作者：
李文明， 劉 飛（
天津理工大學中環資訊學院）
文章已刊載在《模具製造》月刊，版權歸作者所有，轉載請註明出處，謝謝！
【摘要】
Cr基模具鋼在衝壓模具的製造中有著廣泛應用， 研究電火花線切割技術加工此類模具鋼的工藝規律， 對於企業生產實現增效降本有著重要意義。以材料種類、 脈衝寬度、脈衝間隔、 伺服電壓為試驗變數， 切割速度、 加工尺寸、 表面粗糙度為工藝目標進行了正交試驗， 採用極差分析與方差分析對試驗結果進行了分析， 兩種分析方法得出的結論基本一致， 分析結論可信度較高。
關鍵詞：
Cr基模具鋼；電引數；切割速度；加工尺寸；表面粗糙度
1 引言
冷作模具鋼在衝壓模具的製造中有著廣泛應用，尤其是Cr8類與Cr12類模具鋼。Cr8類模具鋼含C、 Cr量較低， 韌性較好；Cr12類模具鋼耐磨性較好， 隨著Mo、 V元素的增加， 可以進一步增強耐磨性 ［1］ 。電火花線切割是完成衝壓模具凸凹模加工的首選技術。國內外學者針對電火花線切割加工模具鋼技術領域進行了大量的研究。趙靈研究了電火花線切割加工Cr12模具鋼， 脈衝寬度、 開路電壓、 走絲速度、 衝液壓力對加工速度和表面粗糙度的影響關係 ［2］ 。殷靜凱研究了電火花線切割Cr12MoV模具鋼， 脈寬時間、 脈間時間、 間隙電壓、 峰值電流對材料去除率和表面粗糙度的影響關係［3］ 。Kumar 研究了電火花線切割 D2（Cr12Mo1V1） 模具鋼， 走絲速度、 衝液壓力、 間隙電壓、峰值電流對材料去除率和表面粗糙度的影響關係 ［4］ 。
現有的研究報道主要集中在對單種類材料的電火花線切割工藝規律研究， 未能對多種類材料進行對比性的試驗研究， 並且研究的工藝目標多集中在加工速度和表面粗糙度方面， 對加工尺寸的工藝目標基本沒有。基於此研究現狀， 本文以常用的模具鋼材料Cr8、Cr12、 Cr12MoV、 Cr12Mo1V1為試驗材料， 全面的考慮切割速度、 加工尺寸、 表面粗糙度工藝指標， 進行了慢走絲電火花線切割Cr基模具鋼工藝規律的試驗研究，旨在為企業加工模具鋼材料提供一定理論參考。
2 試驗方法
在慶鴻慢走絲G3525S機床上， 採用 0。25mm銅電極絲、 去離子水工作液進行了試驗。選取材料種類、 脈衝寬度、 脈衝間隔、 伺服電壓為試驗變數， 切割速度、 加工尺寸、 表面粗糙度為工藝目標， 設計了正交試驗。每種材料的厚度都是20mm， 每個樣件都是邊長 4mm 的長方體， 試驗過程如圖 1 所示， 先是進行Cr8、Cr12 材 料 的 切 割 ，然 後 進 行 Cr12MoV、Cr12Mo1V1材料的切割， 切割樣件如圖2所示。切割速度等於切割表面積與切割時間的比值， 加工尺寸採用千分尺測量樣件相同兩表面間的上、 中、 下3處位置後所得平均值， 表面粗糙度值採用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個位置後所得平均值， 試驗變數及取值如表1所示， 試驗設計及結果如表2所示。
圖1 試驗過程
圖2 切割樣件
3 試驗結果分析
3.1 極差分析
極差分析法計算簡單、 結果直觀， 是正交試驗結果分析最常用的方法。4個試驗變數每水平下對應的各平均工藝指標值及各變數對應的工藝指標極差值如表3所示。
3。1。1 試驗變數對切割速度的影響
根據4個試驗變數每水平下對應的平均切割速度以及各變數在所有水平下的切割速度極差值， 繪製各試驗變數與切割速度的影響曲線圖， 如圖3所示， 得知對切割速度的影響：脈衝寬度與脈衝間隔影響程度基本相同， 且影響程度最大， 其次是伺服電壓、 材料種類。這是因為：隨著脈衝寬度的增大， 單位時間內放電能量增加， 電火花蝕除能力增強， 切割速度顯著加快；相反， 隨著脈衝寬度的增大， 單位時間內放電能量減小， 電火花蝕除能力減弱， 切割速度顯著減慢。電極平均間隙電壓大於設定的伺服電壓設定值時， 電極絲前進， 所以隨著伺服電壓的增大， 為了維持間隙電壓的穩定， 電極絲前進速度減慢， 隨之切割速度減慢。Cr基模具鋼中， 隨著Cr元素含量的增加與Mo、 V元素的加入及增加， 材料的電火花可加工性得到改善， 切割速度小幅度加快。
圖3 試驗變數對切割速度的影響曲線
3。1。2 試驗變數對加工尺寸的影響
