YT15 硬质合金中走丝电火花线切割加工工艺参数试验研究 周长武1， 赵磊2， 张骞1

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YT15 硬质合金中走丝电火花线切割加工工艺参数试验研究
周长武1， 赵磊2， 张骞1

【作者机构】        1天津市电子信息技师学院(天津市仪表无线电工业学校)； 2天津理工大学中环信息学院
【来    源】        《工程机械》 2025年第3期 P116-121，12

摘 要 ｜研究加工工艺参数对YT15 硬质合金在中走丝电火花线切割的影响，采用单因素试验与正交试验相耦合的设计方法，以YT15 硬质合金的加工速度和表面粗糙度为性能指标，重点研究分析脉冲宽度、脉冲间隙、峰值电流和伺服电压4 个电参数对性能指标的影响规律。根据极差分析可知，各电参数影响加工速度的主次顺序为峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隙、伺服电压，影响表面粗糙度的主次顺序为脉冲宽度、峰值电流、伺服电压、脉冲间隙。利用模糊数学定理采用加权平均法进行综合分析可知，YT15 硬质合金中走丝电火花线切割的最优参数组合为A4B1C4D4，即脉冲宽度40μs，脉冲间隙4 挡，峰值电流12 挡，伺服电压11 挡。

关键词：电火花线切割；YT15 硬质合金；参数优化；表面粗糙度；加工速度

硬质合金是由硬度很高的难熔金属碳化物（如碳化钨、碳化钛、碳化钽与碳化铌等）和粘结金属（如钴、铁或镍等）粉末按一定比例混合，通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，即使在高温下仍有很高的硬度[1]，因此，硬质合金在模具、机械加工刀具领域得到广泛应用。硬质合金材料具有硬度偏高的特点，但其加工韧性较差，常用磨削方式加工。电火花加工主要有以柔克刚的特点，随着电火花线切割加工技术的逐渐成熟，可实现对硬质合金这种硬度高、韧性差的材料进行加工。

郭崇文[1]等利用快走丝线切割对YG6 材料切割，通过单因素分析法研究了硬质合金的加工性能。沈钰[2]等人通过单因素法和正交试验耦合方法研究了各电参数对YG6 硬质合金的加工粗糙度影响。苏伟[3]等人通过中走丝线切割加工硬质合金研究加工表面粗糙度的影响因素。王磐[4]等人通过单因素试验和正交试验设计，研究4 个工艺参数（脉冲宽度、脉冲间距、峰值电流和走丝速度）对两个工艺指标（切割速度和表面粗糙度）的影响规律。滕凯[5]针对切削性能差难以加工的Ti- 6Al- 4V 合金进行了电火花线切割加工试验研究，运用正交试验的方法对工艺数据进行极差、方差分析，探究电火花线切割加工的规律和特性。苏伟[6]等人采用快走丝单次切割工艺及中走丝多次切割工艺，研究了不同切割方式及中走丝不同加工次数对硬质合金表面粗糙度、显微裂纹及加工效率的影响。

综上所述，硬质合金YT15 在机械加工领域应用非常广泛。目前，对于电火花线切割的研究主要集中在通过慢走丝对模具钢、航天材料等贵重材料精密加工，对于普通的硬质合金材料采用中走丝加工的研究较少。中走丝加工效率较高、工作稳定、加工成本低、应用比较广泛，因此对于采用中走丝加工硬质合金的研究是必要的。本文通过中走丝线切割方式对YT15 材料进行加工试验，采用单因素试验与正交试验相耦合的设计方法，研究脉冲宽度、脉冲间距、峰值电流和伺服电压4 个电参数对于切割YT15 硬质合金表面粗糙度和切割速度的影响规律。通过极差、方差相结合的分析方式，采用图表来表述各电参数影响下的主次顺序和规律，获得最优参数配置，并利用机床加工验证，为后续机械制造中提高切割YT15 硬质合金的加工效率、加工质量及电参数的优化提供一定的参考依据。

1 试验设备及方案
试验设备选用数控中走丝电火花线切割机床，机床型号为HQ32GZ- AS，如图1 所示，电极丝选用直径Φ0.18 mm 的钼丝，试验材料为YT15 硬质合金，对长×宽×高为20 mm×5 mm×300 mm 的工件进行20 mm×5 mm 片体切割，切削液采用线切割专用乳化液。根据试验机床自带的参数数据库，选取脉冲宽度TON 取值范围为10～50 μs，脉冲间距TOFF 取值范围为4～8 挡，峰值电流IP 取值范围为6～14 挡，伺服电压SV 取值范围为8～12挡。通过对脉冲宽度、脉冲间距、峰值电流和伺服电压4个电参数的设置，研究其取值变化对于YT15 硬质合金表面粗糙度的影响。

