1 引言

GH4169合金是1959年由美国率先发现的，该种高温合金具有许多较好的优异性能，例如：具有较高的热稳定性、抗拉强度以及较好的热疲劳性能，同时具有非常好的抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能和长期组织稳定性它被广泛的应用于制造各种高温部件[1-2]。航空发动机、导向叶片、工作叶片、地面燃气轮机、石油管道、涡轮盘、管材、宇航飞行器以及尾喷口是高温合金应用的典型零件[3]。目前，先进的飞机发动机中这种合金的比重在50%以上，而且对于正在热点研究中的微型发动机、微型飞行器整体构件，也有着重要的应用前景。但是GH4169合金的加工性能比较差，是一种典型的难加工材料。切削GH4169合金时切削力具有比较大的波动性，极其容易引起振动[4]。由于高温合金本身具有高强度，高的塑性变形，切削力大，导热系数小等特征，使得加工时的切削温度较高[5]。切削高温合金时由于合金中的硬化物以及较高的加工温度等原因还会使刀具产生较高的磨损程度同时加工工件的表面质量和加工精度也不容易保证。

传统出版社、技术生产商、民营文化公司都在AR图书出版方面有所尝试，进行了有益的探索。反响较大的有中信出版集团《科学跑出来》系列，北京联合出版公司《艾布克的立体笔记：探索系列》等。

电火花线切割是一种特有的加工方法，它对工件材料沿轮廓进行加工，材料的利用程度高，并且没有显著的宏观切削力。线切割采用简单的电极工具电极丝进行切割，损耗比较小，从而提高了已加工表面的加工精度，已经广泛应用于加工硬质材料、切割薄片、窄缝、扭曲曲面体、变椎体以及形状较复杂的工件[6]。所以，电火花线切割有效的补充了普通的机械加工方法，具有特有的优势，在一定的程度上解决了高温合金材料的加工问题。因此使用正交实验方法研究了在不同的加工参数下高温合金GH4169在电火花线切割加工后的表面粗糙度和切割速度问题。通过主效应分析来确定各参数对研究变量的关系，通过方差分析来判断显著性。经过上述过程来获得加工参数的最佳组合，为进一步优化工艺参数提供基础支持[7-9]。

2 实验条件和方案

2.1 实验材料

镍基合金 GH4169，加工厚度 1mm，加工表面（14.8×10）mm，GH 4169化学成分，如表1所示。

2.2 实验设备及指标检测

（1）实验设备本实验所用的机床是中走丝电火花线切割机床，型号是DK7732E，工作台最大行程320400mm，工作液：DX-1＆DX-4混合皂化液，脉冲电源：GD-8，最大切割厚度300mm，钼丝直径 0.18mm，脉宽调节范围是（10～300）μs、间隙调节范围是（2～16）ns、功率管管数调节范围是（2～15）个。实验现场，如图 1～图3所示。

  

图1 实验现场Fig.1 Experimental Site

  

图2 加工区域Fig.2 Machining Region

（2）检测方法 考察的两项性能指标为切割速度和表面粗糙度，切割速度是利用线切割加工工件的加工面积与加工这段面积所用的加工时间比值计算得出，单位是mm2/s；加工速度是通过加工工件的截面积除以所使用的加工时间即可。加工截面积用游标卡尺测量工件的长宽尺寸即可；而不同加工参数下的加工时间则可从加工加工控制界面或用秒表测出。表面粗糙度是通过TR200表面粗糙度仪进行检测的，该仪器在出厂时就已经按照国标标定好了，因此在实际使用时不需要标定，只需要根据国标选择合理的测量条件，如取样长度、评定长度等。并且为了避免测量时产生的误差对试验结果造成影响，在每个加工后的工件上选取三个不同测量处，最后取测量结果的平均值。表面粗糙度测量过程以及测量过程，如图3所示。

