电火花线切割TC4钛合金棱角质量控制方法研究①

王 柠, 孙伦业

(安徽理工大学机械工程学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

钛合金作为一种特殊的金属材料,具有质量轻、强度高、耐蚀性好、耐热性高等突出优点,在航空航天领域、医疗设备、深海装备等领域得到了广泛应用。然而,钛合金的超强硬度使其机械加工面临较大的挑战,电火花线切割凭借加工范围广、材料利用率高、再铸层等热影响区可控性好等技术优势,成为了钛合金加工的优选方法,相关研究人员为此开展了一系列研究。薛荣媛[1]研究了工作介质的电导率、氧化性和粘度因素对钛合金电火花加工过程中的加工效率、电极相对损耗率以及表面粗糙度Ra的影响规律,在此基础上探索出一种具有优化放电特性的复合加工液。唐霖等[2]基于信噪比和灰关联度相结合的方法,简化问题后的加工参数能够提高钛合金电火花加工效率和表面粗糙度、减小电极损耗。高淑娟[3]开展了Ti-6Al-4V钛合金电火花线切割加工试验,研究发现通过改变电参数可使电火花线切割加工表面呈现出不同的颜色。常伟杰等[4]对TC4钛合金电火花加工进行正交试验,对加工表面的规则花纹进行分析,发现花纹的周期与丝筒换向周期一致,花纹面积与换向、积碳、排屑不充分等原因有关。邓鹏等[5]通过单因素试验以及正交试验,分析了电参数对钛合金性能指标的影响,发现材料去除率与表面粗糙度是互相对立的影响指标。会随着电参数的改变,产生不同的变化。Sonawane S A等[6]开展了Ti - 6Al - 4V电火花线切割加工时的多质量特性优化研究,发现在高脉冲周期和放电电流下,切削表面会形成深坑、碎屑球、空洞和微裂纹,恶化表面光洁度。Gupta Nitin Kumar等[7]采用电火花线切割加工退火态钛合金时获得的切削速度比加工纯态、淬火态和淬硬态钛合金时获得的切削速度大,最大切削速度为1.75 mm / min。Sachin Ashok Sonawane等[8]采用L27正交试验,改变脉宽、脉冲间隔等因素,研究参数组合对表面粗糙度、切割速度和金属去除率的影响。扫描电子显微镜对切割表面的分析显示,在脉宽最大时有裂纹,微孔和蚀坑出现。

针对TC4钛合金作为研究对象,针对其电火花线切割过程中棱角质量缺损这一常见问题,开展棱角切割试验,分析棱角处缺损面积随参数变化规律,通过对切割棱角的缺损面积和表面形貌进行表征,得出棱角缺损面积的主次影响因素为通道、脉宽、跟踪、丝速,优化结果表明脉宽为9μs,跟踪值为4,通道为5个,运丝速度为50m/min时的棱角缺损面积最小;在脉宽为32μs,跟踪值为2,通道为7,运丝速度为50m/min时,材料切割速度最快。

1 试验设计

1.1 试验设备与材料

实验采用DK7732ZT中走丝电火花线切割机床如图1所示,电极丝为直径0.18mm的钼丝。使用TD4-KP显微镜,在1000倍下观测零件的表面形貌并标记缺损形态。使用FlexSEM 1000扫描电镜对零件表面形貌进行观察,分析不同参数加工的差异。

图1 电火花线切割加工现场图

TC4钛合金工件尺寸为14mm×9.5mm×10mm,各个棱角角度分别为15°,30°,45°,60°,90°,120°,135°如图2所示。

图2 加工工件

1.2 试验方案与检测

设计四水平、四因素的正交试验,将脉宽、跟踪、通道和丝速作为四个因素,找出代表性的四个水平值,设计正交试验的加工参数表,如表1所示。

表1 正交试验参数表

上表中选取的四个因素四个水平,为了更加准确地表现每个因素的显著性,设置的正交试验表为L16(45)型,在最后一列设置空值,并且不考虑脉宽、跟踪、通道及丝速的互相影响关系,设置的正交表如表2所示。

表2 正交试验表

通过正交试验设计不同的参数组合,降低实验的次数与难度,避免重复试验。通过方差与极差分析方法研究各参数对于棱角缺损面积和加工速度的影响程度,找到最佳的参数组合。

2 试验结果

由于切割之后的棱角缺损形状极不规则,此时为了保证试验结果的准确性,需要对试验缺损面积进行图像处理,采用Visual Studio Code软件对缺损处进行面积计算。对各参数组合下的缺损面积进行准确测量,首先需要对缺损处进行填充处理,将棱角为30°,脉宽为9μs,跟踪值为4,通道数为5个,丝速为40m/min时的面积模型作为软件上的图像面积,确定测量面积与显微镜下实际拍摄图像的比例大小,然后输出测量面积。如图3-图9所示为宽9μs,跟踪值2,通道数4个,丝速30m/min的缺损面积测量值,各参数下的面积缺损也依次按照本方法求得。

图3 棱角为15°的缺损图

图4 棱角为30°的缺损图

图5 棱角为45°的缺损图

图6 棱角为60°的缺损图

图7 棱角为90°的缺损图

图8 棱角为120°的缺损图

将显微镜下观测图片对缺损面积进行描边处理,然后通过Visual Studio Code软件进行图像处理及程序编写进而运行解得缺损面积。切割棱角为15°时的缺损为0.0054mm2;切割棱角为30°时的缺损为0.039mm2;45°时的缺损为0.078mm2;棱角为60°时的缺损为0.067mm2;90°时的缺损为0.059mm2;120°时的缺损为0.060mm2;135°时的缺损为0.073mm2。以此求得在脉宽为9μs,跟踪值为4,通道为5个,丝速为40 mm2/min时的缺损面积,算得此参数下的总缺损面积为0.450 mm2。各参数下的面积缺损如上述计算方法求得,将求得的缺损面积填入如表3所示的正交试验结果表中。