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图1 HQ32GZ-AS 型数控机床

2 单因素试验与结果分析
2.1 脉冲宽度对YT15 硬质合金切割速度和表面质量的影响
脉冲宽度是指电流或电压随时间有规律变化的时间宽度或持续时间，其取值范围可根据工艺要求、加工材料以及工件的厚度来确定[7]。在保证其他电参数不变的情况下，改变脉冲宽度的取值，研究其对表面粗糙度和切割速度的影响。脉冲间距TOFF 为5 挡，峰值电流IP 为12 挡，伺服电压SV 为10 挡，对不同脉冲宽度的试件进行加工并得出结果。脉冲宽度增加对粗糙度Ra 和切割速度V 的影响，如图2 所示。

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图2 脉冲宽度对工作表面的粗糙度和切割速度的影响

分析图2 可以发现，切割速度呈现先上升后下降的趋势，而表面粗糙度则呈现波动上升的趋势。电火花线切割加工以脉冲放电蚀除金属完成加工，脉冲宽度增加，切割速度加快，但单个脉冲的放电能量增大导致蚀除速度增加，导电蚀除物未能及时排除，形成堆积导致电极与工件短路，呈现加工速度变慢。脉冲宽度的增大也会导致工件材料被电蚀的凹坑尺寸增大，导致工件表面更粗糙，从而得出，表面粗糙度随脉冲宽度参数的增加而增大。

2.2 脉冲间距对YT15 硬质合金表面质量和切割速度的影响
脉冲间距是指相邻两个电压脉冲之间的间隔时间，同时脉冲间距也是影响切割速度的主要因素。在保证其他电参数不变的情况下，改变脉冲间距的取值，研究其对表面粗糙度和切割速度的影响。脉冲宽度TON 为30 μs，峰值电流IP 为12 挡，伺服电压SV 为10 挡，脉冲间距TOFF对切割试件表面粗糙度Ra 和切割速度V 的影响如图3 所示。

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图3 脉冲间距对工作表面的粗糙度和切割速度的影响

根据图3 可知，随着脉冲间距的增大，切割速度呈现先上升后下降，表面粗糙度呈现逐渐降低的趋势。说明在其他电参数恒定的情况下，脉冲间距过大或过小都会对加工速度造成严重影响。随着脉冲间距增加，电蚀物排除顺畅，脉冲放电短路现象减少，频率增加，切割速度变快。但随着脉冲间距过长，放电蚀除物排出时间富裕，在这期间脉冲不进行放电加工，从而切割时间变长，速度变慢。随着脉冲间隙逐渐增加，脉冲放电加工相对稳定，蚀除材料均匀，表面粗糙度逐渐降低。

2.3 峰值电流对YT15 硬质合金表面质量和切割速度的影响
电流峰值IP 是指在放电时间中放电通道流动的电流值。IP 等电参数与单一脉冲的放电能量有关，IP 越大放电能量越大。在保证其他电参数不变的情况下，改变峰值电流的取值，研究其对表面粗糙度和切割速度的影响。脉冲宽度TON 为30 μs，脉冲间距TOFF 为5 挡，伺服电压SV 为10 挡，峰值电流对试件表面粗糙度和切割试件速度影响结果如图4 所示。

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图4 峰值电流对工作表面的粗糙度和切割速度的影响

根据图4 可知，随着IP 值的增加，放电能量增大，蚀除表面凹坑变大，加工表面粗糙度逐渐增加，光洁度降低。切割速度随IP 值的增加先增加后降低，呈折线形式。由于随IP 值的增加，释放能量增加，蚀除材料的速度变快，但加工速度达到一定程度后，蚀除物排出不及时，造成短路现象，从而加工速度降低。

2.4 伺服电压对YT15 硬质合金表面质量的影响
伺服电压主要控制跟踪距离，但为了确保极间电压（GAP）恒定，作为伺服动作基准的电压，设定伺服电压越高，电极间距越大。在保证其他电参数不变的情况下，改变伺服电压的取值，研究其对表面粗糙度和切割速度的影响。脉冲宽度TON 为30 μs，脉冲间距TOFF 为5 挡，峰值电流IP 为12 挡，伺服电压对试件表面粗糙度和切割试件速度影响结果如图5 所示。

