多曲率油槽成形電極設(shè)計(jì)工藝方案綜合評價(jià)

文 武， 王西彬， 王 營， 夏 青， 錢 蒙

（1.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院， 北京 100081）

0 引言

某裝備液壓系統(tǒng)上壓力油槽是八個(gè)槽寬為3mm，油槽深3mm， 而最長的單個(gè)油槽長是槽寬的60 倍， 達(dá)到181mm 的特殊結(jié)構(gòu)件，零件材料為QT700-2。電火花加工是通過電極與工件之間的放電， 利用熱能來實(shí)現(xiàn)工件的加工，電火花加工能用于難加工材料和特殊結(jié)構(gòu)件，其在復(fù)雜件的加工效率和加工精度方面有十分明顯的優(yōu)勢。

多曲率油槽結(jié)構(gòu)件電火花成形加工電極工藝方案設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜，而且主要依靠技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，要實(shí)現(xiàn)工藝方案的最優(yōu)選擇， 減少個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的影響，需要建立較好的工藝方案評價(jià)體系，從眾多工藝方案中優(yōu)選出最佳工藝配置。 影響工藝方案的因素有很多，比如產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等許多因素只能用定性的方式進(jìn)行評價(jià)， 對于這類很難給出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模糊性事物，用一般的方法很難做出評價(jià)，而模糊數(shù)學(xué)就是以客觀世界中模糊的現(xiàn)象作為研究對象，從中找出規(guī)律，然后用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)方法來處理的一種科學(xué)， 它為我們研究復(fù)雜的事物和難以定量的問題提供了可行有效的方法， 模糊理論在機(jī)械工程方面具有廣泛的應(yīng)用[1-3]，本文采用模糊理論來對多工藝方案進(jìn)行評價(jià)選優(yōu)。

1 工藝方案

紫銅是目前電加工領(lǐng)域中應(yīng)用最多的電極材料之一，具有良好的導(dǎo)電性能，加工穩(wěn)定性好，電極損耗小，其機(jī)加性能好，可獲得較高的成形精度，采用精加工能達(dá)到較好的表面粗糙度，因此選擇紫銅材料作為電極材料。

電火花加工用工具電極常用結(jié)構(gòu)形式可分為四類：整體式、組合式、鑲拼式和分解式等四種。 由于分解式電極結(jié)構(gòu)，需要多個(gè)電極分次加工，一方面加工效率較低，另一方面存在重復(fù)定位的問題，位置精度難以保證，暫不考慮。 根據(jù)不同結(jié)構(gòu)形式工具電極的優(yōu)缺點(diǎn)，針對多曲率油槽加工特點(diǎn)和電火花加工的優(yōu)勢， 提出了三種電火花加工方案：

方案1：鑲拼式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用通用設(shè)備加工，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，其生產(chǎn)流程如圖1 所示。

圖1 鑲拼式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖

夾具：粗、精加工電極夾具底面、端面-加工電極夾具側(cè)面緊固螺紋-數(shù)控打孔-慢走絲加工八個(gè)安裝槽。

紫銅電極：粗、精加工電極上下兩表面-數(shù)控銑削加工電極-修正電極。

方案優(yōu)缺點(diǎn)： 在數(shù)控銑床上進(jìn)行加工可以獲得較高的精度；電極制作方便，便于加工；電極安裝容易。但其也有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：電極加工余量較多，電極材料浪費(fèi)；由于電極較重，電極夾緊較為困難。

方案2：組合式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從新產(chǎn)品的研發(fā)試制方面考慮， 決定采用通用設(shè)備加工， 生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，其生產(chǎn)流程如圖2 所示。

圖2 組合式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖

夾具：粗、精加工電極夾具底面、端面-加工電極夾具側(cè)面緊固螺紋-數(shù)控打孔-慢走絲加工八個(gè)電極安裝槽。

紫銅電極：粗、精加工電極表面-慢走絲加工八個(gè)電極。

方案優(yōu)缺點(diǎn)：電極之間的相對位置可以調(diào)整，可以保證較高的精度， 電極幾何形狀和尺寸精度可以得到較好的保證，電極制作高度可以較高，電極使用壽命較長；電極損耗后，只要把損耗后的電極修整，無需全部修整，電極的更換和修整方便，對生產(chǎn)不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，電極利用率較高。

方案3：整體式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，其加工流程如圖3 所示。

紫銅電極：粗精加工底面、端面-加工成型電極

方案優(yōu)缺點(diǎn)： 電極相互位置精度較高， 加工精度較高；但其也存在以下缺點(diǎn)：電極加工余量較大，并且電極報(bào)廢后底座不能重復(fù)使用，電極材料浪費(fèi)嚴(yán)重；相鄰兩電極之間尺寸較小， 加工不方便； 并且受刀具長徑比的影響，電極制作高度不會(huì)太高；只要有一個(gè)電極損耗后，就必須把電極整個(gè)拆卸下來， 并且同時(shí)需要將所有的電極進(jìn)行修整，浪費(fèi)電極材料和需較長的修整時(shí)間。

