工学硕士学位论文-气中往复走丝电火花线切割工艺建模方法及数据库研究

工学硕士学位论文气中往复走丝电火花线切割工艺建模方法及数据库研究 哈尔滨理工大学2011年3月国内图书分类号: TP661工学硕士学位论文气中往复走丝电火花线切割工艺建模方法及数据库研究硕 士 研究生： 导 师： 申请学位级别：工学硕士学 科、专 业：机械制造及其自动化所 在 单 位：机械动力工程学院答 辩 日 期：2011年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index: TP661Dissertation for the Master Degree in EngineeringStudy on Modeling methods of DryWEDM-HS and Database Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Mechanical Manufacture and AutomationDate of Oral Examination： March, 2011University： Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文气中往复走丝电火花线切割工艺建模方法及数据库研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书气中往复走丝电火花线切割工艺建模方法及数据库研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密 ，在 年解密后适用授权书。 不保密 。（请在以上相应方框内打）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文气中往复走丝电火花线切割工艺建模方法及数据库研究摘 要电火花线切割加工技术作为特种加工的一种重要方法，已经得到广泛应用，成为如今一种不可或缺的加工方法。往复走丝电火花线切割机床是我国特有的设备。由于其成本低廉，机构简单，已成为我们数控机床产销量最大的机种之一。目前，我国生产的往复走丝电火花线切割机床控制系统多采用开环控制，对于加工规律仍掌握不足。气中电火花线切割加工技术是近些年出现的一项新技术，与传统电火花线切割加工相比，由于具有加工表面直线度高、放电间隙窄、加工表面无电解腐蚀、加工过程清洁环保等特点，适用于电火花线切割精加工。本文概述了电火花线切割加工过程的脉冲放电机理。介绍了电火花线切割多次切割加工工艺，并分别简单阐述了电加工参数和非电加工参数对工艺指标表面粗糙度、切割速度的影响规律。简单介绍了试验机床DK7740B和工件材料Cr12MoV后，本文以脉冲宽度、脉冲间隔比、峰值电流、偏移量、工作台空载速度及其相互间的交互作用为因素，以表面粗糙度和切割速度为工艺指标设计了正交试验。通过对试验结果的极差分析分别得出了因素及其交互作用对表面粗糙度和切割速度的显著性排序。通过对试验结果的方差分析得出了对表面粗糙度和切割速度影响显著的因素。本文还以脉冲宽度、脉冲间隔比、峰值电流、偏移量、工作台空载速度五因素设计了均匀试验。结合正交试验的结果建立了多项式回归模型、逐步回归模型、BP神经网络模型三种数学模型。经过假设检验，三种模型均高度显著。本文还进行了6组验证实验对三种数学模型进行实践检验，结果表明BP神经网络模型优于逐步回归模型优于多项式回归模型。最后，本文以试验数据以及机床生产厂家所提供的液中多次切割的工艺数据为基础，开发往复走丝电火花线切割加工工艺数据库。利用ADO数据库连接技术开发了数据库外部应用程序。在外部应用程序的开发过程中，本文提出了分四个功能化模块的设计方法，并详细阐述了四个模块的相关信息。关键词 气中往复走丝电火花线切割；多项式回归；逐步回归；BP神经网络；数据库-II-Study on Modeling methods of DryWEDM-HS and DatabaseAbstractWEDM is one of the important nontraditional machining methods, which has been widely used and indispensable. WEDM-HS machine is peculiar to China. It is one of the best-selling numerical control machines for its simple structure and affordable prices. At the moment, open loop