主效应是一个因素的水平之间的平均数差异，主效应的个数和自变量的个数是一致的。通过Minitab软件进行数据处理，绘制出各个自变量与所研究参数的主效应图。根据所画图形能够清晰的了解到各个变量与所研究参数的变化规律，为进行下一步的分析产生一定的影响。一般运用极差分析来判断各个因素的影响程度，但是这样并不能得出影响的显著性，因此这里采用方差分析来对实验数据进行处理，找出具有显著性的因素，然后判断出显著影响各个因素的最佳水平等。按照表3的正交实验方案对GH4169合金进行线切割加工实验得到的加工参数（脉宽、间隙、管数、加工限速）对GH4169镍基合金材料加工过程中的表面粗糙度的影响结果的主效应，如图4所示。

  

图3 表面粗糙度测量现场Fig.3 Surface Roughness Measurement Site

2.3 实验设计

本文在设计状态反馈控制器的基础之上，增加了轨迹追踪器环节，即讨论了补偿增益矩阵G的选取过程，使得系统状态量和参考轨迹输入量的误差趋近于零。最终通过Simulink仿真结果表明，本文设计的状态反馈控制器及轨迹追踪器达到了理想的设计效果。

 

表1 GH4169的化学成分Tab.1 Chemical Composition of GH4169（%）

  

NiFe Cr NbMo Mn SiAlTi Co C Cu P S B 52.47 19 18 5.12 3.15 0.22 0.15 0.6 0.96 0.182 0.06 0.03 0.02 0.02 0.006

 

表2 实验加工参数Tab.2 Experimental Processing Parameters

  

序号 A脉宽（μs） B间隙（ns） C管数（个） D加工限速（步/s）1 20 4 2 50 2 40 6 4 100 3 60 8 6 150 4 80 10 8 200

 

表3 正交实验表Tab.3 Schedule of Orthogonal Experiments

  

序号 A脉宽（μs） B间隙（ns） C管数（个） D加工限速（步/s）1 20 4 2 50 2 20 6 4 100 3 20 8 6 150 4 20 10 8 200 5 40 4 4 150 6 40 6 2 200 7 40 8 8 50 8 40 10 6 100 9 60 4 6 200 10 60 6 8 150 11 60 8 2 100 12 60 10 4 50 13 80 4 8 100 14 80 6 6 50 15 80 8 4 200 16 80 10 2 150

3 实验结果与分析

3.1 表面粗糙度实验分析

山东新巨龙能源有限责任公司选煤厂是新巨龙公司龙固矿井的配套工程，为矿井型炼焦煤选煤厂，设计入洗能力600万t/a，系统配置能够满足1 000万t/a的生产需要。

正交实验法其实就是从众多的实验点中选出一些具有象征性的点，利用事先做好的正交表来进行实验的安排并进行数据分析的方法。在本试验中采用四因素四水平的正交试验，并且在所有的可能的正交表中选用L16（44）正交表进行试验安排。在表的四列中依次放入因素A（脉冲宽度）、B（间隙）、C（管数）和D（加工限速）四个水平，单位分别是脉冲宽度（μs），间隙（ns），管数（个）以及加工限速（步/s），如表2所示。实验所用的四因素四水平正交实验安排表，如表3所示。按照所列正交表进行实验。

  

图4 表面粗糙度主效应图Fig.4 Main Effects Plot of Ra

同样按照表3的正交实验方案对GH4169合金进行线切割加工实验得到的加工参数（脉宽、间隙、管数、加工限速）对GH4169镍基合金材料加工过程中的切割速度的影响结果的主效应，如图5所示。由图5可知GH4169合金的切割速度在一定的条件下随着管数的增加和加工限速的提高均显著的增大，其中管数对工件加工速度的作用较大，这是由于管数越大，加工速度越快，但管数也不能够太大，太大可能造成断丝。切割速度则随着间隙（也就是每个电子的放电间隔时间）的增大而减小，这是由于在切割的过程中，当间隙较小时则每个电子的放电间隔时间很短，单位时间内钼丝对加工工件的放电次数增加，切割面积增大，因此使得切割速度加快。当间隙增大时，单个电子的放电间隔变长，使得单个脉冲在单位时间内的放电能量减小，钼丝对工件的放电次数降低，加工面积减小，从而造成切割速度降低。

