常數(shù)如表2所示。試驗(yàn)用工具電極為長方體，尺寸為12 mm×12 mm×25 mm。為保證工具電極的尺寸一致性，每組試驗(yàn)完成后，對工具電極進(jìn)行尖角及表面處理。

表2 紫銅和銅鎢合金的熱學(xué)物理常數(shù)Tab.2 Thermology physical constant of Cu and Cu50W

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 影響因子和水平選取

（1）電極材料X1為紫銅（Cu）和銅鎢合金（Gu50 W）。

（2）電參數(shù)。電火花成型加工時(shí)，機(jī)床操作者通常借助機(jī)床制造廠家以工藝數(shù)據(jù)表形式提供的電規(guī)準(zhǔn)為參照，峰值電流和脈沖寬度決定放電能量，是影響電加工特性的主要影響因素，因此選取峰值電流X2和脈沖寬度X3作為影響因子。根據(jù)被加工材料的特性，系統(tǒng)推薦的峰值電流X2的取值范圍：6-12A，脈沖寬度 X3的取值范圍：25-100 μs。

1.3.2 響應(yīng)指標(biāo)選取及測定

（1）材料去除率。即加工速度，指在一定的工藝條件下，單位時(shí)間內(nèi)工件的電蝕量，一般用體積加工速度y1表示，即：

式中：y1為材料去除率（加工速度），mm3/min；Vw為工件被加工掉的體積，mm3；t為加工時(shí)間，min。

（2）電極體積相對損耗。生產(chǎn)中衡量電極損耗程度不僅要考慮電極損耗速度，而且要考慮加工速度。用電極體積相對損耗（損耗比）y2表示工具電極損耗程度，即：

式（2）中：y2為電極體積相對損耗，%；VE為工具電極損耗速度，mm3/min；y1為材料去除率（加工速度），mm3/min。

1.3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以提高3Cr13模具型腔電火花成型精加工效率，降低電極損耗為目標(biāo)，采用正交實(shí)驗(yàn)研究各影響因素對性能指標(biāo)的影響，并完成多目標(biāo)優(yōu)化。試驗(yàn)選取電極材料、峰值電流和脈沖寬度3個(gè)影響因素進(jìn)行多因子試驗(yàn)，以材料去除率和工具電極體積損耗為響應(yīng)指標(biāo)，按照2-3因素混合水平安排試驗(yàn)，制定的因子水平編碼表如表3所示［10-11］。

表3 L18（21*32）因子水平編碼表Tab.3 Coding table of L18（21*32） factor level

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用間隙電壓為120 V單電極負(fù)極性標(biāo)準(zhǔn)切入加工。借助精密電子天平，分別測量工件和工具電極加工前、后的質(zhì)量，根據(jù)公式（1）和（2）分別獲得材料去除率及電極體積相對損耗。根據(jù)編碼表，制定正交試驗(yàn)的試驗(yàn)方案，得到試驗(yàn)方案和結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.4 Program and result of the test

2.1 各因子對材料去除率的影響分析

2.1.1 回歸分析

根據(jù)表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助Minitab軟件得出材料去除率的方差分析結(jié)果。經(jīng)“Prob＞F”檢驗(yàn)可知，模型極顯著，各因素在0.05以上水平顯著，剔除不顯著項(xiàng)。

方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 各因子對材料去除率的方差分析Tab.5 Variance analysis of the influence of each factor to material removal rate

在該情況下，x1、x2、x3、x22、x1x2是模型的顯著項(xiàng)。由分析可知，各影響因子對材料去除率的影響的顯著性順序從大到小依次為峰值電流x2、脈沖寬度x3和電極材料x1。以電極材料X1為類別因子，分別得到電極材料Cu 50W和Cu去除率y1的數(shù)學(xué)回歸模型見式（3）和式（4）：

2.1.2 電極材料對材料去除率的影響

由圖1和圖2對比可知：峰值電流為11A時(shí)，材料去除率最大；電極材料為Cu50W，材料去除率為21 mm3/min；電極材料為 Cu，材料去除率為 25 mm3/min；相同工藝條件下，電極材料為Cu時(shí)的材料去除率略大于電極材料為Cu50W的材料去除率。

2.1.3 電參數(shù)對材料去除率的影響

由圖1和圖2可知：材料去除率隨脈沖寬度的增大而增大，隨峰值電流增大，先增大后減??；響應(yīng)曲面沿峰值電流方向變化較快，沿脈沖寬度方向變化較慢。峰值電流對材料去除率的影響要比脈沖寬度的影響顯著。

圖1 峰值電流與脈沖寬度對材料去除率的影響（固定值為Cu50W）Fig.1 Influence of peak current and pulse width on the material removal rate

圖2 峰值電流與脈沖寬度對材料去除率的影響（固定值為Cu）Fig.2 Influence of peak current and pulse width on the material removal rate

2.2 各因子對電極體積相對損耗影響的分析

2.2.1 回歸分析

根據(jù)表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Minitab軟件得出電極體積相對損耗的方差分析結(jié)果，“Prob＞F”檢驗(yàn)可知，模型極顯著，各因素在0.05以上水平顯著，剔除不顯著項(xiàng)，結(jié)果如表6所示。