圖3 整體式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖

2 工藝方案評價(jià)

2.1 工藝方案模糊評價(jià)體系

影響工藝方案優(yōu)選的主要因素主要有：生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率三個(gè)方面，這是第一層因素。生產(chǎn)成本一般包括零件材料費(fèi)、工資、電費(fèi)、機(jī)床折舊費(fèi)、夾具和工具費(fèi)等； 生產(chǎn)效率主要包括制作工具電極所消耗的時(shí)間以及在使用工具電極加工時(shí)考慮到工具電極損耗后更換、修復(fù)所需輔助時(shí)間；產(chǎn)品質(zhì)量主要從加工表面質(zhì)量、形位誤差、電極使用壽命等三個(gè)方面來考慮，這是第二層因素。 第二層因素是對上述指標(biāo)進(jìn)一步評價(jià)而細(xì)分的因素集。 影響工藝方案評價(jià)優(yōu)選的因素主要有三個(gè)方面共9 個(gè)指標(biāo)。 由于各因素地位的重要性不同，因此，必須對各因素進(jìn)行加權(quán)，影響工藝方案優(yōu)選的因素較多，單一因素所獲得的權(quán)重較小，因此，為了避免由于人的主觀因素而導(dǎo)致權(quán)重預(yù)測與實(shí)際情況相背離的情況，本文采用層次分析法[4，5]將各因素集合按屬性分類，通過測評指標(biāo)兩兩比較，建立判斷矩陣，并進(jìn)行排序確定各測評指標(biāo)的重要性來確定權(quán)重分配。

圖4 工藝方案評價(jià)指標(biāo)體系

層次分析法首先根據(jù)問題的性質(zhì)、以及所要達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行分層，依據(jù)問題的隸屬關(guān)系和關(guān)聯(lián)程度分解為不同的因素組，形成一個(gè)不相交的層，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行定性和定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，層次分析法對一個(gè)定性復(fù)雜的事物，以一個(gè)層次遞進(jìn)的方式直觀的表達(dá)出來，反映出不同因素之間的相互關(guān)系，是系統(tǒng)工程學(xué)的系統(tǒng)分析法和系統(tǒng)綜合法。

2.2 構(gòu)建比較判別矩陣

以工藝方案優(yōu)選為準(zhǔn)則，記為A，以生產(chǎn)成本、 產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率為對比因素，建立層次結(jié)構(gòu)判別矩陣，記為A-Bi，具體方法見參考文獻(xiàn)[7-8]，類似的，以生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率為準(zhǔn)則，以第三層各因素為比較對象建立判別矩陣，記為Bi-Cj，同理，建立第四層與第三層的判別矩陣，記為Ci-Dk，判別矩陣如下：

表1 工藝方案經(jīng)濟(jì)性評價(jià)計(jì)算結(jié)果

對判別矩陣求其最大特征值及最大特征值對應(yīng)的特征向量， 并將特征向量歸一化， 求得相應(yīng)層次的權(quán)重向量、一致性指標(biāo)CI、和一致性比例CR，結(jié)果見表1，其中RI 為平均一致性指標(biāo)。

所有層次排序CR 值均小于0.1，符合一致性要求。

2.3 層次總排序

第四層相對第三層的排序向量WD-C為：

2.4 一致性

由于：

所以可以認(rèn)為比較判別矩陣的一致性可以接受，層次中所有元素的標(biāo)度分配是合理的。 由此可得多曲率油槽成型加工電極設(shè)計(jì)方案排序結(jié)果為：

方案1：權(quán)重為0.2736；

方案2：權(quán)重為0.4879；

方案3：權(quán)重為0.2384；

計(jì)算結(jié)果表明：方案2 是一種較為理想的方案。這是由于整體成形電極雖然相互位置精度較高， 加工精度較高，但其電極制備成本較高，電極加工余量較大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重；鑲拼式電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在上述問題，并且其電極制備不如組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，使用上也不是很方便。

3 結(jié)束語

采用了層次分析法對多曲率油槽成形加工電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝方案進(jìn)行了模糊評價(jià)選優(yōu)， 建立了工藝方案評價(jià)體系遞階層次結(jié)構(gòu)模型， 并對各層次進(jìn)行了排序和一致性檢驗(yàn)，一致性檢驗(yàn)結(jié)果表明判別矩陣是合理的，評價(jià)結(jié)果是可以接受的，模糊評優(yōu)結(jié)果表明：組合式電極設(shè)計(jì)方案是一種較為理想的方案。 依據(jù)評優(yōu)結(jié)果制備了組合式多曲率油槽成形電極，并加工出合格零件。