基于正交試驗(yàn)的切削參數(shù)優(yōu)化研究

金建國(guó)，王 冬

JIN Jian-guo1，WANG Dong2

（1.天津理工大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，天津 300000；2.天津大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，天津 300000）

0 引言

伴隨著數(shù)控加工技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控加工工藝也正變的越來越復(fù)雜，工藝參數(shù)也越來越多。同時(shí)數(shù)控機(jī)床性能也更加強(qiáng)大。在生產(chǎn)中憑經(jīng)驗(yàn)或參考切削用量手冊(cè)來選擇切削用量，加工參數(shù)值往往出于安全性考慮過于保守，既不能充分發(fā)揮現(xiàn)代高性能機(jī)床的優(yōu)勢(shì)，也達(dá)不到切削用量的最優(yōu)選擇。另一方面，針對(duì)某些加工變量，比如切削方式、冷卻方式，傳統(tǒng)方式根本無法預(yù)測(cè)其對(duì)具體加工過程的影響規(guī)律，無法保證加工生產(chǎn)效率、精度。

提高加工工件質(zhì)量、提高機(jī)床使用效率、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率是企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。而切削參數(shù)優(yōu)化是保證以上要求的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外利用各種現(xiàn)代優(yōu)化算法，例如，蟻群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法[1]等，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。還有學(xué)者運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建智能優(yōu)化切削用量動(dòng)態(tài)加工仿真系統(tǒng)[2,3]，在計(jì)算機(jī)上模擬優(yōu)化切削用量切削加工，也達(dá)到了優(yōu)化切削參數(shù)的目的。

但各種智能優(yōu)化算法計(jì)算量大、理論深度較高，不便于在實(shí)際加工中進(jìn)行推廣。本文基于正交試驗(yàn)進(jìn)行切削參數(shù)優(yōu)化研究，計(jì)算量小，同時(shí)在一定程度上能夠滿足優(yōu)化的精度要求，易在實(shí)際加工中進(jìn)行廣泛推廣，真正保證理論與實(shí)際的相結(jié)合，提高企業(yè)的加工生產(chǎn)效率。

1 列因素水平表

1.1 選因素

綜合考慮國(guó)內(nèi)外切削參數(shù)優(yōu)化相關(guān)研究以及本課題研究所需，本文選擇進(jìn)給速度、切削模式、冷卻方式三個(gè)影響因素，考察其對(duì)鋼件加工表面質(zhì)量[4]的影響。原因有以下四個(gè)方面：1）考察所有研究切削三要素對(duì)加工工件表面粗糙度的文獻(xiàn)，可以得出結(jié)論：切削深度越大，表面質(zhì)量越差；切削速度越大，表面質(zhì)量越好。2）本文不再考慮以上兩個(gè)因素的影響，只針對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行考察。進(jìn)給速度越小，鋼材質(zhì)在切削加工時(shí)容易產(chǎn)生“黏刀”現(xiàn)象，表面質(zhì)量越差；進(jìn)給速度過大，對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性要求便較高，也不利于表面質(zhì)量的提高。故不同特性的機(jī)床，進(jìn)給速度的最佳值亦有所區(qū)別。3）SOLIDCAM中平面加工最常用的三種模式（如圖1所示）：?jiǎn)我宦窂健⑵拭婧屯庑?，?jīng)過實(shí)際加工發(fā)現(xiàn)，其對(duì)表面質(zhì)量的影響較大且研究甚少，本文予以研究。4）對(duì)于不同的刀具、毛坯材料，氣冷與水冷對(duì)加工表面質(zhì)量的影響是不同的，本文予以研究。

1.2 定水平

因素的水平需考慮機(jī)床實(shí)際情況而定，本文對(duì)每個(gè)因素選取三個(gè)水平進(jìn)行研究。其中，冷卻方式選為水冷時(shí)分為霧狀式與流狀式。具體水平值如表1所示。

圖1 SOLIDCAM平面加工三種常用方式

表1 因素水平表

2 選擇正交表

正交表格是數(shù)學(xué)家預(yù)先編制好的一系列表格，它是進(jìn)行正交試驗(yàn)的基本工具。正交表格的常用記號(hào)格式為L(zhǎng)N(qs)，其中：L為正交表的代號(hào)，N為正交表的行數(shù)（即：需要做的試驗(yàn)次數(shù)），S為正交表的列數(shù)（最多能安排的因素個(gè)數(shù)，包含誤差），q為因素的水平數(shù)。常用的正交表有二水平正交表L8(27)、L12(211)、L16(215)，三水平正交表L9(34)、L18(37)、L27(313)，四水平正交表

