宋丹，周建平，王恪典,2?

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

鋁及鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐低溫等特點(diǎn)，7075鋁合金具有良好的綜合性能，被譽(yù)為鋁合金中最優(yōu)良的類型，高強(qiáng)度遠(yuǎn)勝其他種類鋁合金，廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、汽車等領(lǐng)域[1,2].對鋁合金進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，尤其是航空用鋁合金，切削量大且多為薄壁件，容易產(chǎn)生加工變形，短電弧加工具有無切削力和去除效率高的特點(diǎn)，對提高7075鋁合金的高效高質(zhì)量有較強(qiáng)的實(shí)用意義[3,4].

短電弧加工技術(shù)的出現(xiàn)，成功解決了低效、噪聲大、高污染的加工問題.短電弧銑削加工技術(shù)是一種非接觸式高效放電加工方式，不受材料本身性能所限制，使難加工材料頗為受益[5].在短電弧銑削加工7075鋁合金過程中，工藝效果受多種加工參數(shù)影響，其加工效果無法準(zhǔn)確控制.已有研究者初步進(jìn)行了短電弧銑削加工下的工藝研究，如許燕等[6]運(yùn)用灰色理論將多工藝目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單一灰關(guān)聯(lián)度的問題，所得參數(shù)組合在保證表面質(zhì)量的前提下有效提高短電弧加工效率并降低電極損耗率；朱晨光等[7]通過改變脈沖頻率和占空比等工藝參數(shù)對工件表面變質(zhì)層做出相關(guān)研究，得出頻率和占空比較高時(shí)工件表面更容易產(chǎn)生裂紋，較低的頻率和占空比會使熔化凝固層的厚度提高.本文從工藝試驗(yàn)的角度探討電源參數(shù)對短電弧銑削加工的加工效率、電極損耗等方面的影響規(guī)律，以此選取電源工藝參數(shù)，對工件加工效率進(jìn)行合理提高，對刀具損耗進(jìn)行有效降低.

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

短電弧銑削試驗(yàn)采用正極性加工，以防濺液和水成1:200比例的水汽混合物作為極間工作介質(zhì)，液壓為0.1 MPa，氣壓為0.3 MPa[8].

（1）電源: 短電弧新型脈沖電源；

（2）試驗(yàn)設(shè)備: 新疆大學(xué)自主研制的數(shù)控短電弧銑削機(jī)床；

（3）工件：試件尺寸為35 mm×35 mm×10 mm的7075鋁合金；

（4）工具電極：外徑為φ18 mm且內(nèi)徑為φ6 mm的圓柱石墨電極；

（5）檢測裝置：精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺，精度為0.01 g的電子天平.

在進(jìn)行短電弧銑削加工時(shí)，工件與刀具分別接短電弧新型脈沖電源的陽極與陰極，在具有一定氣、液比例且?guī)毫Φ幕旌瞎ぷ鹘橘|(zhì)的作用下，陽極和陰極的電極表面之間形成等離子通道，其產(chǎn)生的高熱能使得工件材料發(fā)生局部熔融和汽化，在混合工作介質(zhì)的冷卻和沖刷作用下，使得材料蝕除的一種加工方法稱之為短電弧銑削加工.加工原理如圖1所示.

圖1 短電弧銑削加工原理示意圖Fig 1 schematic diagram of short arc milling

1.2 工藝試驗(yàn)

在短電弧銑削加工過程中，對加工效果產(chǎn)生影響的工藝參數(shù)很多，其影響程度各有不同.實(shí)驗(yàn)選取電參數(shù)作為主要研究對象，具體設(shè)定如表1所示.加工工件7075鋁合金的化學(xué)成分，如表2所示.

表1 工藝參數(shù)Tab 1 Process parameters

表2 7075鋁合金化學(xué)成分Tab 2 7075 aluminum alloy chemical composition

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行短電弧銑削加工，MRR和TWR作為加工工藝指標(biāo)，試驗(yàn)工藝評價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中M為工件蝕除量；T為加工時(shí)間.

式中m為工具電極損耗量.在開展短電弧銑削加工實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)式（1）和（2）對工件的MRR、TWR進(jìn)行了測量和計(jì)算，結(jié)果如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab 3 experimental results

2.1 極差分析

極差分析法計(jì)算簡單、表達(dá)直觀、分析易懂.對正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差分析，可以有效表現(xiàn)出各因素水平變化所引起的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異，Rj體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)中各因素水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化程度，Rj越大表明該因素對當(dāng)前工藝指標(biāo)影響程度越強(qiáng)[9].第j列的因素極差計(jì)算如下:

式中，kij(i=1,2,3;j=1,2,3)表示第j因素i水平所對應(yīng)的工藝指標(biāo)之和的平均值.

將表3中的數(shù)據(jù)，依照公式（3）對兩種工藝指標(biāo)分別進(jìn)行處理，兩個工藝指標(biāo)的極差分析結(jié)果如表4所示.