control system is widely used in WEDM-HS machines made in China. Processing laws of WEDM-HS have been mastered yet. Dry WEDM is a new technology which appears in these years. Compared to the traditional WEDM, Dry WEDM has lots of advantages, such as excellent straightness, narrow discharge gap, no electrolytic corrosion on surface, non-polluted in the machining processing and so on. It applies to finishing machining.This paper summarized the principle of pulse discharge in WEDM machining processing. It gave an outline of multiple cutting in WEDM. It simply introduced how electrical parameters and non-electrical parameters affected surface roughness and material removal rate as well. It introduced the testing machine DK7740B and work piece material Cr12MoV yet. This paper designed orthogonal test in which elements contained pulse duration, ratio of pulse interval to pulse duration, peak current, offset, wire winding speed and interactions in above-mentioned five elements and technical indexes contained surface roughness and material removal rate. There is a rank of elements for technical indexes by analysis of range. There were significant elements for technical indexes by analysis of variance. This paper designed uniform design test in which elements still contained pulse duration, ratio of pulse interval to pulse duration, peak current, offset and wire winding speed and technical indexes still contained surface roughness and material removal rate. This paper made the polynomial regression model, stepwise regression model and BP natural network model on the basis of the combined two test results. Three models were significant by hypothesis testing. This paper made six experiments which proved that BP natural work model is optimal, stepwise regression takes second place and the polynomial regression is the worst. At last, this paper developed the WEDN-HS technology database on the basis of the test results and the data maker provided. Database connection used