王磊，刘巧，赵永满*，陈虎

（1石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2石河子大学信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

基于正交试验3Cr13电火花成型的加工试验及分析

王磊1，刘巧2，赵永满1*，陈虎1

（1石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2石河子大学信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

为提高3Cr13不锈钢模具型腔电火花成型精加工效率，降低加工过程中工具电极的损耗，以工具电极材料、峰值电流和脉冲宽度为影响因子，材料去除率和电极体积相对损耗为性能指标，进行2-3因素混合水平试验；应用Minitab软件建立了影响因子与性能指标的数学回归模型，分析了各因子对性能指标的影响；采用多目标优化，确定最优参数组合为：峰值电流为11.6 A，脉冲宽度为67.4 μs，电极材料为Cu50W；根据优化参数组合，重复试验验证结果为：材料去除率22.378 mm3/min，电极体积相对损耗1.075%，与优化结果基本吻合。该研究为电火花成型加工不锈钢模具型腔最优工具电极材料选择和电参数选择具有实际指导意义。

正交试验；电火花成型加工；材料去除率；电极损耗

在现代模具加工中，不锈钢材料以其抗拉强度高、硬度高、耐腐蚀性强、耐高温等优良性能，广泛应用于航天航空、石油化工、电子仪表等诸多领域［1］，然而不锈钢材料具有高韧性、高热强度、低导热系数等特点，致使在传统切削加工中切削温度高、加工硬化严重、所需切削力大、刀具磨损严重、易产生积屑瘤和粘刀等问题，使得不锈钢的切削效率和加工质量很难控制甚至不能进行切削加工，其难加工性制约了 其应用［2］。

电火花加工（Electrical discharge machining，EDM）是一种利用电、热能量进行加工的方法，加工时不受被加工材料强度、硬度限制，工件和工具电极无宏观作用力等特点，对难加工材料的加工具有明显优势［3-6］。在电火花微细精加工中，由于单位面积的电火花能量大，造成电极损耗严重，从而达不到精加工的技术要求，可通过调整加工参数，减少单位面积的放电能量，但势必会降低加工效率［7］。合理选用电极材料和电参数可提高有效脉冲利用率，以最小的电极损耗获得较高的加工速度、加工精度和表面质量。

为提高3Cr13不锈钢模具型腔电火花成型精加工效率，降低加工过程中工具电极的电极损耗，以工具电极材料、峰值电流和脉冲宽度为影响因子，材料去除率和电极体积相对损耗为响应指标，进行2-3因素混合水平试验，应用Minitab软件建立响应指标与各影响因子的数学回归模型，分析各因子对响应指标的影响，并进行参数优化和试验验证，从而为电火花成型加工最优工具电极和电参数的选择提供实际指导的依据。

1 试验条件与方法

1.1 试验装置

ROBOFORM 54P精密数控电火花成型机床（瑞士 GF，分辨率 0.5 μm）；EDM Fluid 108 MP/S电火花专用工作液（美国Exxon Mobil，闪点108℃，粘度3cst）；AB204-N精密电子天平（中国上海，量程0～210 g，精度 0.01 g）等。

1.2 工件材料和工具电极材料

1.2.1 工件材料

试验用工件材料为3Cr13，属中碳马氏体不锈钢，具有优良的耐腐蚀性和耐磨性，广泛应用于高负荷，高耐磨和高耐腐蚀性的塑料模具。其热学性能如表1所示［8］。试验工件为长方体，尺寸为60 mm×25 mm×12 mm。

表1 3Cr13的热学性能Tab.1 Thermology physical constant of 3Cr13

1.2.2 工具电极材料

微细电火花加工常用电极材料有Cu、W、Cu-W和WC等，其中电极材料的熔点和导热率较高的电极损耗较小［7，9］。为满足 3Cr13模具型腔的电加工要求，结合3Cr13的热学性能（表1），应选择相对损耗小、加工过程稳定、生产效率高和易于制造加工的材料作为电极材料，因此选择紫铜和铜钨合金作为工具电极材料，其热学物理常数如表2所示。试验用工具电极为长方体，尺寸为12 mm×12 mm×25 mm。为保证工具电极的尺寸一致性，每组试验完成后，对工具电极进行尖角及表面处理。

