朱穎謀，孫長宏，牛 祿，顧 琳

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海201109）

鉬鈦鋯合金具有耐高溫、耐燒蝕、防強(qiáng)熱、抗高速氣流沖刷等優(yōu)點(diǎn)，且在高溫高壓下表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，故在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如可用于制作火箭噴嘴和固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y體等[1]。然而，鉬鈦鋯高溫合金屬于硬脆材料，其沖擊韌性低、延伸率小、線膨脹系數(shù)小，且其彈性模量很高，很少發(fā)生彈性變形，在加工過程中幾乎不產(chǎn)生明顯的宏觀變形就會(huì)斷裂。因此，當(dāng)采用傳統(tǒng)切削加工時(shí)，材料表面極易崩裂甚至斷裂，加工出來的零件表面質(zhì)量差，且刀具磨損嚴(yán)重[2]。為了尋求一種能使鉬鈦鋯高溫合金材料加工精度高、表面質(zhì)量好的方法，本文基于DOE方法對單向走絲電火花線切割加工鉬鈦鋯高溫合金材料的加工效率進(jìn)行了優(yōu)化。

電火花線切割加工的非接觸式放電加工特點(diǎn)使其適合于任何導(dǎo)電的難切削材料的精密加工，被廣泛應(yīng)用于航天、軍工和模具等領(lǐng)域[3-5]。但由于鉬鈦鋯材料的特殊性，目前主流的單向走絲電火花線切割加工設(shè)備均未提供專用加工參數(shù)?，F(xiàn)階段加工鉬鈦鋯合金時(shí)，選取機(jī)床自帶的鎢加工參數(shù)，加工效率約30 mm2/min；選取機(jī)床自帶的鋼加工參數(shù)，加工效率約24 mm2/min，效率均不高。為了提高單向走絲電火花線切割加工鉬鈦鋯高溫合金的效率，本文采用DOE的方法，利用析因?qū)嶒?yàn)對影響加工效率的參數(shù)進(jìn)行篩選，得到顯著因子后，通過全因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究顯著因子對加工效率的影響，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，擬合得到單向走絲電火花線切割加工鉬鈦鋯高溫合金的加工效率推薦公式，并驗(yàn)證公式的合理性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在參數(shù)的適用范圍內(nèi)，實(shí)際加工效率與理論計(jì)算值吻合。最后，還分析了模型的參數(shù)適用范圍，并初步分析了在此放電參數(shù)范圍內(nèi)的加工工件表面質(zhì)量。

1 鉬鈦鋯高溫合金加工工藝實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)簡況

實(shí)驗(yàn)在某型號(hào)單向走絲電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行，工件材料為厚度20 mm的鉬鈦鋯高溫合金，加工長度為5 mm。實(shí)驗(yàn)考察對象為加工鉬鈦鋯的加工效率V，mm2/min。圖1是實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)床及工件裝夾。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工件裝夾

1.2 析因?qū)嶒?yàn)

在電火花線切割加工過程中，影響加工效率的因素有很多。其中，脈寬、占空比和峰值電流決定著單向走絲線切割放電加工的單次放電總能量，間隙電壓和沖液壓力對放電間隙和蝕除物的排出有影響，電極絲的運(yùn)絲速度和張力對加工表面質(zhì)量有影響[6-8]。因此，在開展工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)前，首先進(jìn)行了參數(shù)因素顯著性的篩選實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，脈寬Ton、占空比D、峰值電流Ip、間隙電壓SV和沖液壓力P是對加工效率有顯著影響的參數(shù)。而25-1的部分析因?qū)嶒?yàn)?zāi)茉诟饕蛩丶捌浣换ロ憫?yīng)中估計(jì)出主效應(yīng)，獲得參數(shù)之間最高2階的無混雜交互效應(yīng)。因此，通過25-1部分析因?qū)嶒?yàn)可得出對加工效率影響顯著的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步通過全因子實(shí)驗(yàn)分析參數(shù)對加工效率的影響。本文設(shè)計(jì)的25-1部分析因?qū)嶒?yàn)參數(shù)見表1。

表1 25-1析因?qū)嶒?yàn)參數(shù)

利用Minitab軟件分析加工參數(shù)對加工效率的影響。從方差分析表可看出，由于自由度的關(guān)系，不能判斷主效應(yīng)項(xiàng)與二因子交互效應(yīng)項(xiàng)是否顯著，使得無法判斷所選模型總的效果是否顯著和有效，故需減少分析的項(xiàng)數(shù)，簡化模型。選取效應(yīng)的Pareto圖中P值小于顯著水平0.05的項(xiàng)，進(jìn)一步分析簡化模型，從簡化模型的效應(yīng)正態(tài)圖可看出，對加工效率影響顯著的因素為脈寬（A）、占空比（B）、峰值電流（C）及二階交互效應(yīng) AB、BC 和 AC（圖 2），而其余不顯著因子的中間值將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中被使用。

圖2 25-1的部分析因?qū)嶒?yàn)加工效率效應(yīng)正態(tài)圖

1.3 全因素實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究脈寬、占空比和峰值電流對加工效率的影響，在析因?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三因子二水平另加3個(gè)中心點(diǎn)的全因素實(shí)驗(yàn)。全因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 全因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3是由全因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到的主效應(yīng)和交互效應(yīng)因子圖。由主效應(yīng)圖可知，脈寬、占空比和峰值電流對加工效率的影響都顯著，且隨著3個(gè)因子的增大而增大。因此，可初步得出，如需在選定參數(shù)范圍內(nèi)獲得較大的加工效率，3個(gè)參數(shù)都應(yīng)取較高值。由交互效應(yīng)圖可知，脈寬和占空比的交互效應(yīng)、脈寬和峰值電流的交互效應(yīng)對加工效率的影響較顯著，占空比和峰值電流的交互效應(yīng)對加工效率的影響不顯著。