programing ADO. This paper put forward a design method that contained four modules and detailed the module functions.Keywords Dry high-speed wire Electric Discharge Machining, The Polynomial regression, Stepwise Regression, Back Propagation Natural Network, Database-IV-目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的研究目的及意义11.2 电火花线切割机床发展现状11.3 气中电火花线切割技术研究现状21.4 论文的课题来源及主要研究内容3第2章 气中电火花线切割加工理论分析42.1 气中电火花线切割加工机理42.2 往复走丝电火花线切割气中精加工基本规律52.2.1 电加工参数的影响52.2.2 非电参数的影响72.2.3 气中电火花线切割加工工艺指标82.3 本章小结9第3章 气中电火花线切割精加工正交试验103.1 试验准备103.2 气中线切割精加工试验设计113.3 极差分析133.4 方差分析153.5 本章小结17第4章 往复走丝线切割工艺模型建立184.1 均匀设计试验184.2 多项式回归模型的建立204.3 逐步回归模型的建立224.4 BP神经网络模型的建立234.5 三种工艺模型的实验验证284.6 本章小结30第5章 往复走丝电火花线切割工艺数据库设计315.1 工艺数据库系统设计325.2 数据库系统的建立325.3 数据库应用系统的建立355.4 登录模块365.5 用户管理模块365.6 数据管理模块375.7 数据查询模块375.8 WEDM-HS数据库系统发展展望395.9 本章小结39结论40参考文献42攻读硕士学位期间发表的学术论文46致谢4752- -第1章 绪论1.1 本课题的研究目的及意义电火花线切割加工(Wire Cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM)是特殊的电火花加工(Electrical Discharge Machining 简称 EDM)方法1。由于电火花线切割加工过程中不受任何宏观力的作用，理论上它可加工任何硬度的导电材料2。通常将电火花线切割加工用于难加工材料的精密加工3。目前，电火花线切割机床主要分为两种，我国使用的主要机种是往复走丝电火花线切割机床(WEDM-HS)，国外使用的主要机种是单向走丝电火花线切割机床(WEDM-LS) 4。往复走丝电火花线切割机床是我国独有的机种，该类机床有利于改善排屑条件，加工性价比高，深受广大国内用户的喜爱5。据统计，目前国内外的线切割机床约占电加工机床的60%以上，约有80%左右的电火花线切割机床用于模具加工，随着电火花线切割的发展，它在模具工业中的作用和地位将不断攀升6。单向走丝电火花线切割机床的加工性能优越7，同时价格也相当昂贵。但是，近年来随着市场对加工质量要求地不断提高，单向走丝电火花线切割机床的市场占有率在不断地攀升8，往复走丝电火花线切割机床的优势已经逐渐无法满足市场需要。本课题的目的就是要通过设计探索各种加工影响因素对往复走丝电火花线切割加工的表面质量和加工效率的影响规律，并开发一套符合往复电火花线切割机床加工规律的数据库系统。这套数据库系统将能为机床操作者提供针对各种不同的技术要求条件下的最优加工参数。这样可以大大提高加工效率和加工质量，对提高往复走丝电火花写切割机床(WEDM-HS)具有极其重大的意义。1.2 电火花线切割机床发展现状电火花线切割加工技术(WEDM)是基于电火花加工技术(EDM)发展而来9。经过四十余年的发展，已成为机械制造技术不可或缺的一部分。瑞士阿奇夏米尔公司、日本的沙迪克公司、牧野公司和三菱公司等是现今国际上生产单向走丝电火花线切割机床的主要厂家 10-15，代表了现如今最先进的电火花线切割加工技术。瑞士阿奇夏米尔公司生产的Agiecut Progress V系列机床、三菱电机公司生产的FA-V机床和西班牙欧纳公司生产的ONA AX系列机床的最大加工效率达到500mm2/min12,13。瑞士阿奇夏米尔公司生产的Agiecut Vertex系列机床加工的最佳表面粗糙度可达到Ra0.05m13。日本牧野公司的MGW-V1电源备有SPG微细放电回路可实现Rz0.17m镜面加工14。我国的电火花线切割加工技术较国外的先进水平还存在着很大的差距。