表2 紫铜和铜钨合金的热学物理常数Tab.2 Thermology physical constant of Cu and Cu50W

1.3 试验方法

1.3.1 影响因子和水平选取

（1）电极材料X1为紫铜（Cu）和铜钨合金（Gu50 W）。

（2）电参数。电火花成型加工时，机床操作者通常借助机床制造厂家以工艺数据表形式提供的电规准为参照，峰值电流和脉冲宽度决定放电能量，是影响电加工特性的主要影响因素，因此选取峰值电流X2和脉冲宽度X3作为影响因子。根据被加工材料的特性，系统推荐的峰值电流X2的取值范围：6-12A，脉冲宽度 X3的取值范围：25-100 μs。

1.3.2 响应指标选取及测定

（1）材料去除率。即加工速度，指在一定的工艺条件下，单位时间内工件的电蚀量，一般用体积加工速度y1表示，即：

式中：y1为材料去除率（加工速度），mm3/min；Vw为工件被加工掉的体积，mm3；t为加工时间，min。

（2）电极体积相对损耗。生产中衡量电极损耗程度不仅要考虑电极损耗速度，而且要考虑加工速度。用电极体积相对损耗（损耗比）y2表示工具电极损耗程度，即：

式（2）中：y2为电极体积相对损耗，%；VE为工具电极损耗速度，mm3/min；y1为材料去除率（加工速度），mm3/min。

1.3.3 试验设计

试验以提高3Cr13模具型腔电火花成型精加工效率，降低电极损耗为目标，采用正交实验研究各影响因素对性能指标的影响，并完成多目标优化。试验选取电极材料、峰值电流和脉冲宽度3个影响因素进行多因子试验，以材料去除率和工具电极体积损耗为响应指标，按照2-3因素混合水平安排试验，制定的因子水平编码表如表3所示［10-11］。

表3 L18（21*32）因子水平编码表Tab.3 Coding table of L18（21*32） factor level

2 结果与分析

试验采用间隙电压为120 V单电极负极性标准切入加工。借助精密电子天平，分别测量工件和工具电极加工前、后的质量，根据公式（1）和（2）分别获得材料去除率及电极体积相对损耗。根据编码表，制定正交试验的试验方案，得到试验方案和结果见表4。

表4 试验方案及结果Tab.4 Program and result of the test

2.1 各因子对材料去除率的影响分析

2.1.1 回归分析

根据表4的试验数据，借助Minitab软件得出材料去除率的方差分析结果。经“Prob＞F”检验可知，模型极显著，各因素在0.05以上水平显著，剔除不显著项。

方差分析结果如表5所示。

表5 各因子对材料去除率的方差分析Tab.5 Variance analysis of the influence of each factor to material removal rate

在该情况下，x1、x2、x3、x22、x1x2是模型的显著项。由分析可知，各影响因子对材料去除率的影响的显著性顺序从大到小依次为峰值电流x2、脉冲宽度x3和电极材料x1。以电极材料X1为类别因子，分别得到电极材料Cu 50W和Cu去除率y1的数学回归模型见式（3）和式（4）：

2.1.2 电极材料对材料去除率的影响

由图1和图2对比可知：峰值电流为11A时，材料去除率最大；电极材料为Cu50W，材料去除率为21 mm3/min；电极材料为 Cu，材料去除率为 25 mm3/min；相同工艺条件下，电极材料为Cu时的材料去除率略大于电极材料为Cu50W的材料去除率。

2.1.3 电参数对材料去除率的影响

由图1和图2可知：材料去除率随脉冲宽度的增大而增大，随峰值电流增大，先增大后减小；响应曲面沿峰值电流方向变化较快，沿脉冲宽度方向变化较慢。峰值电流对材料去除率的影响要比脉冲宽度的影响显著。

图1 峰值电流与脉冲宽度对材料去除率的影响（固定值为Cu50W）Fig.1 Influence of peak current and pulse width on the material removal rate

图2 峰值电流与脉冲宽度对材料去除率的影响（固定值为Cu）Fig.2 Influence of peak current and pulse width on the material removal rate

2.2 各因子对电极体积相对损耗影响的分析

2.2.1 回归分析

根据表4的试验数据，应用Minitab软件得出电极体积相对损耗的方差分析结果，“Prob＞F”检验可知，模型极显著，各因素在0.05以上水平显著，剔除不显著项，结果如表6所示。

表6 各因子对电极体积相对损耗的方差分析Tab.6 Variance analysis of the influence of each factor to electrode loss

在该情况下，x1、x2、x3、、、x1x2、x1x3是模型的显著项。由分析可知，各影响因子对电极体积相对损耗影响的显著性顺序从大到小依次为电极材料x1、脉冲宽度x3、峰值电流x2。以电极材料x1为类别因子，得到电极材料Cu 50W和Cu电极体积相对损耗y2的数学回归模型式（5）和式（6）：

