工程科学与技术，国际期刊20（2017）222完整文章低频振动辅助Inconel 718Deepak Rajendra UnuneMr.，Harlal Singh Mali机械工程系，Malaviya国家技术学院，斋浦尔302017，拉贾斯坦邦，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年4月16日收到2016年6月17日修订2016年6月24日接受2016年7月6日在线发布保留字：微细电火花线切割低频振动微通道表面质量MRR切口A B S T R A C T微细电火花线切割加工（micro-WEDM）已成为微细特征加工的主流工艺然而，低的加工速度和较差的表面光洁度限制了该工艺的广泛应用因此，本研究尝试以低频工件振动辅助提高微细电火花线切割加工速度在Inconel 718中制造微通道时，选择间隙电压、电容、进给速率和振动频率作为控制因素，而选择材料去除率（MRR）和切口宽度作为性能指标结果表明，在微细电火花线切割加工中，电容是影响MRR和切缝宽度的最重要结果表明，低频工件振动通过改善冲洗条件和减少电极-工件粘附而提高了MRR，从而改善了微细电火花线切割的性能©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍镍基高温合金具有优良的抗腐蚀、抗氧化、抗蠕变断裂和抗疲劳等性能，在航空航天、汽车、医疗、化工等领域有着广泛的应用。在镍基高温合金中，Inconel 718主要用于航空航天领域，用于制造燃气涡轮发动机部件，例如涡轮盘、叶片、燃烧器和壳体，核电站部件，例如反应堆和泵，航天器结构部件，医疗器械，食品加工设备，挤出模具和容器，铸造模具，热加工工具和模具等[1，2]。然而，Inconel-718在传统加工中造成了很大的困难，因为其导热系数小，加工硬化特性高，热硬度，对工具材料的化学影响[1，3因此，在加工Inconel 718时，非传统加工工艺比传统工艺更受青睐。电火花线切割加工是一种重要的、应用广泛的非传统、热电* 通 讯 作 者 ： 机 械 工 程 系 ， Malaviya 国 家 技 术 学 院 ， Malaviyanagar ， Jaipur302017，Rajasthan，印度。手机：+91 8947965681。电 子 邮 件 地 址 ： deepunune@gmail.com （ D.R. Unune ） ， harlal. gmail.com（H.S.马里）。由Karabuk大学负责进行同行审查由于其能够用非常细的金属丝加工复杂和自由的形状，因此在制造业中具有广泛的应用[6，7]。电火花线切割加工过程的物理行为和工作原理在文献[8-10]中得到了很在过去的十年中，微细电火花线切割，这是线切割的变体，已经发展成为一种在这种难以切割的材料中加工和制造微特征的有效在微细电火花线切割加工中，小脉冲能量占主导地位，（直径25- 150 l m）作为工具电极。与bene-具有加工效率高、精度高、成本低等优点微细电火花线切割技术在其他微细加工工艺中占据优势，并已广泛应用于航空航天和核航天工业中，用于加工难切削材料[11，12]。在过去的二十年里，已经报道了许多关于使用电火花线切割加工导电材料（包括金属、复合材料、陶瓷一般来说，线切割机的加工性能主要受电极丝的电气、机械、物理和几何特性、工件材料特性、机械加工概念、机器智能、脉冲发生器技术和电介质冲洗方法的综合影响Mahapatra和Patnaik[8]研究了各种参数对金属去除率（MRR）、表面光洁度（SF）和切割宽度（切口）的影响，这些参数包括放电电流、脉冲持续时间、脉冲频率、焊丝速度、焊丝张力和电介质流速他们使用遗传算法进行线切割多目标优化。http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.06.0102215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchD.R. Unune， H.S. 马里/工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）222223××[13]的作者使用非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）来确定AISI D3线切割加工中切割率和表面粗糙度的最佳工艺参数。Kumar和Agrawal[14]在用镀锌丝加工高速钢时优化了电火花线切割工艺参数他们应用NSGA-II优化技术对切削速度和表面光洁度进行多目标优化在钛合金、复合材料的电火花线切割加工中也有报道。Kuriakose等人[15]使用镀锌黄铜丝加工Ti-6Al-4V钛合金，并应用基于机器学习的数据挖掘方法研究各种工艺参数对切削速度和表面说完铝化钛合金的切削加工与优化在[16]中有报道。