表4 極差分析結(jié)果Tab 4 Range analysis results

根據(jù)以上數(shù)據(jù)和極差分析方法，各影響因素的水平改變對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是不同的，極差R越大，即該影響因素對工藝指標(biāo)的影響越大[10].由表4可以看出，對于材料去除率，通過R值的比較：0.398>0.265>0.065，即各因素對MRR影響程度水平為：A（電壓）> B（占空比）> C（脈沖頻率）.通過比較電壓因素下Kij的值（1.892>1.889>1.494），即K21>K31>K11，意味著電壓（A）取第二水平A2所對應(yīng)的材料去除率最大；同理比較占空比因素下Kij的值（1.878>1.784>1.613），即K32>K22>K12，即當(dāng)占空比（B）取第三水平B3所對應(yīng)的材料去除率最大；最后比較脈沖頻率因素下Kij的值（1.794>1.752>1.729），即K23>K13>K33，即頻率（C）取第二水平C2所對應(yīng)的材料去除率最大.

對于相對電極損耗比，通過R值的比較：32.896>26.823>21.262，即影響因素對TWR的影響主次水平為A（電壓）>C（脈沖頻率）>B（電壓）.由表4數(shù)據(jù)可以得出，通過比較電壓因素下Kij的值（46.857<62.012<79.753），即K31

2.2 方差分析

極差分析法是正交設(shè)計(jì)中頻繁使用的一種方法，但極差分析法的運(yùn)用有所限制，極差法無法充分利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所提供的信息.面對誤差較大或精度要求較高的實(shí)驗(yàn)，單一應(yīng)用極差分析而忽略實(shí)驗(yàn)誤差影響，將會直接降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性[11].因此，本次實(shí)驗(yàn)需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用方差分析做進(jìn)一步的驗(yàn)證.

方差分析步驟如下：

（1）偏差平方和計(jì)算

其中SST為樣本總偏差；SSj為因素偏差和；Kij為j 因素i水平所對應(yīng)的工藝指標(biāo)之和；n為實(shí)驗(yàn)總次數(shù)；m為單個因素的水平數(shù).

（2）自由度計(jì)算

總自由度：dft=n?1.

各因素自由度：dfj=m?1 式中，n為實(shí)驗(yàn)總次數(shù)；m為單個因素的水平數(shù).

（3）平均偏差平方和計(jì)算

（4）利用F-檢驗(yàn)準(zhǔn)側(cè)判斷顯著性檢驗(yàn)

按照上述方差分析求解步驟計(jì)算所得結(jié)果如表5和表6所示.

表5 材料去除率的方差分析Tab 5 Analysis of variance of material removal rate

從表5可以看出，顯著性為（0.03<0.443<0.958），故電參數(shù)對材料去除率的影響水平為：A>B>C，即電壓>占空比>脈沖頻率.從表6可以看出，顯著性為（0.206<0.352<0.556），故電參數(shù)對相對電極損耗比的影響水平為：A>C >B，即電壓>脈沖頻率>占空比.上述電參數(shù)影響水平結(jié)果與極差分析所得影響程度結(jié)果相同，驗(yàn)證了加工參數(shù)影響水平的正確性.

表6 相對電極損耗比的方差分析Tab 6 Analysis of variance of relative electrode loss ratio

2.3 綜合平衡分析法

最終的參數(shù)組合是基于兩種加工工藝指標(biāo)的綜合評價(jià)結(jié)果，不能僅僅考慮單一加工工藝指標(biāo)，必須在單個加工工藝指標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，使用綜合平衡法選擇多種工藝指標(biāo)得出最終的最優(yōu)組合[12].

表7 正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果Tab 7 Optimization results of orthogonal test

結(jié)合表7中各加工工藝指標(biāo)的電參數(shù)組合，通過極差分析和方差分析所得結(jié)果，采用綜合平衡法綜合考慮加工工藝指標(biāo)，詳細(xì)分析過程如下：

（1）A因素對應(yīng)兩種工藝指標(biāo)的值為A2和A3，根據(jù)影響因素主次水平可以得出MRR中A因素占主要水平，因此選取A2.

（2）B因素對應(yīng)兩種工藝指標(biāo)的值為B2和B3，根據(jù)影響因素主次水平可以得出TWR中B因素占主要水平，因此選取B2.

（3）C因素對應(yīng)兩種工藝指標(biāo)的值為C1和C2，根據(jù)影響因素主次水平可以得出TWR中C因素占主要水平，因此選取C1.

最終根據(jù)上述分析過程，考慮最優(yōu)加工電參數(shù)組合為A2B2C1，即電加工參數(shù)：電壓25 V，占空比75%，頻率0.6 KHz.

3 結(jié)論

本文以材料去除率和電極損耗為工藝指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行7075鋁合金短電弧銑削加工試驗(yàn)，采用極差分析與方差分析結(jié)合的方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，研究了電壓、占空比和脈沖頻率對加工效率及電極損耗的影響，研究結(jié)果表明：以電壓為25 V、占空比為75%、脈沖頻率為0.6 KHz進(jìn)行短電弧銑削加工，加工穩(wěn)定性好，材料去除率約為670.3 mm3·min?1，相對電極損耗較小約為39%.