2.2.2 电极材料对电极体积相对损耗的影响

由图3和图4比较可知，电极材料为Cu50W时的电极体积相对损耗低于电极材料为Cu的电极体积相对损耗。

2.2.3 电参数对电极体积相对损耗的影响

由图3和图4可知：电极体积相对损耗随峰值电流的增大而增大，随脉冲宽度的增大而减小；电极材料为Cu50W时，沿峰值电流方向电极体积相对损耗变化缓慢，沿脉冲宽度方向变化较快，因此脉冲宽度对电极体积相对损耗的影响要比峰值电流的影响显著。

图3 峰值电流与脉冲宽度对电极体积相对损耗的影响（固定值为Cu50W）Fig.3 Influence of peak current and pulse width on the on the electrode loss

3 参数优化与验证

3.1 参数优化

根据3Cr13电火花成型精加工要求，采用多目标优化法以材料去除率和电极体积相对损耗的性能指标函数，对影响因子电极材料、峰值电流和脉冲宽度进行优化，应用Minitab软件进行优化求解，结果如图5所示，寻找到满足性能指标的因子最佳组合：电极材料为Cu50W、峰值电流11.6 A、脉冲宽度67.4 μs，模型预测的材料去除率为22.142 mm3/min，电极体积相对损耗为1.054%。

图5 优化结果Fig.5 Optimization results

3.2 试验验证

为消除随机误差，根据上述优化结果，进行5次重复试验和试验验证，结果见表7。由表7可知：试验优化得出的最佳工作参数组合下的性能指标值与优化结果近似，材料去除率为27.378 mm3·min-1，电极体积相对损耗为1.075%，满足3Cr13电火花成型精加工要求。

表7 试验验证结果Tab.7 Experimental results

4 结论

（1）电极材料为Cu时材料去除率较高，其加工效率高；电极材料为Cu50W时电极相对损耗较低，加工精度高。因此3Cr13模具型腔精加工时，应选取Cu50W作为电极材料。

（2）峰值电流和脉冲宽度决定放电能量，电极材料一定时，脉冲电流对材料去除率的影响较为显著，适当增大脉冲电流，能够提高加工效率；脉冲宽度对电极体积相对损耗的影响较为显著，随脉冲宽度的增大，电极体积相对损耗减小。

（3）最优组合为：电极材料为Cu50W、峰值电流11.6 A、脉冲宽度67.4 μs，模型预测的材料去除率为 22.142 mm3·min-1，电极体积相对损耗为1.054%。用最优组合参数进行试验验证，材料去除率22.378 mm3/min，电极体积相对损耗1.075%，与优化结果基本吻合，达到3Cr13电火花成型精加工要求。

（4）上述结论对3Cr13电火花成型精加工最优工具电极材料选择、电参数选择具有实际指导作用。

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Based on the orthogonal experiment of 3Cr13 EDM processing test analysis

Wang Lei1，Liu Qiao2，Zhao Yongman1*，Chen Hu1
(1 College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Xin Jiang Shihezi 832003,China;2 College of Information Science and Technology,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

In order to improve the efficiency of 3Cr13 stainless steel mold cavity EMD molding finishing and reduce the wastage of the tool electrode in the processing,the tool electrode material,peak current and pulse width as impact factors,the material removal rate and electrode relative volume loss as the performance indicators,the orthogonal combination experiment of 2-3 factor mixed levels was designed.With the help of Minitab,the mathematical regression model of response indexes and each impact factor was established to analyse the influence of various factors on response indicators.Multi-objective optimization of experimental parameters was used to determine the optimal combination:peak current is 11.6 A,pulse width is 67.4 μs,electrode material is Cu50W.With optimized combination parameters,repeated tests were done to verify the results:the material removal rate was 22.378 mm3/min and the electrode volume relative loss was 1.075%,which were basically consistent with optimization results.This study is significant to the selection of the optimal tool electrode material and electrical parameters in electrical discharge molding fine finishing.

Orthogonal experiment;electrical discharge molding machining;material removal rate;electrode loss

TG661

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.03.019

1007-7383(2017)03-0378-05

2016-07-14

石河子大学优秀青年项目（2012ZRKXYQ06）

王磊（1983-），男，讲师，从事机械设计制造研究，e-mail：wl_mac@shzu.edu.cn。

*通信作者：赵永满（1978-），男，副教授，从事工业工程研究，e-mail：zhrym@163.com。