他们使用约束优化采用Pareto优化算法对线切割加工速度、表面质量和尺寸偏差进行参数优化Manna和Bhattacharya[17]使用线切割加工铝增强碳化硅金属基复合材料，并通过高斯消除双响应法确定最佳加工条件Patil和Brahmankar[18]使用Taguchi的方法检查了电火花线切割参数对表面光洁度、切割速度和切口宽度Bobbili等人[19]介绍了使用线切割机加工装甲材料，如铝合金7017和轧制均匀装甲（RHA）钢。他们进一步扩展了这项工作，提出了工艺参数的多目标优化[20]。最近，已经报道了各种研究[21-Han等人[21]通过数值方法建立了微细电火花线切割加工中的三维温度和应力分布。Das和Joshi[22]开发了一种用于微细电火花线切割的数学模型，该模型考虑了等离子体特征、移动热源特征、多火花现象和线振动效应，以预测阴极侵蚀速率。[23]解释了RC电路工艺参数对微细电火花线切割性能的影响。他们建立了数学模型来预测性能指标，并进行了实验验证。很少有研究报告的镍基高温合金，如Inconel 718使用线切割加工。Inconel 718的优异性能，如高耐腐蚀性和耐高温性，使其能够胜任高温应用[5，24]。Goswami和Kumar[25]在加工Nimonic 80A高温合金时研究并优化了WEDM的输入工艺参数。Hewidy等人[26]基于响应曲面方法，在使用铜线的Inconel 601的Ramakrishnan和Karunamoor- thy[27，28]使用人工神经网络预测了Inconel 718的线切割性能。此外，他们使用多响应优化来优化MRR和表面粗糙度Agrawal等人[2]提出了使用响应曲面法（RSM）对Inconel 718进行线切割工艺参数的经验建模。他们使用期望函数方法优化了工艺性能最近，Nayak和Mahapatra[29]提出了在低温处理的Inconel 718的加工过程中优化WEDM的工艺参数还注意到，目前还没有关于Inconel 718高温合金微细电火花线切割加工的研究报道。在微细电火花加工过程中应用低频工件振动，由于增强了冲洗条件并减少了不稳定的加工条件，因此改善了加工性能[30 Jahan等人[30，31]评价了低频振动辅助碳化钨电火花钻削并声称低频振动有相当大的影响对加工特性和微孔精度参数的影响。最近，Lee等人[32]得出结论，低频工件振动（10-钻削可使加工时间减少70%，在非旋转电极条件下无振动加工。 由于电火花线切割加工的加工效率低，限制了其应用. 没有关于低频工件振动在电火花线切割加工中的应用因此，本文尝试用低频工件振动辅助来提高电火花线切割加工的性能。间隙电压、电容、送丝速度、和振动频率作为输入参数，而MRR和切口作为性能指标。2. 材料和方法2.1. 材料通 过 使 用 高 速 金 刚 石 切 割 机 （ Isomet 4000 Buehler ） 由 市 售Inconel 718制备尺寸为27 mm × 10 mm × 2.5 mm的工件试样。半自动抛光机（MetaServ® 250 Buehler）用于工件试样的抛光和研磨。使用光谱仪（LECO GDS 500A）测定所制备的Inconel 718试样的组成，发现其为54.4% Ni、0.04% C、0.084% Si、0.06% Mn、0.001%P、18.8% Cr 、 8.84% Fe 、 13.3% Mn 、 0.001% Fe 、 0.001% Mn 、0.001% Mn、0.001%P、18.8% Cr、8.84% Fe、13.3% Fe、13.3%Fe、13.3% Mn。Mo，0.085 V，2.78% Nb，0.259% W，0.259 Co，0.814% Ti，0.194%Al，0.078%Zr。使用圆柱形镀锌黄铜丝（直径70μm）作为工具电极。广告由于介电流体的高闪点和高介电强度，将其用作介电油2.2. 实验采用Mikrotools DT110集成多工艺微加工机床，在位置精度为0.1lm的RC脉冲发生器上进行了微WEDM实验。的选择正工件极性，因为它会导致更多的材料与负极性电极相比，振动辅助微细电火花线切割加工装置的示意图如图1所示。实验装置的照片如图2所示。随机床提供的振动装置根据电磁致动原理工作，能够产生0-100 Hz的低频振动。功率晶体管开关向电磁体提供周期性电源Fig. 1.振动辅助微细电火花线切割原理图。224D.R. Unune，H.S.马里/工程科学与技术，国际期刊20（2017）222tmin图二.振动辅助微细电火花线切割加工实验装置。使用频率控制脉冲发生器来维持功率晶体管的流过电路的电流的工件夹具安装在振动装置上，振动装置装夹在电火花加工主槽内。使用Box-Behnken设计来计划实验，总共29次运行，对应于侧点的24次运行，以及重复中心位置的5次运行。间隙电压（A）、电容（B）、进给速率（C）和振动频率（D）被指定为控制因素，而MRR和切口宽度被选择为性能测量。表1中所示的控制因子及其范围是根据文献、试验实验和机床约束条件确定的。表2中给出了实验计划，该计划显示了一组控制因素和进行测试后获得的性能测量结果。2.3. 测量使用AxioCam软件和数字显微镜（Zeiss AxioCam AX10）测量切口宽度在沿着微通道长度的五个位置处测量的切口宽度（如图3所示），然后考虑这些测量的平均值用于结果分析。