苏州三光科技股份有限公司研制的新单向走丝电火花线切割机床和北京安德建奇数字设备有限公司的AW310T可实现表面粗糙度Ra0.3m的微细镜面加工 14。北京阿奇夏米尔公司的Xenon单向走丝电火花线切割机最大切割效率可达到250mm2/min 13。往复走丝电火花线切割加工机为我国的制造业起着积极的作用，并形成以苏州三光、北京阿奇等为代表的主要生产厂家。它以其价格低廉、生产成本小等特点依然在国内市场上占有重要地位8,10。苏州江南赛特数控设备有限公司DK7732CH型机床进给速度达到300mm/min。北京阿奇夏米尔公司推出的HSWEDM机床最大切割效率为120mm2/min，最佳表面粗糙度为Ra1.6m12。苏州三光科技股份有限公司的HA400(SKD2)中走丝机床切割厚40mm的Cr12材料，形状为对边15 mm的八角，表面粗糙度低于Ra1.0m，尺寸精度小于5m14。1.3 气中电火花线切割技术研究现状日本东京农工大学国枝研究室在去离子水以及多种气体介质中进行了单向电火花线切割加工试验研究。研究表明：气中加工的放电间隙较液中的窄16，直线度明显优于液中加工17，表面粗糙度值总体上接近18，但加工速度低于液中加工19。通过对气中单向走丝电火花线切割加工试验研究的总结，提出气中单向走丝电火花线切割加工适合于精加工16，20，为避免短路并提高加工效率，可在工件上附加了超声振动21。美国密西根大学对薄板工件分别在气体介质和水雾介质条件下进行了单向走丝电火花线切割粗加工研究22，23。哈尔滨理工大学大学也对气中单向走丝电火花线切割加工规律进行了探索研究19，24，25。哈尔滨工业大学进行了气中单向走丝线切割加工超级电容的研究26。哈尔滨理工大学在往复走丝电火花线切割机床上成功地进行了气中电火花线切割精加工试验研究。试验表明气中往复走丝电火花线切割加工的放电间隙小、直线度精度高等特点与气中单向走丝电火花线切割机加工趋势相同外，在加工钢材时气中精加工的加工效率高于在乳化液中的加工，证明了气中往复走丝电火花线切割精加工是可行的19。随后，哈尔滨理工大学还进行了液中和气中往复走丝电火花线切割加工放电状态和放电波形的对比试验27，28。哈尔滨工业大学在往复走丝电火花线切割机床上进行了气体介质和乳化液介质的粗加工工业对比试验29。1.4 论文的课题来源及主要研究内容本课题来自国家自然科学基金项目“电火花线切割加工的广义干式介质和可控介质研究”(50975069)。本文在分析了以往往复走丝电火花线切割加工研究状况的基础之上，对典型模具钢Cr12MoV进行多次切割试验，借助实验成果开发出往复走丝电火花线切割加工工艺数据库。主要研究内容如下：(1) 将进行第二次气中电火花线切割精加工试验。以表面粗糙度和切割速度为评价指标，研究因素脉冲宽度、脉冲间隔比、峰值电流、偏移量和工作台空载速度对其的影响规律。(2) 将对实验结果进行分析。通过对实验结果分析确定因素影响的主次顺序。提出合理的非线性回归模型，进行非线性回归分析。(3) 将提出神经网络回归模型。对比非线性回归模型，提出神经网络回归模型， 进行验证性试验。(4) 将以DK7740B 机床的生产厂提供的液中多次切割工艺参数和哈尔滨理工大学进行的线切割加工实验研究的成果为基础，建立往复走丝电火花线切割加工工艺数据库。第2章 气中电火花线切割加工理论分析2.1 气中电火花加工机理气中电火花线切割加工机理与液中电火花线切割的加工机理是相近的。其物理本质都是通过工具电极金属电极丝与工件之间产生的脉冲性火花放电产生的瞬间高温使工件材料溶化或气化而被蚀除掉。因此，其单个脉冲的放电过程也分为三个阶段：电离准备阶段，放电蚀除阶段和消电离抛出阶段。1. 电离准备阶段 气中电火花线切割加工过程的极间介质是空气。当脉冲电压加载到电极丝与工件之间时，在极间立即建立起一个电场，极间介质被极化，形成由导电微粒组成的“小桥”。当电场强度达到一定程度时，阴极附近的电子将会在电场作用下向阳极运动，与空气分子和原子发生剧烈碰撞而产生雪崩式电离，迅速发展到阳极表面。2. 放电蚀除阶段 当雪崩式电离发展到阳极时，极间介质被击穿，形成放电通道。此时，在电场和加热的作用下，大量电子从阴极发射出来，也有部分正离子奔向阴极，极间电压开始下降。气中加工过程主要依靠电子激发的碰撞电离30。高速运动的带电粒子相互碰撞产生大量的热。同时，通道中很高的带电粒子密度将产生巨大的压力，形成强烈的冲击波向外传播。由于电流的电磁力的束缚及周围介质的惯性作用，致使放电通道直径很小，电流密度很高。放电通道的高温和高压使放电点附近的局部金属熔化，甚至气化。随着放电时间的持续，通道内外力基本趋于平衡，放电通道不在扩展，达到平衡。气体介质的可压缩性较液态介质弱，因此气中加工的放电通道也比液中加工要宽。