圖3 全因子實(shí)驗(yàn)主效應(yīng)和交互效應(yīng)因子圖

同時(shí)，3個(gè)因子的主效應(yīng)圖中，中心點(diǎn)都與擬合的直線有偏離，說明存在曲率，即3個(gè)因子在其中心點(diǎn)附近存在一定的彎曲效應(yīng)。因此，需進(jìn)一步設(shè)計(jì)中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，研究各參數(shù)對加工效率的影響效果。

1.4 中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)

中心復(fù)合設(shè)計(jì)是對全因素實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展，是通過補(bǔ)充部分組數(shù)實(shí)驗(yàn)完成的一種響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。它具有旋轉(zhuǎn)性，在整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)的預(yù)測精度較高。中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4是對響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到的加工效率曲面圖?？芍孩佼?dāng)峰值電流為9 A且恒定時(shí)，加工效率隨占空比的增大而增大，隨脈寬的增大呈先增大、后減小的趨勢，且脈寬與占空比之間呈現(xiàn)出較明顯的交互關(guān)系。當(dāng)占空比取低水平時(shí)，加工效率隨脈寬的增大呈先增大、后減小的趨勢；當(dāng)占空比取高水平時(shí)，加工效率隨脈寬的增大而增大，且增大的趨勢很顯著；②當(dāng)占空比為0.6且恒定時(shí)，加工效率隨脈寬和峰值電流的增大而增大，且脈寬和峰值電流之間呈現(xiàn)出一定的交互關(guān)系。當(dāng)峰值電流取低水平時(shí)，加工效率隨脈寬的增大而增大；當(dāng)峰值電流取高水平時(shí)，加工效率隨脈寬的增大呈先增大、后減小的趨勢，但變化趨勢不顯著；③當(dāng)脈寬為1.5 μs且恒定時(shí)，加工效率隨占空比和峰值電流的增大而增大，且占空比和峰值電流之間沒有明顯的交互效應(yīng)。

圖4 加工效率曲面圖

表3 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析表，擬合得到的加工效率公式（未編碼單位）為：

式中：V 為加工效率，mm2/min；T 為脈寬，μs；D 為占空比；I為峰值電流，A。

3 模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及參數(shù)適用的范圍

3.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了校驗(yàn)加工效率擬合公式的正確性，需對模型進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)的單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)參數(shù)

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn)，由實(shí)驗(yàn)得到的擬合公式計(jì)算出的理論值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在可接受的范圍內(nèi)（誤差值＜5%），且實(shí)驗(yàn)值和理論值的變化趨勢有較好的擬合度。

表5 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 理論值與實(shí)驗(yàn)值對比

3.2 模型的參數(shù)適用范圍

加工能量過大會(huì)引起工件表面燒蝕和斷絲現(xiàn)象，加工無法連續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)行，從而造成加工效率降低、表面質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)廢品。因此，在保證連續(xù)、穩(wěn)定加工的前提下，通過實(shí)驗(yàn)得到擬合公式的參數(shù)適用范圍，并保證在此范圍內(nèi)找到加工效率最優(yōu)的放電參數(shù)。通過設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)尋找機(jī)床穩(wěn)定加工參數(shù)的上、下極限值（表6）。在作為固定因子時(shí)，該因子參數(shù)值取其中間值，即脈寬 1.5 μs、占空比 0.5、峰值電流9 A。

表6 推薦公式參數(shù)上、下極限值

通過測量各參數(shù)下被加工工件的表面粗糙度，分析得到其受峰值電流的影響較明顯。當(dāng)峰值電流≤12 A時(shí)，表面粗糙度的平均測量值可控制在Ra1.6 μm 左右，最小值可達(dá) Ra1.0 μm；當(dāng)峰值電流達(dá)到14 A時(shí)，穩(wěn)定的加工效率可達(dá)最高，表面粗糙度的平均測量值在Ra1.9 μm左右。因此，綜合考慮表面粗糙度后，得到的最優(yōu)放電參數(shù)為脈寬2.0 μs、占空比0.7、峰值電流12 A。此時(shí)，表面粗糙度的平均值能控制在 Ra1.6 μm 以下。

4 結(jié)論

本文通過25-1析因?qū)嶒?yàn)對影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的放電參數(shù)進(jìn)行篩選，得到影響電火花線切割加工鉬鈦鋯高溫合金加工效率顯著的因素有脈寬、占空比和峰值電流；在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)全因子實(shí)驗(yàn)得到上述因子的主效應(yīng)圖和交互效應(yīng)圖。分析可知，在全因子實(shí)驗(yàn)中心點(diǎn)處存在一定的彎曲效應(yīng)；進(jìn)一步設(shè)計(jì)了中心復(fù)合響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)，分析各放電參數(shù)對加工效率的影響規(guī)律，并擬合了加工效率的推薦公式。其次，設(shè)計(jì)了單因子實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證擬合模型的準(zhǔn)確性，并得到了模型的參數(shù)適用范圍。最后，就不同參數(shù)下加工的工件表面粗糙度進(jìn)行了分析，得到了表面粗糙度Ra＜1.6 μm時(shí)的最優(yōu)加工效率參數(shù)。

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