图9 棱角为135°的缺损图

表3 正交试验结果

3 极差分析

3.1 面积极差分析

通过极差分析方法分析脉宽、跟踪、通道和丝速对加工零件的切割速度和拐角处缺损面积的影响。极差的数值越大,代表此因素对于零件拐角处缺损面积的影响越显著。通过计算得到RA=0.175,RB=0.120,RC=0.177,RD=0.077。显然RC>RA>RB>RD,所以对于缺损面积的影响主次顺序为:C通道、A脉宽、B跟踪、D丝速。通过对每一列因素的水平号的实验结果,求得每一列因素水平的算数平均值来优化试验方案。在材料进行缺损面积参数优化时,选择的最优参数是脉宽为9μs,跟踪值为4,通道为5个,运丝速度为50m/min。记Ki为计算求得每一列水平对应的试验结果之和,ki为每列水平的算数平均值,试验结果分析如表4所示。在此参数下的试验材料缺损面积为0.032mm2。

表4 缺损试验结果优化分析

根据K值绘制四个因素对缺损面积的主效应图,主效应图的斜率大小反映影响缺损面积的主次顺序:斜率越大,影响程度越大;斜率越小,影响程度越小[9-12]。主效应图的绘制需要设置相同的纵坐标间隔和大小,才能更直观反映影响的主次顺序,首先对脉宽、跟踪、通道、丝速进行主效应图的绘制如图10所示。

图10 四因素主效应图

从图10中可明显看出,通道的折线斜率最大略大于脉宽的主效应图中的斜率,脉宽主效应图斜率远大于跟踪,跟踪主效应图斜率略大于丝速的曲线斜率,所以对于缺损面积的影响,通道的影响最大,脉宽的影响次之,跟踪影响较前两个略小,丝速的影响最小。

3.2 切割速度极差分析

通过计算得到RA=7.55,RB=0.7,RC=2.3,RD=0.1。从数值可以看出,RA>RC>RB>RD,所以对于切割速度的影响主次顺序为:A脉宽、C通道、B跟踪、D丝速。在材料进行切割速度参数优化时,选择的较优参数为A3B1C4D1,此时的脉宽为32μs,跟踪值为2,通道为7,运丝速度为50m/min,试验结果分析如表5所示,此参数下的试验材料切割速度为9.7mm2/min,优于表中最高的9.5mm2/min,因此该试验方案为最优方案。

表5 切割速度试验结果优化分析

对脉宽、跟踪、通道、丝速进行主效应图的绘制如图11所示。从图中斜率可以明显看出,主效应图中,脉宽的斜率远远大于通道,通道的斜率略大于跟踪,跟踪的主效应图斜率远大于丝速,所以四个因素对TC4钛合金材料切割速度的影响主次顺序可以得出结论,A脉宽>C通道>B跟踪>D丝速。

图11 四因素主效应图

4 方差分析

采用方差分析法,将四个因素对于材料切割速度和缺损面积的影响程度的显著性做出分析和计算,对材料的切割速度和拐角处的缺损面积进行分析,判断脉宽、跟踪、通道和丝速四个因素对试验影响的显著性,结合极差分析做出更具说服力和科学性的分析。方差分析包括离差平方和的计算、自由度的计算、平均离差平方和的计算、F值的计算以及检验四因素的显著性。

表6 切割速度方差分析

通过表6可以看出,脉宽对于TC4钛合金材料切割速度具有最显著的影响,通道对TC4钛合金材料切割速度的影响显著,跟踪的影响较为显著,丝速对于材料切割速度影响程度较小。与极差分析结果基本吻合,方差分析的影响显著程度与极差分析的主次顺序一致,说明在进行TC4钛合金材料切割时要优先选择并调整脉宽及通道的参数。

表7 缺损面积方差分析

通过表7可以看出,通道对于TC4钛合金材料切割缺损面积具有最显著的影响,脉宽对TC4钛合金材料缺损面积的影响显著,跟踪的影响较为显著,丝速对于材料缺损面积影响程度较小。与极差分析结果基本吻合,方差分析的影响显著程度与极差分析的主次顺序一致,说明在进行TC4钛合金材料切割时要优先选择并调整通道及脉宽的参数。

5 结 论

通过设计正交试验及对试验结果的极差、方差分析,研究各因素对于试验结果的影响,并做出优化方案。研究结论如下:

(1)在钛合金缺损面积极差和方差分析中,极差结果显示RC>RA>RB>RD,所以主次影响顺序为C通道、A脉宽、B跟踪、D丝速,优化结果脉宽为9μs,跟踪值为4,通道为5个,运丝速度为50m/min时,缺损面积最小为0.032mm2;方差分析结果与极差相符,C通道的影响最为显著,其次为A脉宽和B跟踪,D丝速的影响程度最不显著。

(2)在钛合金材料切割速度极差和方差分析中,极差结果显示RA>RC>RB>RD,所以主次影响顺序为A脉宽、C通道、B跟踪、D丝速,优化结果脉宽为32μs,跟踪值为2,通道为7,运丝速度为50m/min时,材料切割速度最快为9.7mm2/min;方差结果显示与极差也相符,A脉宽的影响最为显著,其次为C通道和B跟踪,D丝速的影响程度最不显著。