L16(45)、L32(49)、L64(421)。

選正交表的原則是正交表的總自由度要大于等于要考察的因素的自由度，因素的自由度記為

fA、fB、fC。

故本文中的正交試驗(yàn)應(yīng)至少安排2×3+1=7次試驗(yàn)，即N≥7。在正交試驗(yàn)中為保證試驗(yàn)的精確度，在安排正交表列數(shù)的時(shí)候應(yīng)至少單獨(dú)留有1列空列，作為實(shí)驗(yàn)誤差以衡量試驗(yàn)的可靠性，即S≥4，根據(jù)以上論述，正交表選擇為L(zhǎng)9(34)最為合適。

3 試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案編制

表頭設(shè)計(jì)，顧名思義，就是把試驗(yàn)因素安排到正交表的各列中去的過程。表頭設(shè)計(jì)對(duì)于不考察交互作用的正交試驗(yàn)較為簡(jiǎn)單，各因素可隨機(jī)安排在各列中。

對(duì)于試驗(yàn)方案，當(dāng)正交表確定以后，方案便隨之確定?？紤]實(shí)際情況所需，本研究在進(jìn)行結(jié)果分析時(shí)，只進(jìn)行極差分析，沒有誤差分析，故D列僅為保留正交表的完整性，不再具有上文所提到的誤差列意義。正交表最終設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 正交表格

4 實(shí)際加工

本文研究特針對(duì)具有表面質(zhì)量要求較高的平面特征，文章針對(duì)減速器上下箱體結(jié)合表面進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 減速器結(jié)合平面加工

基于表1與表2，根據(jù)表3進(jìn)行試驗(yàn)并測(cè)量表面粗糙度。

表3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

極差分析計(jì)算工作量小，通俗易懂，使用非常廣泛，能夠非常方便的確定出試驗(yàn)因素的優(yōu)水平和最優(yōu)水平組合、確定出因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次因素[5]。

圖3 極差分析流程圖

因素A、B、C、D第j（j=1,2,3）水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和分別記為KAj、KBj、KCj、KDj，試驗(yàn)指標(biāo)的平均值分別記為故可得：

因素A、B、C的極差分別記為RA、RB、RC。

故可得：

綜上，可得如表4所示結(jié)果。

表4 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)本次試驗(yàn)所用機(jī)床的特性、試驗(yàn)刀具等相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件，三個(gè)因素的優(yōu)水平組合A1 B2 C1為本試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即加工鋼材質(zhì)表面時(shí)粗糙度最小時(shí)的最優(yōu)工藝條件為：進(jìn)給速度選為1500，切削模式為剖面式，冷卻方式選為氣冷。

6 驗(yàn)證試驗(yàn)

基于正交試驗(yàn)的切削參數(shù)優(yōu)化理論要求必須對(duì)優(yōu)化后的組合參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，以保證優(yōu)化后的組合參數(shù)能夠保證加工精度要求。本文優(yōu)化后的組合參數(shù)為：進(jìn)給速度：1500；切削模式：剖面式；冷卻方式：氣冷。

在CAM軟件中設(shè)置“切削模式”為“剖面式”，“進(jìn)給速度”設(shè)置為“1500”，“冷卻方式”設(shè)置為“氣冷”M07。其他設(shè)置保持不變，針對(duì)結(jié)合面再次生成程序，重新加工。最后，測(cè)得表面粗糙度的平均值為0.525，滿足優(yōu)化后所需表面質(zhì)量[6]。

7 結(jié)論

文章對(duì)三個(gè)因素：進(jìn)給速度、切削模式和冷卻方式進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明切削速度取較小值時(shí)，表面質(zhì)量較好，速度較大時(shí)，表面質(zhì)量較差。由此我們可以推斷出機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性較差，機(jī)床在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的震動(dòng)，柔性不好，造成工件與刀具之間的相對(duì)抖顫，影響了表面質(zhì)量。且針對(duì)鋼材質(zhì)，其不同于鋁材質(zhì)，在速度較低時(shí)“黏刀”現(xiàn)象不明顯。

冷卻方式選為氣冷時(shí)具有較好的表面質(zhì)量，考慮本文研究所用刀具材質(zhì)以及工件材質(zhì)，在切削時(shí)，刀具與工件的接觸區(qū)產(chǎn)生極高的溫度，利用液體冷卻會(huì)對(duì)刀具形成冷熱沖擊，影響刀具切削性質(zhì)，會(huì)造成表面質(zhì)量的下降[7]。

本文的優(yōu)化目標(biāo)為表面粗糙度，其優(yōu)化理論過程可以進(jìn)行推廣。在某種場(chǎng)合，我們或許更加注重生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低。此時(shí)，我們可以針對(duì)不同場(chǎng)合研究不同的優(yōu)化目標(biāo)。切削參數(shù)亦可針對(duì)我們感興趣的變量進(jìn)行優(yōu)化研究，考察其對(duì)目標(biāo)值的影響規(guī)律。

故本研究不僅為進(jìn)給速度、切削模式、冷卻方式對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律提供了很好的參考，其研究思路更能為相關(guān)的研究工作提供借鑒。

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