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高硅鋁合金電火花加工的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2017-6-2 來(lái)源：中北大學(xué)山西省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作者：王璟，祝錫晶，王建青，邢秀琴

摘要: 高硅鋁電火花加工受到多個(gè)工藝參數(shù)的影響，而且各個(gè)工藝參數(shù)之間還存在著相互制約的關(guān)系。本文通過(guò)對(duì)高硅鋁合金電火花加工，重點(diǎn)分析了間隙電壓、峰值電流、脈沖寬度和加工時(shí)間對(duì)工件加工速度的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行處理并綜合分析，得到 3 組最優(yōu)組: 直接分析最優(yōu)組、極差分析最優(yōu)組、曲線分析最優(yōu)組，通過(guò)驗(yàn)證得到更優(yōu)參數(shù)組。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)高硅鋁合金高效高精度的電火花加工提供了參考。

關(guān)鍵詞: 高硅鋁合金; 電火花加工; 正交試驗(yàn); 優(yōu)化

1.引言

高硅鋁合金材料具有密度低、熱膨脹系數(shù)小、熱傳導(dǎo)性能好、比強(qiáng)度和比剛度高的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天、半導(dǎo)體、軍工等諸多領(lǐng)域。但由于它對(duì)刀具的磨損非常嚴(yán)重，還很容易粘結(jié)刀屑，劃傷工作表面，用一些普通的方法很難對(duì)其加工，因此高硅鋁合金是一種難加工材料［1］。電火花加工是一種特種加工方法，又被稱(chēng)為電加工或電蝕加工，通過(guò)工具電極和工件電極之間的脈沖放電產(chǎn)生的電蝕作用來(lái)去除材料［2］。

在電火花加工過(guò)程中，工具電極與工件電極并沒(méi)有接觸，只存在微觀作用力，因此對(duì)工具電極材料硬度要求不高。由于不存在接觸，所以加工時(shí)在材料表面不會(huì)形成劃痕，材料的加工精度得到提高［3，4］。因此，對(duì)于高硅鋁合金來(lái)說(shuō)，電火花加工已成為一種重要方法。

高鋁硅合金電火花加工加工工藝效果受多種工藝參數(shù)的影響，而且各個(gè)工藝參數(shù)之間還存在著相互制約的關(guān)系，加工工藝效果很難控制。為了探尋最優(yōu)電參數(shù)組，本文運(yùn)用了正交試驗(yàn)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，通過(guò)采用這種方法為實(shí)際高硅鋁合金的高效高精度加工提供了一些參考。

2.試驗(yàn)條件與測(cè)量方法

2.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備: EDM450 /60NC 電火花數(shù)控機(jī)床; 工件材料: 用鑄造成型法制備的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 60% 高硅鋁合金; 工具電極: 直徑為 20mm 的紫銅柱狀電極; 工作液: 電火花加工專(zhuān)用煤油; 加工極性: 正極性加工。

2.2 測(cè)量方法

加工速度: 在單位時(shí)間內(nèi)工件材料被蝕除的重量或者體積。習(xí)慣用體積表示，即

3.試驗(yàn)內(nèi)容

加工速度是驗(yàn)證加工方法的重要參數(shù)［5］，本試驗(yàn)通過(guò)保持其它工藝參數(shù)不變的情況下，重點(diǎn)分析間隙電壓、峰值電流、脈沖寬度、加工時(shí)間四個(gè)電參數(shù)對(duì)工件加工速度的影響。參閱正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)出如表 1 所示的三水平四因素的正交試驗(yàn)表 L9( 34)［6，7］。

表 1 正交試驗(yàn)表

4.正交試驗(yàn)結(jié)果及綜合分析

表 2 為加工速度的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集表。從表2 可以直接得到: 間隙電壓為 55V，峰值電流為 5A，脈沖寬度為 100μs，加工時(shí)間為 20min 時(shí)加工速度最大為 23． 47mm3/ min。

表 2 加工速度的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從各參數(shù)極差可以得到: 各參數(shù)對(duì)加工速度的影響順序?yàn)? 加工時(shí)間＞脈沖寬度＞峰值電流＞間隙電壓。最優(yōu)參數(shù)組為: 間隙電壓 55V，峰值電流5A，脈沖寬度 100μs，加工時(shí)間 10min。圖 1 為各電參數(shù)與加工速度的關(guān)系曲線。從圖1 可以看出:

(1) 間隙電壓。一開(kāi)始間隙電壓越大，脈沖能量就越大，材料去除的就越快，當(dāng)間隙電壓在 55V時(shí)，繼續(xù)增大，高硅鋁合金中的鋁和煤油工作液中的碳發(fā)生反應(yīng)，形成化合物附在工件表面，進(jìn)行了補(bǔ)償，使得加工速度下降。

(2) 峰值電流。加工速度先隨電流的增大而增大，當(dāng)峰值電流達(dá)到 5A 以后，加工速度卻開(kāi)始下降，其原因: 電流超過(guò)了高硅鋁合金的所能承受的最大加工電流，使得放電能量非常大，以至于無(wú)法充分進(jìn)行消電離，使得加工不穩(wěn)定，速度降低。

(3) 脈沖寬度。一開(kāi)始，加工速度隨脈沖寬度增大而減小，這是因?yàn)橐婚_(kāi)始電流比較小，即使增加脈沖寬度，其脈沖能量去除材料的能力也有限，而消電離的時(shí)間相對(duì)減少，使得加工不穩(wěn)定，加工速度降低。當(dāng)脈沖寬度達(dá)到 50μs，這時(shí)電流已穩(wěn)定，脈沖寬度增加使得脈沖能量增加，材料的去除增加，加工速度提高。

(4) 加工時(shí)間。隨著加工時(shí)間的增加，工作液中的電蝕產(chǎn)物不斷的增加，工件表面的保護(hù)層也逐漸的增多，使得加工速度降低。

從曲線圖中可以看出，如果適當(dāng)?shù)脑黾用}沖寬度或者減小加工時(shí)間都可以提高工件的加工速度，所以綜上所述，得到曲線分析的最優(yōu)組: 間隙電壓55V，峰值電流 5A，脈沖寬度 100μs，加工時(shí)間 8min。

5.驗(yàn)證試驗(yàn)方案與結(jié)果

由于各電參數(shù)之間存在相互關(guān)聯(lián)或者試驗(yàn)存在誤差，正交試驗(yàn)得出來(lái)的最優(yōu)參數(shù)組不一定是最好的，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。表 2 為驗(yàn)證試驗(yàn)方案。根據(jù)表 2 得，曲線分析最優(yōu)組為更優(yōu)參數(shù)組。間隙電壓為 55V，峰值電流為 5A，脈沖寬度為100μs，加工時(shí)間為 8min。

表 3 驗(yàn)證試驗(yàn)方案

6.結(jié)語(yǔ)

(1) 各參數(shù)對(duì)加工速度的影響順序?yàn)? 加工時(shí)間＞脈沖寬度＞峰值電流＞間隙電壓。

(2) 通過(guò)驗(yàn)證直接分析最優(yōu)組、極差分析最優(yōu)組、曲線分析最優(yōu)組，得到更優(yōu)參數(shù)組: 間隙電壓為55V，峰值電流為 5A，脈沖寬度為 100μs，加工時(shí)間為 8min。

(3) 由于各個(gè)參數(shù)之間相互作用，所以在高硅鋁電火花加工中，根據(jù)不同工藝效果，選擇最優(yōu)的參數(shù)組，使加工高效精確。

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