基于正交實(shí)驗(yàn)的氧化鋯陶瓷套圈內(nèi)圓磨削研究

吳玉厚，王 強(qiáng)，王 賀，須 穎，張 珂

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

0 引言

氧化鋯陶瓷是一類(lèi)抗金屬腐蝕和化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異的先進(jìn)的工程陶瓷材料。該材料具有高抗壓強(qiáng)度，高硬度、耐磨損等性質(zhì)，相比于軸承鋼具有較低的密度，較低的熱導(dǎo)率以及耐腐蝕、抗氧化和良好的耐熱等性能，特別是氧化鋯增韌材料，具有優(yōu)異的韌性，可作為熱機(jī)、陶瓷套圈等耐磨機(jī)械部件，并且能夠在某些場(chǎng)合替代傳統(tǒng)的金屬材料[1]。

氧化鋯陶瓷材料的高硬度和高耐磨性，給其自身的加工帶來(lái)了一定的困難，磨削是加工氧化鋯的主要方法之一，且加工過(guò)程需要較高的砂輪線速度。國(guó)內(nèi)外對(duì)氧化鋯等陶瓷材料的磨削機(jī)理已進(jìn)行了較多的研究，但是關(guān)于磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的研究，還有待進(jìn)一步的深入。本論文通過(guò)設(shè)計(jì)磨削參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了磨削工藝參數(shù)包括砂輪粒度，砂輪線速度vs、軸向振蕩速fa、徑向進(jìn)給速度f(wàn)r等對(duì)磨削表面粗糙度Ra的影響，為合理選擇磨削工藝參數(shù)提供了借鑒和幫助。

1 實(shí)驗(yàn)條件和方法

實(shí)驗(yàn)采用無(wú)錫機(jī)床廠生產(chǎn)的MK2710型數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床，對(duì)氧化鋯增韌陶瓷軸承外圈內(nèi)圓進(jìn)行磨削。磨削工具采用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪濃度為100%，砂輪外徑50mm，厚度5mm，寬度7.56mm。實(shí)驗(yàn)套圈樣件為氧化鋯增韌陶瓷工件，尺寸為（68×58×15）mm。磨削液采用油水比例為1∶20水基磨削液，并于每次磨削實(shí)驗(yàn)完成后，測(cè)量氧化鋯陶瓷材料的磨削面粗糙度值Ra。采用精度達(dá)0.001μm Surtronic25型接觸式粗糙度儀，對(duì)磨削后的表面狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

本文采用正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，正交因素水平如表1所示。以金剛石砂輪的粒度（#），金剛石砂輪的線速度vs，軸向振蕩速度f(wàn)a，徑向進(jìn)給速度f(wàn)r四個(gè)加工參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)的主要因素，其中每個(gè)因素選取三個(gè)實(shí)驗(yàn)水平；以氧化鋯陶瓷材料的被磨表面粗糙度值Ra為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，利用四因素三水平L9（34）正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.1 Table of orthogonal experimental factors level

2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

正交實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 The orthogonal experimental program and results

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀分析

表3列出的是粗糙度值Ra的極差分析內(nèi)容。在極差分析表中， Ki（i=1，2，3）表示每一列中該因素對(duì)應(yīng)的不同水平號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和。R是極差，其意義為：

由表中結(jié)果可知，每一列極差值是不同的，意味著不同的因素水平變化對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響不同。某一因素的極差改變?cè)酱螅硎驹撘蛩厮降淖兓瘜?duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值波動(dòng)影響越大。于是，可得出極差值最大的那列，就是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最顯著的因素。通過(guò)比對(duì)不同極差值，可選出各個(gè)因素的優(yōu)化組合，稱為優(yōu)化方案。磨削氧化鋯套圈實(shí)驗(yàn)中，粗糙度值Ra越小越好，故選擇上要側(cè)重于指標(biāo)小的水平，即Ki中各列最小數(shù)值對(duì)應(yīng)的水平。

表3 粗糙度值Ra極差分析表Tab.3 Table of roughness Ra range analysis

2.2 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析

在磨削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，砂輪粒度R值較大，可認(rèn)為對(duì)磨削面的表面狀態(tài)影響作用顯著。砂輪線速度、軸向振蕩速和徑向進(jìn)給速度的R值較小，可認(rèn)為對(duì)磨削面的表面狀態(tài)影響作用不顯著。為了更加深刻的探究這些參數(shù)跟Ra的關(guān)系，具體分析各個(gè)因素對(duì)Ra值的影響大小，我們建立如式（1）的指數(shù)形式的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，kφ為砂輪顆粒大小。

一般選擇金剛石砂輪磨削陶瓷材料，砂輪中對(duì)陶瓷表面粗糙度影響最大的因素是金剛石磨粒的粒度。粒度號(hào)越大，其磨粒就越小，也就是說(shuō)磨粒平均尺寸越小，其磨削出來(lái)的表面粗糙度值就越低。我們可以用磨削顆粒的算術(shù)平均值來(lái)表征粒度號(hào)的變化。經(jīng)查，80/100#，270/325#，W40三種砂輪的金剛石磨粒平均大小為174μm， 58μm， 35μm。 設(shè) lgCRa=b0， p=b1， l=b2， m=b3，q=b4。經(jīng)過(guò)對(duì)式（1）的線性轉(zhuǎn)化和正交回歸計(jì)算得出Ra的回歸方程：

將表2中的實(shí)驗(yàn)因素帶入回歸方程式（2）中可得出如圖1所示的Ra回歸值與實(shí)驗(yàn)值的偏差圖。圖中橫坐標(biāo)代表的是實(shí)驗(yàn)序號(hào)，縱坐標(biāo)是回歸值與實(shí)驗(yàn)值之間的偏差，從圖中可看出最大偏差尚未超過(guò)0.023μm，擬合效果比較好。

利用F統(tǒng)計(jì)量對(duì)回歸方程式（2）進(jìn)行檢驗(yàn)：

式中： n—實(shí)驗(yàn)組數(shù)（n=9）；p—變量個(gè)數(shù)（p=4）。 取檢驗(yàn)水平0.1，查表知F0.1（4，4）=4.11。由表4可以看出，經(jīng)計(jì)算對(duì)于粗糙度所得的回歸公式，F(xiàn)=47.18＞4.11，可知所得的粗糙度回歸公式顯著，其很好地?cái)M合了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 回歸方程方差分析表Tab.4 Regression analysis of variance table

2.3 粗糙度預(yù)測(cè)模型回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)?shù)弥粋€(gè)多元回歸方程是顯著的情況下，還要考察每個(gè)自變量對(duì)因變量的影響究竟有多大。我們需要考察自變量因素中哪些是影響因變量的主要因素，以利于我們更好地對(duì)粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制，因此需要對(duì)每個(gè)自變量進(jìn)行回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。假設(shè)統(tǒng)計(jì)量b0=0，對(duì)其余統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)：

3 結(jié)論

基于正交實(shí)驗(yàn)，明確了不同磨削參數(shù)對(duì)加工氧化鋯陶瓷套圈內(nèi)表面粗糙度的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，得出氧化鋯陶瓷套圈內(nèi)表面粗糙度Ra的預(yù)測(cè)模型：

并對(duì)該預(yù)測(cè)方程和回歸系數(shù)分別進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)，得出結(jié)論：

（2）經(jīng)回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，金剛石砂輪的粒度號(hào)變化對(duì)加工表面粗糙度的影響顯著，而實(shí)驗(yàn)中砂輪線速度、軸向振蕩速和砂輪徑向進(jìn)給速度的變化對(duì)加工表面粗糙度的影響不顯著。

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