FESEM（NovaNanoSEM 450）用于捕获所选加工表面的显微图像。将加工前后工件试样的重量差除以加工时间计算MRR。具有±0.1 mg可读性和重复性的Citizon CY104分析天平（制造商：GMI Inc，USA）用于表1工艺参数及其水平。测量体重。使用以下公式计算MRR：MRR ¼rMwp. mg/kg其中，rMwp是I-ED研磨之前和之后的重量差。3. 结果和讨论3.1. 业绩计量通过建立多元回归模型，建立了控制因素与绩效指标之间的数学关系.使用方差分析（ANOVA）检验所开发模型的统计学显著性。通过后向淘汰法对模型进行了改进。MRR和切口宽度的ANOVA结果分别总结于表3和表4中。图4显示了残差的正态概率图，表明残差落在一条直线上，表明误差呈正态分布[2]。还可以看出，实际响应值与模型预测值非常一致（图1）。 5）。MRR和锯口宽度的模型F值分别为23.80和95.69，其Prob >F值小于0.0001，表明模型具有显著性。只有0.01%的机会，这样一个大的模型F值可能会出现由于噪音。的值Prob >F小于0.05表示模型项的显著性[2，12]。对于MRR，显著模型为A、B、C、D、AC、CD，并且A2分别 为 贡 献 2.70% 、 26.38% 、 24.45% 、 10.88% 、 3.60% 、 3.55% 和22.33%的项而A、B、B2和D2是影响锯缝宽度的显著模型项，分别贡献7.78%、87.47%、8.19%和0.67%，分别的失拟值点出它的控制因素符号单位-1 0 1与纯误差相关的显著性或非显著性。当失拟值不显著时，表明模型拟合间隙电压一V80105130与实验数据吻合的失拟值为电容BLF0.010.10.4发现MRR和切口宽度分别为0.078和0.1638，进料速率C振动频率Dmm/minHz0.100.25400.480表明MRR和切口宽度的开发模型足够和令人满意。D.R. Unune， H.S. 马里/工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）222225表2Box-Behnken实验设计矩阵和性能测量的实验结果。控制因素（实际值）电压（V）Capacitance（L）进给速度（mm/min）振动频率（Hz）MRR（mg/min）切口宽度（lm）11050.10.25400.001841912421050.10.25400.0016141223800.10.2500.00342191114800.10.1400.003981610951050.10.25400.001718412261050.10.4800.005794912171300.10.4400.003814112881050.010.4400.00441659791300.40.25400.0019602153101300.010.25400.00141959811800.10.25800.0057769113121050.010.25800.003068698131300.10.1400.00096802135141050.10.100.0011712123151050.010.1400.000973089816800.010.25400.004380895171050.10.25400.001496118181050.40.1400.0030452147191300.10.2500.0012259128201050.10.25400.00121256120211050.10.1800.0018346129221300.10.25800.001945113423800.40.25400.0060939145241050.40.2500.0036114155251050.010.2500.001640710126800.10.4400.0060397109271050.40.4400.0061797151281050.40.25800.0060655153291050.10.400.0036652129因此，开发的模型可用于在设计空间内导航。性能测量MRR和切口宽度的回归模型（2）和（3）分别：MRR¼-0： 22818量程5： 15586× 10-4量程A量程6： 4794× 10-3量程B-0：032039 C-1：42332× 10-5D2： 32532× 10-4AD1：44429× 10-4CD- 2： 6488B2 0： 021177 C22切缝宽度：1/2 58：55654mm 0： 31572 Amm 310： 69223 B粤19： 95333 C-粤-4： 47727× 10-3粤-0： 58333 CD-426： 95416 B2针1： 91534× 10-3针D2针3针3.2. MRR分析图三. 用光学显微镜测量切口宽度。模型拟合的充分性可用决定系数（R2）来描述.MRR和切口宽度的R2值分别为0.9049和0.9696，表明所开发的模型足以代表该过程。