3. 消电离抛出阶段 脉冲放电结束之后，通道中的带电粒子迅速中和，发生消电离过程，放电通道收缩直至消失。同时，内部压力大大降低甚至造成低压真空，而过热的熔融金属则在低压的作用下急剧蒸发，连带熔融金属一起抛离电极表面。实际加工过程中，虽然放电过程的基本原理与单个脉冲是相同的，但是由于连续加工过程中情况复杂，放电波形的动态变化，短路、开路等多种放电状态都会对加工的稳定性、切割速度、电极丝损耗及加工质量有着不同的作用。目前，气中电火花线切割的加工机理仍在进一步的研究当中。2.2 往复走丝电火花线切割气中精加工基本规律传统的电火花线切割加工方法是在液体介质中进行的。目前，电火花线切割机床使用的工作液主要有三种，分别是乳化油、水基工作液和乳化皂31。在液体介质中加工时，火花放电瞬时产生的高温会使工作液发生热化学反应，造成加工工件表面产生微裂纹等缺陷，增加了加工的不稳定性，导致加工效率与加工精度的降低32-34。图2-1 往复走丝电火花线切割气中精加工Fig.2-1 Finish cutting by dry WEDM-HS气中电火花线切割加工技术利用气体代替传统的工作液，实现加工间隙内加工屑的排出以及冷却作用16 图2-1是往复走丝电火花线切割气中精加工原理示意图及气中精加工的火花放电照片。它是一种新型的绿色加工方法。气中电火花线切割加工过程是多种影响因素共同作用的结果。其影响因素大体可分为两大类：一类是电加工参数，包括脉冲宽度ti、脉冲间隔t0、峰值电流Ip、空载电压i等；另一类是非电参数，包括偏移量h、走丝速度、工作台空载速度Vf、丝程li等。评价加工结果的好坏常用表面粗糙度Ra和切割速度Vm两个工艺指标。2.2.1 电加工参数的影响1. 空载电压i 它可以引起放电时加工间隙和峰值电流的改变。提高空载电压会使加大加工间隙，利于排屑，提高切割速度。然而随着空载电压的增大，电极丝的振动会加强，损耗加重。2. 脉冲宽度ti 一般情况下，随着脉冲宽度变大，切割速度会提高而表面粗糙度增大。因为脉冲宽度变大，单个脉冲能量增大，加工形成的电蚀坑也大；且脉宽提高到一定数值时，切割速度不再提高，但电极丝损耗增大，不利于加工，所以线切割加工若非超厚件加工，一般脉宽不选择较大值，尤其精加工时，脉图2-2 脉冲宽度对表面粗糙度影响气液加工对比图Fig. 2-2 Impact of pulse width on the surface roughness for dry and wet WEDM图2-3 脉冲宽度对材料去除率影响气液加工对比图Fig. 2-3 Impact of pulse width on MRR for dry and wet WEDM冲宽度应小于16s为宜。图2-2是气中加工与液中加工脉冲宽度对表面粗糙度影响规律的对比图，从图中可以看出表面粗糙度值是随脉冲宽度的增加而增大的，且气中加工的表面粗糙度优于液中加工。图2-3是气中加工与液中加工时脉冲宽度对材料去除率的影响规律对比图，从图中可以看出切割速度是随脉冲宽度的增加而增大的，且气中加工的切割效率高于液中加工37。3. 脉冲间隔to 随着脉冲间隔的增大，切割速度减小，表面加工质量将变好。因为在单个脉冲能量一定的情况下，脉冲间隔的增大将导致脉冲信号频率减小，单位时间内脉冲个数随之减少，切割速度下降，且相邻脉冲间隔增大，加工间隙可以在前一次放电后极间介质有充分的时间消电离恢复绝缘，大大减少同一处反复放电的现象，因而提高了加工的表面质量。故脉冲间隔的选择并不是随意的，通常脉冲间隔选择为脉冲宽度的4-8倍为宜。4. 峰值电流Ip 它是决定单个脉冲能量的主要因素。显然，单个脉冲能量对加工效率和加工质量起决定性作用，尤其是对表面粗糙度而言。峰值电流越大，就意味着单个脉冲能量越大，加工电蚀坑越明显，从而导致表面质量降低。试验也进一步证明了，峰值电流的增大，会使表面粗糙度随之增大。但是，在相同条件下，气中加工的表面粗糙度优于液中加工，如图2-4所示。峰值电流对加工效率的影响在气中加工和液中加工的规律是截然不同的，如图2-5所示。这可能是由于在电流不大的情况下，电极丝在工作液中的振幅比在气体中的大，发生短路现象多造成的35。另外，电极丝损耗的加重也要求短路峰值电流不宜过大，否则可能断丝。故气中精加工时，峰值电流一般不宜超过20A。图2-4 峰值电流对表面粗糙度影响气液加工对比图Fig. 2-4 Impact of Peak current on the surface roughness for dry and wet WEDM图2-5 峰值电流对表面粗糙度影响气液加工对比图Fig. 