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图5 伺服电压对工作表面的粗糙度和切割速度的影响

分析图5 的数据可知，随着伺服电压增加（间距增加），粗糙度呈现变小趋势。加工速度随SV 值的增加整体呈降低趋势，中间有小幅上升。随SV 值的增加，间距增大，放电重复次数少，平均电流降低，蚀除材料的速度变慢。

3 正交试验与结果分析
3.1 正交试验设计
使用单因素试验法分析评价指标（V 和Ra）受各工艺参数的影响规律，通过影响规律合理地选择四因素四水平正交试验。该正交试验参数表如表1 所示，试验参数及结果如表2 所示。

表1 正交试验因素水平表

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表2 正交试验数据

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3.2 试验数据处理
由于线切割加工参数V 具有望大特性，Ra 具有望小特性，二者指标单位不同，性质也不同，综合考虑，需要对各自特性进行量纲归一化处理[10]。

根据切削速度的望大特性，V 值越大越好，因此量纲归一化处理得到式（1），其中，指标y1 取值具体如表2 所示。

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根据粗糙度的望小特性，Ra 值越小越好，量纲归一化处理得到式（2），其中，指标y2 取值具体如表2 所示。

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利用Fuzzy 数学思想，采用加权平均法实现多目标的单目标化，即：

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式中：Y 为两个工艺指标的综合指标；j 为工艺指标的个数；yj 为第j 个工艺指标；λj 为第j 个工艺指标yj 的权重，且满足pagenumber_ebook=134,pagenumber_book=120

在本试验中，V 和Ra 两个指标的权重分别为0.6 和0.4[11]。根据表2 中y1 和y2 的数据，利用式（3）计算出综合指标Y 的值，见表2。

3.3 试验数据分析
根据表2 数据分别对y1、y2 和综合指标Y 进行正交试验极差分析，结果见表3。表3 中：K1i、K2i、Ki（i=1，2，3，4）分别表示因素A、B、C、D 在V、Ra 和综合指标Y 下的结果之和；R1、R2 和R 分别表示因素A、B、C、D 在V、Ra 和综合指标Y 下的极差。

表3 正交试验极差分析结果

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由表3 可知，4 个工艺参数对切割速度V 影响的主次顺序：峰值电流C＞脉冲宽度A＞脉冲间隙B＞伺服电压D。4 个工艺参数对Ra 影响的主次顺序：脉冲宽度A＞峰值电流C＞伺服电压D＞脉冲间隙B。4 个工艺参数对综合指标Y 影响的主次顺序：脉冲宽度A＞脉冲间隙B＞峰值电流C＞伺服电压D。最优工艺参数组合为A4B1 C4D4，即脉冲宽度40 μs，脉冲间隙4 挡，峰值电流12 挡，伺服电压11 挡。

3.4 试验验证
根据上述最优工艺参数组合，进行试验验证[12]。为了保证结果的准确性，严格控制机床其他参数设置，重新加工同一批次的硬质合金件，测量为12.36 mm2/min，Ra=2.352 μm。对比正交表中切割速度和表面粗糙度的平均值V=9.86 mm2/min，Ra=2.448 μm，V 提高了20.22%，Ra值减小了3.92%，完成了硬质合金工艺参数的优化，验证了量纲归一化原理与加权平均法优化参数具有合理性。

4 结束语
本文利用单因素试验及正交试验耦合的试验设计与分析，获得了脉冲宽度、脉冲间距、峰值电流和伺服电压4 个电参数对于电火花线切割YT15 硬质合金表面粗糙和切割速度的影响规律。

（1）根据极差分析可知，各电参数影响加工速度的主次顺序为峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隙、伺服电压，其中主要影响表面粗糙度的电参数为脉冲宽度、峰值电流、伺服电压、脉冲间隙。

（2）根据Fuzzy 数学思想，采用加权平均法在满足综合指标条件下，线切割加工YT15 硬质合金组合参数中最优工艺为A4B1C4D4，即脉冲宽度40 μs，脉冲间隙4 挡，峰值电流12 挡，伺服电压11 挡。

（3）通过试验得出，加工速度V 比优化前提高了20.22%，粗糙度Ra 值比优化前减小了3.92%，证明了优化的合理性。此研究提升了线切割加工硬质合金的性能，可作为后期科研的可靠理论依据。

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作者简介：周长武（1989—），男，山东邹城人，实验师，学士，研究方向为模具制造。

通信地址：天津市津南区海河教育园区雅深路6 号 天津市电子信息技师学院（天津市仪表无线电工业学校）（300350）

（收稿日期：2024- 08- 27）