其他 R2 统 计 量 ， PredR2 值 （ 0.7243MRR ， 0.9423 截 口 ） 与 AdjR2（0.8669MRR，0.9595截口）一致。变异系数（C.V.）值（23.39MRR，3.03kerf）指示所执行实验的更高准确性和一致性[28]。Adeq精度值（表示信噪比）为18.046MRR和35.102截口，大于预期值4，因此为模型指定了足够的信号图6显示了控制因素对Inconel 718微线切割中MRR的影响的扰动图。间隙电压（A）、电容（B）、进给速率（C）和振动频率（D）的陡峭斜率指示MRR对这些因素高度敏感。从表3中可以明显看出，对MRR有显著贡献的相互作用是电压和进料速率据观察，MRR随着电容、进料速率和振动频率值的增加而线性增加。然而，MRR最初随着间隙电压的增加而增加，直到105V的最佳值，然后随着间隙电压的进一步增加而减小（参见图1A和1B）。6和7（a））。RC脉冲电路中产生的放电能量（DE）是电容与电压的乘积（DE = 0.5×电容×电压2）。当电压值达到击穿电压值时，226D.R. Unune，H.S.马里/工程科学与技术，国际期刊20（2017）222表3MRR的ANOVA表源平方和df均方F值p-值概率>F型号8.452E-005 8 1.056E-005 23.80 0.0001显著交流电压2.286E-006 1 2.286E-006 5.15 0.0345B-电容2.227E-005 1 2.227E-005 50.17 0.0001C-进料速率2.064E-005 1 2.064E-005 46.48 0.0001D-振动频率9.187E-006 1 9.187E-006 20.69 0.0002AC 3.042E-006 1 3.042E-006 6.85 0.0165CD 3.004E-006 1 3.004E-006 6.77 0.0171电话：+86-21 - 8888888传真：+86-21 - 88888888C^2 1.561E-006 1 1.561E-006 3.52 0.0754残留量8.880E-006 20 4.440E-007失拟8.412E-006 16 5.258E-007 4.50 0.0780不显著纯误差4.675E-007 4 1.169E-007共计STD. Dev.6.663E-004 R平方0.9049平均值：2.849 E-003调整R平方0.8669CV %23.39预测值R平方0.7243压力2.575E-005 Adeq精密度18.046表4切口宽度的ANOVA表。源平方和DF均方F值p值概率>F模型9296.9171328.1395.69<0.0001显著A-电压747.591747.5953.86<0.0001B电容8395.2318395.23604.85<0.0001C进料速率3.0813.080.220.6422D-振动频率0.1610.160.0120.9146CD49.00149.003.530.0742B^2786.101786.1056.64<0.0001D^264.82164.824.670.0424残余291.482113.88失拟268.941715.822.810.1638不显著纯误差22.5445.63Cor总计9588.3828STD. Dev.3.73r平方0.9696均值：122.94调整R平方0.9595CV %3.03预测R平方0.9423新闻553.66Adeq精密度35.102见图4。 残差的正态概率图D.R. Unune， H.S. 马里/工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）222227图五. 预测响应与实际响应图。见图6。 MRR的分布图电容器被释放。电容调节沉积的能量的量，因此，随着电容的增加，DE的量、脉冲电流和脉冲间隔也增加，从而提高MRR[30]。因此，MRR在高电容值[2，12]还报告了关于MRR随DE增加而增加的类似观察结果。 MRR随振动频率的增加而增加（图1）。 6）考虑粘附效应可以解释这些值。在微细电火花加工中，电极与工件之间的附着力对加工性能起着重要的作用由于粘附而频繁发生短路，当短路发生时，机器将电极拉回与进给方向相反的方向以保持火花间隙[34]。由于振动频率，工件振动，电极和工件之间的粘附力有效地恢复。此外，工件的振动运动导致碎片和熔融金属的有效排出由于加工区中的电介质的湍流，3.3. 切口分析图8示出了切口宽度的扰动图。观察到的切口宽度是更敏感的电容，其次是间隙电压相比，进给速度和振动频率。对于进给速率和振动频率，电容和间隙电压线比平坦线陡峭。切口宽度随着间隙电压和电容值的增加而增加。类似的观察也被报道[11，12，34]。为了实现较低的切口宽度，低放电能量值（即，低间隙电压和低电容）是合适的。当放电能量较高时，由于负电极丝释放的量子电子与中性粒子碰撞，228D.R. Unune，H.S.马里/工程科学与技术，国际期刊20（2017）222见图7。MRR的响应图见图8。 切口宽度的扰动图。D.R. Unune， H.S. 