2-5 Impact of Peak current on MRR for dry and wet WEDM2.2.2 非电参数的影响图2-6 丝速对表面粗糙度影响气液加工对比图Fig. 2-6 Impact of winding speed on the surface roughness for dry and wet WEDM图2-7 丝速对切割速度影响气液加工对比图Fig. 2-7 Impact of winding speed on MRR for dry and wet WEDM1. 工件材料及厚度 工件的材料不同，其物理性质都有所不同，因而可加工性也不尽相同。工件厚，电极丝不易抖动，表面粗糙度值较小，但是工件的厚度越大，加工时的排屑条件、加工稳定性越差，加工变得越困难。因此，往复走丝电火花线切割加工工件厚度不宜超过500mm36。2. 走丝速度 提高走丝速度有利于电蚀产物的排出。随着走丝速度的增加，气中和液中的加工效率都明显提高，如图2-7所示。但是走丝速度过高会加大了机械振动，导致表面质量降低，并容易造成断丝，一般以小于10m/s为宜，如图2-637。3. 工作台空载速度Vf 工作台空载进给速度对切割速度、加工精度和表面质量的影响很大。工作台空载进给速度太高，会出现频繁短路现象，降低加工速度，表面质量也差；工作台空载进给速度太低，极间呈现偏开路，由于气中加工放电间隙低，会造成时而开路时而短路的状况，大大降低了切割速度和表面质量。因此，工作台进给速度存在一个最佳值，使得工艺指标最优38。图 2-8 偏移量Fig.2-8 offset4. 偏移量h 是指电极丝中心轨迹在加工工件轮廓法线方向上前后两次切割时移动的距离，如图2-8所示。粗加工时，加工为双边加工，偏移量对加工效果的影响不显著。精加工时，加工为单边加工，偏移量关系到电极丝与工件表面间放电间隙的大小，对加工精度、表面质量及切割速度都有一定影响。2.2.3 气中电火花线切割加工工艺指标1. 表面粗糙度 表面粗糙度对工件的使用性能及其寿命的影响较大，是衡量加工质量的重要指标。由于加工表面的不平性，在评定表面粗糙度时，需要规定合理的取样长度lr和评定长度ln等技术参数，限制和减小表面波纹度对测量结果的影响39。2. 切割速度Vm 在保持一定的表面粗糙度的加工过程中，单位时间电极丝中心线在工件上走过的面积总和称为切割速度5。保证加工质量的前提下，尽可能高的切割速度，可以提高生产效率，直接增加企业利润。2.3 本章小结本章主要论述了气中电火花线切割加工技术的脉冲放电原理，分析了气体介质电火花线切割加工的三个阶段；阐述了电火花线切割加工过程中的影响因素及评价加工结果的两个工艺指标。 第3章 气中电火花线切割精加工正交试验3.1 试验准备1. 试验设备 本实验所采用的是苏州沙迪克三光公司制造的DK7740B往复走丝电火花线切割机床。DK7740B型电火花线切割机床具有图形输入式自动编程系统。可采用往复走丝线切割机床常用的3B指令，也可以使用国际通用的G代码编程。走丝机构均采用齿形带传动机构、具有平稳噪音低、寿命长等优点。电参数的调节也十分方便，脉冲宽度2s，4s，6s，8s，12s，16s，24s，32s，48s，64s十档可调，峰值电流分为115档，最大电流约为档数乘以4A；脉冲间隔比即脉冲宽度与脉冲间隔的比值t0/ti，它可以在110档间调节；机床参数设置中工作台空载进给速度Vf指的是工作台空载运行速度，共分为010档，每档对应的进给速度如表3-1所示。表3-1 工作台空载速度数字档位与真实速度对照表Table 3-1 Comparison table of numerical with real speed for Vf档位12345678910工作台空载速度Vf (mm/min)0.180.360.91.83.124.86.5410.210.2610.262. 工件材料 本试验工件材料采用Cr12MoV。Cr12MoV是一种合金工具钢，具有高淬透性，截面为300-400mm以下者可以完全淬透，在300-400时仍可保持良好硬度和耐磨性，韧性较Cr12钢高，淬火时体积变化最小，是模具制造的主要加工材料。其化学成分如表3-2所示。表3-2 Cr12MoV化学成分对照表Table 3-2 Chemical composition of Cr12MoV碳(C)锰(Mn)镍(Ni)硅(Si)磷(P)硫(S)铬(Cr)钼(Mo)铜(Cu)钒(V)1.451.700.40.250.40.030.031112.50.40.60.30.150.33. 粗加工参数 粗加工的主要目的是去除多余材料，将工件加工出一定的三维形状，因此对表面质量的要求并不是很严格。但是，试验研究表明，在电火花线切割加工中，第一次粗加工的表面质量对最终的加工结果有着直接的影响。