高硅鋁合金電火花加工的工藝參數優化設計
2017-6-2 來源：中北大學山西省先進制造技術重點實驗室 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工藝參數的影響，而且各個工藝參數之間還存在著相互制約的關系。本文通過對高硅鋁合金電火花加工，重點分析了間隙電壓、峰值電流、脈沖寬度和加工時間對工件加工速度的影響，并對實驗數據采用正交試驗的方法進行處理并綜合分析，得到 3 組最優組: 直接分析最優組、極差分析最優組、曲線分析最優組，通過驗證得到更優參數組。研究結果為實現高硅鋁合金高效高精度的電火花加工提供了參考。
關鍵詞: 高硅鋁合金; 電火花加工; 正交試驗; 優化
1.引言
高硅鋁合金材料具有密度低、熱膨脹系數小、熱傳導性能好、比強度和比剛度高的特點，因此被廣泛應用于航空、航天、半導體、軍工等諸多領域。但由于它對刀具的磨損非常嚴重，還很容易粘結刀屑，劃傷工作表面，用一些普通的方法很難對其加工，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，又被稱為電加工或電蝕加工，通過工具電極和工件電極之間的脈沖放電產生的電蝕作用來去除材料［2］。
在電火花加工過程中，工具電極與工件電極并沒有接觸，只存在微觀作用力，因此對工具電極材料硬度要求不高。由于不存在接觸，所以加工時在材料表面不會形成劃痕，材料的加工精度得到提高［3，4］。因此，對于高硅鋁合金來說，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的影響，而且各個工藝參數之間還存在著相互制約的關系，加工工藝效果很難控制。為了探尋最優電參數組，本文運用了正交試驗的方法對實驗數據進行處理和分析，通過采用這種方法為實際高硅鋁合金的高效高精度加工提供了一些參考。
2.試驗條件與測量方法
2.1 試驗條件
實驗設備: EDM450 /60NC 電火花數控機床; 工件材料: 用鑄造成型法制備的質量分數約為 60% 高硅鋁合金; 工具電極: 直徑為 20mm 的紫銅柱狀電極; 工作液: 電火花加工專用煤油; 加工極性: 正極性加工。
2.2 測量方法
加工速度: 在單位時間內工件材料被蝕除的重量或者體積。習慣用體積表示，即
3.試驗內容
加工速度是驗證加工方法的重要參數［5］，本試驗通過保持其它工藝參數不變的情況下，重點分析間隙電壓、峰值電流、脈沖寬度、加工時間四個電參數對工件加工速度的影響。參閱正交試驗設計手冊，設計出如表 1 所示的三水平四因素的正交試驗表 L9( 34)［6，7］。
表 1 正交試驗表
4.正交試驗結果及綜合分析
表 2 為加工速度的正交試驗數據采集表。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，加工時間為 20min 時加工速度最大為 23． 47mm3/ min。
表 2 加工速度的正交試驗數據表
從各參數極差可以得到: 各參數對加工速度的影響順序為: 加工時間 ＞ 脈沖寬度 ＞ 峰值電流 ＞ 間隙電壓。最優參數組為: 間隙電壓 55V，峰值電流5A，脈沖寬度 100μs，加工時間 10min。圖 1 為各電參數與加工速度的關系曲線。從圖1 可以看出:
(1) 間隙電壓。一開始間隙電壓越大，脈沖能量就越大，材料去除的就越快，當間隙電壓在 55V時，繼續增大，高硅鋁合金中的鋁和煤油工作液中的碳發生反應，形成化合物附在工件表面，進行了補償，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，當峰值電流達到 5A 以后，加工速度卻開始下降，其原因: 電流超過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，以至于無法充分進行消電離，使得加工不穩定，速度降低。
(3) 脈沖寬度。一開始，加工速度隨脈沖寬度增大而減小，這是因為一開始電流比較小，即使增加脈沖寬度，其脈沖能量去除材料的能力也有限，而消電離的時間相對減少，使得加工不穩定，加工速度降低。當脈沖寬度達到 50μs，這時電流已穩定，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) 加工時間。隨著加工時間的增加，工作液中的電蝕產物不斷的增加，工件表面的保護層也逐漸的增多，使得加工速度降低。
從曲線圖中可以看出，如果適當的增加脈沖寬度或者減小加工時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組: 間隙電壓55V，峰值電流 5A，脈沖寬度 100μs，加工時間 8min。
5.驗證試驗方案與結果
由于各電參數之間存在相互關聯或者試驗存在誤差，正交試驗得出來的最優參數組不一定是最好的，需要進一步驗證。表 2 為驗證試驗方案。根據表 2 得，曲線分析最優組為更優參數組。間隙 電 壓 為 55V，峰 值 電 流 為 5A，脈 沖 寬 度 為100μs，加工時間為 8min。
表 3 驗證試驗方案
6.結語
(1) 各參數對加工速度的影響順序為: 加工時間 ＞ 脈沖寬度 ＞ 峰值電流 ＞ 間隙電壓。
(2) 通過驗證直接分析最優組、極差分析最優組、曲線分析最優組，得到更優參數組: 間隙電壓為55V，峰值電流為 5A，脈沖寬度為 100μs，加工時間為 8min。
(3) 由于各個參數之間相互作用，所以在高硅鋁電火花加工中，根據不同工藝效果，選擇最優的參數組，使加工高效精確。
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