对计算所得出的加工速度数据进行方差分析的结果，如表5所示。从方差结果来看，管数对加工速度的影响是非常显著的。其次对切割速度呈现较强显著性的影响因素是加工限速，脉冲宽度和间隙对切割速度也具有一定的显著性。各因素对切割速度的显著性影响顺序为 C（管数）＞D（加工限速）＞A（脉冲宽度）＞B（间隙）。加工参数在脉宽为60μs，间隙为4ns，管数为8，加工限速150步/s时可以获得最快的切割速度。

 

表4 表面粗糙度方差分析Tab.4 Variance Analysis of Ra

  

来源 自由度 SeqSS AdjMS F P A 3 0.7330 0.2443 0.30 0.825 B 3 1.6315 0.5438 0.67 0.626 C 3 1.2804 0.4268 0.52 0.696 D 3 2.5627 0.8542 1.05 0.485误差 3 2.4430 0.8143合计 15 8.6506

3.2 切割速度实验分析

由图4可以得出，GH4169合金的表面粗糙度在一定的条件下随着脉冲宽度和加工限速增加而增大，其中加工限速对已加工表面的表面粗糙度的影响更为显著，间隙时间和管数的增大对表面粗糙度的影响具有波动性。分析认为：脉冲宽度的意义是电子的放电时间，不仅会对单个脉冲的能量产生影响，在一定程度上它还会影响已加工表面的表面粗糙度和线切割加工工件的切割速度[10]。工件已加工表面的表面粗糙度随着脉宽的增大而增大。因为脉宽增大，放电时间增长，钼丝与工件的作用时间增加，使脉冲电流持续作用的时间增长，从而使放电能量增大，放电过程中对工件的局部作用增强，使得表面产生凸起或者凹痕，致使工件表面粗糙度增大。随着时间的增长，会使火花放电去除的材料增多，如果放电脉宽时间设置的过大，就会使那些去除的材料来不及排出，从而造成加工过程不稳定，甚至可能断丝。

  

图5 加工速度主效应图Fig.5 Main Effects Plot of V

对已加工表面的表面粗糙度测量数据经过Minitab软件进行方差分析以后的结果，如表4所示。表中P值用于说明各个因素对测量目标参数的显著性程度，P的值越小代表这个因素对目标参数越显著。从表中给出的方差结果来看，P值最小的是D（加工限速），所以加工限速对加工表面的表面粗糙度的影响是显著的。间隙对表面粗糙度的影响也具有一定的显著性。在一定的条件下表面粗糙度随着间隙的增大总体呈现下降趋势，这可能是因为电子放电停息时间增长，使得单个脉冲的放电能量减小造成加工时间变长从而使工件的表面粗糙度降低，使得表面粗糙度较小。管数以及脉宽相对来说具有较低的显著性。各因素对表面粗糙度的显著性影响顺序为D（加工限速）＞B（间隙）＞C（管数）＞A（脉冲宽度）。在脉宽参数为40μs，间隙大小10ns，管数为2，加工限速50步/s的情况下能够得到较小的表面粗糙度值。

 

表5 加工速度的方差分析Tab.5 Variance Analysis of V

  

4 结论

（1）影响GH4169合金已加工表面的表面粗糙度的主要因素依次为D（加工限速）＞B（间隙）＞C（管数）＞A（脉冲宽度），表面粗糙度随着加工限速的增大而增大。

（2）影响GH4169合金切割速度的主要因素依次为C（管数）＞D（加工限速）＞A（脉冲宽度）＞B（间隙），其中管数对加工速度具有显著性影响。

（3）加工参数在脉宽为60μs，间隙为4ns，管数为8，加工限速150步/s时获得最快的切割速度；在脉宽参数为40μs，间隙大小10ns，管数为2，加工限速50步/s的情况下能够得到较小的表面粗糙度值。

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参考文献

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