所以，在选择粗加工工艺参数时应遵循在保证一定的加工速度的情况下，尽可能选择小的电加工规准的原则。根据以往试验研究成果，粗加工的加工参数选择如表3-3所示40。表3-3 粗加工优选参数Table 3-3 Rough machining optimization parameters加工介质丝速峰值电流脉冲宽度脉冲间隔比工作台空载速度偏移量乳化液High36A24s653.2 气中线切割精加工试验设计本次试验采用正交试验设计方法，同时考虑交互作用。正交试验设计是研究多因素多水平的一种试验设计方法。它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些具有代表性的点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点。由于这种试验方法大大减少了工作量，在很多领域的研究中已经得到广泛应用。根据以往的研究成果表明，气中电火花线切割精加工优于液中电火花线切割加工19 ，如图3-1所示。因此，第二次电火花线切割加工采用气中加工。图3-1 第二次切割中液中与气中加工对比Fig.3-1 Comparison of WEDM results in liquid and gas in second cuta)液中与气中粗糙度对比a) Comparison of Roughness in liquid with in gasb)液中与气中直线度对比b) Comparison of straightness in liquid with in gasc)液中与气中加工速度对比c) Comparison of cut speed liquid with in gas1. 试验因素及水平和工艺指标的确定 电火花线切割加工的工艺指标主要包括表面粗糙度和切割速度，本文也将采用这两个工艺指标来考察诸因素的影响。选择试验因素时，首先应该根据专业知识、以往研究的结论和试验的经验尽可能的全面考察影响试验指标的诸因素，然后根据试验要求少选因素的一般原则选定试验因素。试验因素的水平一般以2-4为宜41。根据上述原则并结合以往经验，本文选取脉冲宽度、脉冲间隔比、峰值电流、偏移量和工作台空载速度5个因素进行考察，同时考察这5个因素间交互作用对于工艺指标的影响。试验的因素及水平如表3-4所示。表3-4试验因素与水平Table 3-4 Levels for the various control factors因素水平I水平II单位标记脉冲宽度28sA脉冲间隔比36倍B峰值电流412AC偏移量510mD工作台空载速度46档E2. 正交表 因素水平表是实现试验目的的基本前提，也是选用正交表的唯一前提。因素水平表必须在选用的正交表中得到完全的安排。本文根据先前选择的5个因素及其之间的交互作用，选用L16(215)正交表。由于本文将要考察脉冲宽度、脉冲间隔比、峰值电流、偏移量和工作台空载速度5个因素之间交互作用对于工艺指标表面粗糙度和切割速度之间的关系。实际生产中，二级和二级以上的高级交互作用一般影响都很小，所以可以忽略，本文将重点考察一级交互作用对于工艺指标的影响。在交互作用的正交试验设计时，正交表的表头的各因素及其交互作用是不能任意安排，必须按照严格交互列表进行安排。表头设计如表3-5所示。表3-5 正交表表头设计Table 3-5 Line design for orthogonal array因素ABABCACBCDED列号12345678续表3-5 正交表表头设计Continued table 3-5 Line design for orthogonal array因素ADBDCECDBEAEE列号91011121314153. 试验方案及结果 为了试验的顺利实施，本文将试验方案提炼出来。完成了表头设计后，能够发现正交表中交互项所占列在实际进行试验的过程中并不参与。因此，将交互项所占列剔除，并且将正交表安排有因素的各列中的不同数字换成对因素的相应水平，这样就构成了试验方案。通过对实验方案进行多次重复试验，最终得出试验结果，试验方案及结果如表3-6所示。其中，切割速度的测量是间接完成的，用电极丝扫过工件的面积除以加工所用的时间，单位是mm2/s。表3-6 实验方案及结果试验号ABCDERa(m)Vm(mm2/s)1234542.21678.0522341062.350200.2332312561.884217.33423121042.04283.675264562.396201.6462641041.90078.4072612542.04977.95826121062.110195.099834562.813194.26108341042.16770.89118312542.45179.041283121062.383202.4313864542.56867.08148641062.295174.01158612562.545202.391686121042.28877.10Table 3-6 Experimental schemes and results3.3 极差分析极差分析法是正交试验设计中常用的方法之一。