马里/工程 科学 和技术， 国际 杂志 20 （2017）222229联系我们表5有无低频振动辅助的微细电火花线切割加工比较Sr.业绩计量号电压电容进料速率MRR（mg/min）切口宽度（lm）（五）（lF）(mm/分钟）无振动振动（80 Hz）%改进无带振动%振动（80 Hz）改善11050.010.250.00164070.003068687.02101 98-2.972800.10.250.00342190.005776968.82111 113 1.8031050.10.40.00366520.005794958.10129 121-6.2041050.10.10.00117120.001834656.64123 129 4.8851300.10.250.00122590.001945158.66128 134 4.6961050.40.250.00361140.006065567.95155 153-1.29介电流体，这导致更大的电离效应。当大量的电极和离子与工件[11，34]撞击时，切口宽度将增加。低放电能量加工可以提高微加工零件的尺寸精度，减小加工圆角半径。3.4. 有无振动辅助微细电火花线切割加工为了比较低频振动辅助和非低频振动辅助下微细电火花线切割加工的性能，在相同的间隙电压、电容和进给速度设置下，在有振动和无振动条件下，选择并在表5中单独列出。比较实验编号3、6、11、12、14、19、21、22、24、25、28、29中的性能测量值，并使用以下等式计算性能测量的百分比改进：观察到MRR的最大百分比改善为改善了微细电火花线切割加工的加工条件，提高了微细电火花线切割加工的加工效率。已经观察到，振动不会显著影响切口宽度。 注意到切口宽度的最大百分比增加为4.88%。观察到切口宽度的平均百分比改善为0.15%。3.5. 微通道表面形貌的微观研究在Inconel 718中通过微型WEDM制造的微通道的表面形貌图像示于图9中。影响不同的能量设置，即。320lJ和2205lJ通道表面示于图 9（a）和（b）。据观察，在在微细电火花线切割加工中，加工表面形貌取决于加工时施加的在低放电能量设置下，观察到加工表面非常光滑。然而，在高放电能量设置下，在加工表面上观察到球形碎屑/小球和较大的再凝固层球形碎片/小球的形成发生快速冷却，有振动性能指标值的改善百分比-无振动时性能指标值100无振动时的性能测量值ð4Þ在低放电能量设置下为87.02%。已经注意到，MRR的平均百分比改进为66.20%，指出低频振动辅助增强了加工蒸发的金属或飞溅的熔融金属的淬火。在低放电能量下，观察到微通道的形状比高放电见图9。 不同能量设置下微通道的扫描电子显微镜图像。230D.R. Unune，H.S.马里/工程科学与技术，国际期刊20（2017）222见图10。 在Inconel 718中使用微线切割加工微通道。能源 图图10示出了使用微WEDM工艺在Inconel 718中形成的微通道。4. 结论在这项工作中，进行了尝试，进行微细电火花线切割与低频工件振动辅助。采用Box-Behnken试验设计，以间隙电压、电容、进给速度和振动频率为控制因素，以MRR和切口宽度为性能指标。通过实验和统计分析，得出以下结论为Inconel 718的低频振动辅助微细电火花线切割开发的经验模型如下：MRR¼-0： 22818量程5： 15586× 10-4量程A量程6： 4794× 10-3量程B-0：032039 C-1：42332× 10-5D2： 32532× 10-4AD1：44429× 10-4CD- 2： 6488 B2 0： 021177 C2切缝宽度：1/2 58：55654mm 0： 31572 Amm 310： 69223Bmm 19： 95333 C--4：47727× 10-3D- 0： 58333CD-426： 95416 B2个1： 91534× 10-3个D2个电容是影响MRR和切缝宽度的主要因素，其贡献率分别为26.38%和87.47%。MRR和切口宽度都随着电容的增加而增加。方差分析表明，间隙电压（A）、电容（B）、进给速度（C）、振动频率（D）、间隙电压与进给速度的交互作用（AC）、进给速度与振动频率的交互作用（CD）以及间隙电压与进给速度的纯二次效应对Inconel 718微细电火花线切割加工的MRR有显著影响。切缝受间隙电压、电容以及电容和振动频率的二次效应的显著影响。发现振动频率在MRR中的贡献为10.88%。此外，进料速率和振动频率之间的交互作用也对MRR贡献了22.33%。通过对有无振动条件下微细电火花线切割加工性能的比较，发现低频振动辅助使微细电火花线切割加工的加工效率提高了66.20%与没有振动辅助的微细电火花线切割相比总的来说，低频振动辅助改善了微细电火花线切割的性能，这是由于改善了冲洗条件并减少了电极-工件粘附。低频振动对提高线切割加工性能是有效的，但在加工精度方面还需进一步改进制造的微特征的形式和形状，振动频率对加工表面的表面形貌的影响。引用[1] D. Zhu，X. 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