表6 各因子對電極體積相對損耗的方差分析Tab.6 Variance analysis of the influence of each factor to electrode loss

在該情況下，x1、x2、x3、、、x1x2、x1x3是模型的顯著項(xiàng)。由分析可知，各影響因子對電極體積相對損耗影響的顯著性順序從大到小依次為電極材料x1、脈沖寬度x3、峰值電流x2。以電極材料x1為類別因子，得到電極材料Cu 50W和Cu電極體積相對損耗y2的數(shù)學(xué)回歸模型式（5）和式（6）：

2.2.2 電極材料對電極體積相對損耗的影響

由圖3和圖4比較可知，電極材料為Cu50W時(shí)的電極體積相對損耗低于電極材料為Cu的電極體積相對損耗。

2.2.3 電參數(shù)對電極體積相對損耗的影響

由圖3和圖4可知：電極體積相對損耗隨峰值電流的增大而增大，隨脈沖寬度的增大而減小；電極材料為Cu50W時(shí)，沿峰值電流方向電極體積相對損耗變化緩慢，沿脈沖寬度方向變化較快，因此脈沖寬度對電極體積相對損耗的影響要比峰值電流的影響顯著。

圖3 峰值電流與脈沖寬度對電極體積相對損耗的影響（固定值為Cu50W）Fig.3 Influence of peak current and pulse width on the on the electrode loss

3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

3.1 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)3Cr13電火花成型精加工要求，采用多目標(biāo)優(yōu)化法以材料去除率和電極體積相對損耗的性能指標(biāo)函數(shù)，對影響因子電極材料、峰值電流和脈沖寬度進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用Minitab軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，結(jié)果如圖5所示，尋找到滿足性能指標(biāo)的因子最佳組合：電極材料為Cu50W、峰值電流11.6 A、脈沖寬度67.4 μs，模型預(yù)測的材料去除率為22.142 mm3/min，電極體積相對損耗為1.054%。

圖5 優(yōu)化結(jié)果Fig.5 Optimization results

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為消除隨機(jī)誤差，根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見表7。由表7可知：試驗(yàn)優(yōu)化得出的最佳工作參數(shù)組合下的性能指標(biāo)值與優(yōu)化結(jié)果近似，材料去除率為27.378 mm3·min-1，電極體積相對損耗為1.075%，滿足3Cr13電火花成型精加工要求。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.7 Experimental results

4 結(jié)論

（1）電極材料為Cu時(shí)材料去除率較高，其加工效率高；電極材料為Cu50W時(shí)電極相對損耗較低，加工精度高。因此3Cr13模具型腔精加工時(shí)，應(yīng)選取Cu50W作為電極材料。

（2）峰值電流和脈沖寬度決定放電能量，電極材料一定時(shí)，脈沖電流對材料去除率的影響較為顯著，適當(dāng)增大脈沖電流，能夠提高加工效率；脈沖寬度對電極體積相對損耗的影響較為顯著，隨脈沖寬度的增大，電極體積相對損耗減小。

（3）最優(yōu)組合為：電極材料為Cu50W、峰值電流11.6 A、脈沖寬度67.4 μs，模型預(yù)測的材料去除率為 22.142 mm3·min-1，電極體積相對損耗為1.054%。用最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，材料去除率22.378 mm3/min，電極體積相對損耗1.075%，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，達(dá)到3Cr13電火花成型精加工要求。

（4）上述結(jié)論對3Cr13電火花成型精加工最優(yōu)工具電極材料選擇、電參數(shù)選擇具有實(shí)際指導(dǎo)作用。

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Based on the orthogonal experiment of 3Cr13 EDM processing test analysis

Wang Lei1，Liu Qiao2，Zhao Yongman1*，Chen Hu1
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Xin Jiang Shihezi 832003,China;2 College of Information Science and Technology,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

In order to improve the efficiency of 3Cr13 stainless steel mold cavity EMD molding finishing and reduce the wastage of the tool electrode in the processing,the tool electrode material,peak current and pulse width as impact factors,the material removal rate and electrode relative volume loss as the performance indicators,the orthogonal combination experiment of 2-3 factor mixed levels was designed.With the help of Minitab,the mathematical regression model of response indexes and each impact factor was established to analyse the influence of various factors on response indicators.Multi-objective optimization of experimental parameters was used to determine the optimal combination:peak current is 11.6 A,pulse width is 67.4 μs,electrode material is Cu50W.With optimized combination parameters,repeated tests were done to verify the results:the material removal rate was 22.378 mm3/min and the electrode volume relative loss was 1.075%,which were basically consistent with optimization results.This study is significant to the selection of the optimal tool electrode material and electrical parameters in electrical discharge molding fine finishing.

Orthogonal experiment;electrical discharge molding machining;material removal rate;electrode loss

TG661

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.03.019

1007-7383(2017)03-0378-05

2016-07-14

石河子大學(xué)優(yōu)秀青年項(xiàng)目（2012ZRKXYQ06）

王磊（1983-），男，講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造研究，e-mail：wl_mac@shzu.edu.cn。

*通信作者：趙永滿（1978-），男，副教授，從事工業(yè)工程研究，e-mail：zhrym@163.com。