实际应用表明，极差分析法直观形象、简单易懂。通过非常简单的计算和判断就可以求得试验的优化结果。表3-7及表3-8分别为本文对表面粗糙度和切割速度的极差分析结果。通过表3-7所示的表面粗糙度极差分析结果，本文得出了各个因素对表面粗糙度的影响排序：脉冲宽度、偏移量、峰值电流与偏移量的交互作用、脉冲宽度与偏移量的交互作用、工作台空载速度、峰值电流、峰值电流与工作台空载速度的交互作用、脉冲间隔比与峰值电流的交互作用、脉冲宽度与峰值电流的交互作用、脉冲间隔比与偏移量的交互作用、偏移量与工作台空载速度的交互作用、脉冲间隔比、脉冲宽度与脉冲间隔比的交互作用、脉冲宽度与工作台空载速度、脉冲间隔比与工作台空载速度。表3-7 表面粗糙度极差分析Table 3-9 Range analysis of orthogonal experiments on surface roughnessABABCACBCDEDK116.94818.30618.18718.70518.52918.53818.42218.922K219.50918.15118.27017.75217.92817.91918.03517.535R2.5620.1550.0820.9530.6020.6190.3861.387续表3-7 表面粗糙度极差分析Continued Table 3-9 Range analysis of orthogonal experiments on surface roughnessADBDCECDBEAEEK117.67817.95717.77318.64118.22118.24317.681K218.77918.50018.68417.64118.23518.21418.775R1.1010.5430.9111.1760.0140.0281.094通过表3-8所示的切割速度极差分析结果，本文得出了各个因素对切割速度的影响排序：工作台空载速度、峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔比、偏移量与工作台空载速度的交互作用、脉冲宽度与峰值电流的交互作用、偏移量、脉冲间隔比与工作台空载速度的交互作用、峰值电流与工作台空载速度的交互作用、脉冲宽度与工作台空载速度的交互作用、脉冲间隔比与偏移量的交互作用、脉冲间隔比与峰值电流的交互作用、峰值电流与偏移量的交互作用、脉冲宽度与偏移量的交互作用、脉冲宽度与脉冲间隔比的交互作用。表3-8 切割速度极差分析Table 3-8 Range analysis of orthogonal experiments on material removal rateABABCACBCDEDK1141.545140.737137.484133.070139.909136.996134.235139.718K2133.400134.208137.461141.875135.036137.949140.710135.227R8.1466.5290.0248.8054.8730.9456.4754.490续表3-8 切割速度极差分析Continued Table 3-8 Range analysis of orthogonal experiments on material removal rateADBDCECDBEAEEK1137.424136.661138.958137.414135.414136.39576.522K2137.521138.284135.987137.531139.348138.550198.423R0.0971.6242.9710.1173.7512.154121.9023.4 方差分析 根据Fisher的偏差平方和加和性原理，在偏差平方和分解的基础之上借助于F检验法，对影响总偏差平方和的各个因素效应及其交互效应进行分析，这种分析方法就称之为方差分析41。方差分析是数理统计的基本方法之一，是生产与科研领域中分析试验数据的一种非常有效的工具。表3-9 表面粗糙度方差分析表Table 3-9 Variance analysis of orthogonal experiments on surface roughness方差来源偏差平方和自由度均方和F比显著性水平A0.28