根據4個試驗變數每水平下對應的平均加工尺寸以及各變數在所有水平下的加工尺寸極差值， 繪製各試驗變數與加工尺寸的影響曲線圖， 如圖4所示， 得知對加工尺寸的影響：伺服電壓對加工尺寸影響程度最大， 其次是脈衝寬度、 脈衝間隔， 且兩者影響程度基本一致， 材料的型別影響程度最小。由伺服電壓對切割速度的影響分析可知， 伺服電壓增大， 切割速度減慢，相同放電能量情況下， 由於切割速度減慢， 切割區域單位長度平均分配到的放電能量增加， 電蝕除能力增強， 去除量增加， 所以加工尺寸減小。在一定範圍內，隨著脈衝寬度的增大， 雖然切割速度也升快， 但是放電能量增加的幅度要大得多， 最終結果是切割區域單位長度平均分配到的放電能量增加， 電蝕除能力增強， 加工尺寸減小。在一定範圍內， 隨著脈衝間隔的增加， 雖然單位時間內放電能量減小， 但是切割速度也減慢， 並且電蝕產物排出的時間逐漸增加， 利於放電加工， 電蝕除能力增強， 加工尺寸減小。材料種類不同時， 放電能量不變， 但是隨著元素種類、 含量的增加， 切割速度加快， 所以切割區域單位長度平均分配到的放電能量減小， 電蝕除能力減弱， 加工尺寸變大；由於測量尺寸使用的是千分尺， 精度有限， 並且材料種類對加工尺寸的影響相對較小， 導致的結果就是測量後的試驗結果資料有一定誤差， 與理論分析略有一些出入。
圖4 試驗變數對加工尺寸的影響曲線
3。1。3 試驗變數對錶面粗糙度的影響
根據4個試驗變數每水平下對應的平均表面粗糙度以及各變數在所有水平下的表面粗糙度極差值， 繪製各試驗變數與表面粗糙度的影響曲線圖， 如圖5所示， 得知對錶面粗糙度的影響：脈衝寬度對錶面粗糙度的影響程度最大， 其次是伺服電壓、 脈衝間隔， 材料種類對錶面粗糙度基本沒有。脈衝寬度增加， 單脈衝放電能量增大， 電蝕除凹坑增大， 切割表面粗糙度值越大。伺服電壓主要用於調整間隙電壓的穩定， 以維持放電狀態的穩定， 當伺服電壓40V時， 放電狀態比較穩定， 對應的表面粗糙度值最小， 伺服電壓高於或者低於40V時， 放電狀態都不穩定， 切割後的表面粗糙度值也大。脈衝間隔增加， 單脈衝放電能量減小，並且電蝕產物排出時間增加， 利於消電離， 放電狀態穩定， 尤其是脈衝間隔增加至19μs時， 切割表面粗糙度值顯著減小。
圖5 試驗變數對錶面粗糙度的影響曲線
3.2 方差分析
極差分析方法雖然計算簡單、 直觀易懂， 但是試驗誤差無法估計， 不能精確地估量試驗變數對各工藝指標影響的顯著性， 因此引入方差分析方法， 準確判斷因素對指標的影響程度。切割速度、 加工尺寸、 表面粗糙度方差分析表， 如表4、 表5、 表6所示。試驗變數的顯著性可用P值判定， 一般認為P＜0。01， 試驗變數為關鍵因子， P＜0。05， 試驗變數為重要因子， P＜0。1， 試驗變數為一般因子或次要因子 ［5］ 。
由表4知， P C ≈P B ＜P D ＜P A ， 各試驗變數對切割速度的影響程度由強到弱依次為：脈衝間隔、 脈衝寬度，且顯著性較大；伺服電壓， 且顯著性一般；材料種類，且顯著性較小。由表5知， P D ＜P B ＜P C ＜P A ， 各試驗變數對加工尺寸的影響程度由強到弱依次為：伺服電壓， 且顯著性較大；脈衝寬度、 脈衝間隔， 且顯著性一般；材料種類， 且顯著性較小。由表 6 知， P B ＜P D ＜P C ＜P A ， 各試驗變數對錶面粗糙度的影響程度由強到弱依次為：脈衝寬度、 伺服電壓、 脈衝間隔、 材料種類，且顯著性都很小。
根據以上方差分析結果與極差分析結果對比可知， 兩種分析方法得出的結論基本一致， 說明試驗中的誤差遠小於試驗變數對工藝指標的影響， 分析結論可信度較高。
4 結論
採用正交試驗， 透過極差分析和方差分析， 研究了材料種類、 脈衝寬度、 脈衝間隔、 伺服電壓對切割速度、 加工尺寸、 表面粗糙度工藝目標的影響規律。
（1） 試驗變數對切割速度的影響程度大小依次為：脈衝間隔、 脈衝寬度、 伺服電壓、 材料種類。在試驗變數取值範圍內， 切割速度與脈衝間隔、 伺服電壓負相關， 與脈衝寬度正相關， 隨著Cr元素含量的增加與Mo、V元素的加入以及增加， 有利於切割速度的提升。
（2） 試驗變數對加工尺寸的影響程度大小依次為：伺服電壓、 脈衝寬度、 脈衝間隔、 材料種類。在試驗變數取值範圍內， 加工尺寸與伺服電壓、 脈衝寬度、脈衝間隔負相關， 並且加工尺寸與切割速度有一定關係， 切割速度減慢， 會導致切割區域單位長度平均分配到的放電能量增加， 加工尺寸減小。試驗的4種材料種類對加工尺寸影響很小。
（3） 試驗變數對錶面粗糙度的影響程度大小依次為：脈衝寬度、 伺服電壓、 脈衝間隔、 材料種類。脈衝寬度的大小影響蝕除凹坑直徑的大小， 從而直接決定表面粗糙度的大小。伺服電壓、 脈衝間隔影響著放電狀態的穩定性、 蝕除物的排出， 對錶面粗糙度有著間接的影響。試驗的4種材料種類對錶面粗糙度影響基本可以忽略。
（4） 試驗資料採用極差分析與方差分析， 得到的結果基本一致， 分析結論可信度較高。
—The End—