基于SPSS軟件的消失模表面質量數控切削工藝優化分析

左健民，周少龍，汪木蘭，陳建

(1.常州大學機械工程學院，江蘇常州213016;2.江蘇理工學院，江蘇常州213001;3.南京工程學院先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，江蘇南京211167)

SPSS 軟件(Statistical Product and Service Solutions，統計產品與服務解決方案)是一種集數據整理功能和分析功能于一身的數據處理軟件，它能以圖表的形式詳細地分析二次正交試驗中單個因素對試驗結果的影響比重，并能計算各因素的影響系數。采用數控切削技術對消失模進行直接加工的方法已經被廣泛應用于消失模模具生產領域［1］。消失模是用大量的高聚苯乙烯顆粒粘結而成的泡沫材料［2－5］，當采用數控機床對消失模模具進行切削加工時，沒有被完全切削的泡沫顆粒容易被刀具整體帶出而使切削表面形成顆粒凹陷。經試驗證實，消失模模具的表面總顆粒凹陷面積同切削面積的百分比f 是衡量消失模表面切削質量的一個重要指標。利用SPSS 軟件中的二次正交組合設計方法對切削質量參數f 進行研究，分析了主軸轉速、軸向進給量、徑向進給量和切削速度對f 的影響規律，并提出最優的切削參數組合，為預測消失模切削表面質量提供了合理選擇參數的方法。

1 實驗方案

1.1 實驗裝置

某型號的數字化無模精密成形機如圖1所示。

刀具選擇直徑為8 mm 的硬質合金雙刃立銑刀，實驗材料選擇密度為18 kg/m3的高聚苯乙烯消失模材料。

圖像處理設備主要技術指標包括:分辨率為780 ×520，帆數為50，像素尺寸為8.3 ×8.3。

圖1 數字化無模鑄造精密成形機

1.2 實驗條件設定

確定影響因素的變化范圍:主軸轉速1 500 ～3 000 r/min，軸向進給量1 ～3 mm，切削寬度2 ～4 mm，切削速度200 ～300 mm/mim。

確定影響因素的上、下水平、變化間距以及對因子進行編碼，然后根據相應的公式z0j=(z2j+z1j)/2，Δj=z1j+z0j計算出各因素的零水平和各因素變化間距，從而得到表1。

表1 實驗數據選取表

其中，Z2j為上水平，即各實驗因素取值最高的那個水平;Z1j為下水平，即各實驗因素取值最低的那個水平;Z0j為零水平，即上下水平的平均數;+γ為參數上限;－γ 為參數下限。

按照SPSS 軟件中二次回歸正交組合設計的方法，將表1 中的數據輸入SPSS 軟件中，并把實驗結果通過數據對應起來，如圖2所示。

圖2 SPSS 軟件數據處理系統

為了能夠量化各參數對切削表面質量的影響情況，引入信噪比實驗檢驗方法。信噪比實驗設計法是一種將不可控的因素對實驗按結果的影響程度變換成特性值，并尋求其最小分布的強健設計方法［6］。因為期望表面凹陷量小，因而用極小特性來計算特性值信噪比?，F將實驗數據代入信噪比實驗公式:

ηj=－lgy2

ηz(－1)=(η9+η10+…+η16)/8 =－26.18

ηz(0)=(η19+η20+…+η27)/9 =－25.78

ηz(1)=(η1+η2+…+η8)/8 =－26.28

其中:ηj為信噪比;y 為試驗結果。

根據信噪比公式計算得到結果見表2。

表2 各因數影響水平表

其中:z1為主軸轉速;z2為軸向進給量;z3為徑向進給量;z4為切削速度。

從表2 中可以看出，對切削表面質量影響最大的是徑向進給量，其影響比重占40%，其次是軸向進給量、切削速度及主軸轉速。從表2 所得到的數據來看最優的切削參數組合是:z1(0)、z2(－1)、z3(－1)和z4(－1)，即主軸轉速為2 250 r/min，軸向進給量為1.4 mm，進給寬度為3 mm，進給速度為218 mm/min。

為了更加直接地看出各影響因素對表面質量的影響程度，利用SPSS 軟件中的圖像處理功能分別對主軸轉速、軸向進給量和徑向進給量3 個因素進行分析。

從圖3 可以看出:如果主軸轉速過高，高速旋轉的主軸在主軸附近產生旋轉氣流，泡沫顆粒容易吸附在主軸刀刃表面，從而影響到切削表面的質量。另外，過高的主軸轉速還會增加機床的不穩定性，容易產生振動，從而影響到消失模的表面切削質量。當轉速在1 800 r/min 時，在多種參數共同作用下過低的主軸轉速不利切削泡沫顆粒，會在工件表面形成顆粒凹陷，從而影響到工件表面的切削質量。從圖3 還可以看出:當主軸轉速在1 600 r/min 時雖然能夠獲得較高的表面切削質量，但是需要較小軸向進給量和切削寬度作為配合，這樣會降低綜合加工效率。總之，在多因素共同作用下，主軸轉速為2 200 r/min 時，消失模的表面切削質量最優。

當泡沫顆粒的粒徑為1 ～2 mm，軸向進給量越小，切削消失模顆粒的阻力就越小，泡沫顆粒就越不容易被刀具整體帶出。從圖4 可以看出:軸向進給量越小，則切削的表面質量越好，但是消耗的工時也就越長。實驗證明，當軸向進給量大于2.5 mm 時，消失模表面會產生大量未經切削泡沫顆粒，切削表面也會產生大量顆粒凹陷。

徑向進給量是影響消失模數控加工工時的一個重要因素。當切削徑向進給量小于消失模的粒徑時，盡管能得到較高的切削質量，但在實際生產過程中需要大量工時。當切削徑向進給量大于粒徑時，不僅能夠大量縮短加工工時，而且加工表面質量能夠滿足消失模鑄造的要求。從圖5 可以看出:在各切削參數共同作用下，消失模切削表面質量參數f 是隨著徑向進給量的增加而增大。

利用SPSS 軟件自動生成各參數的系數，從而得到參數多項式來驗證SPSS 軟件在此次數據處理中的可靠性。

表3 為SPSS 軟件自動生成的各參數的系數表，由系數表中各因數的參數可得到式(1):

現將因數和切削參數的關系式代入式(1)，從而得到切削表面質量與各參數的多項式:

現將實驗數據代入式(2)，驗證此次SPSS 軟件數據處理的可靠性。經過比較表明，計算結果同實驗結果誤差在1%范圍之內，因此此次實驗得到的數據分析是可靠的。

表3 切削因數參數表

2 結論

利用SPSS 軟件的正交回歸試驗設計功能，對消失模數控銑削表面工藝進行分析和研究，可以得到如下結論:

(1)對加工表面質量影響最顯著的是徑向進給量，其影響比重在40% 左右，其次是軸向進給量、切削速度和徑向進給量;

(2)軸向進給量和徑向進給量對切削表面加工質量的影響趨勢相同，呈現上升趨勢。同時，在實際加工過程中，應該綜合考慮工時和工件對表面質量的雙重影響，既要盡量縮短工時，又要滿足工件表面的加工質量要求。

(3)在多因素的共同影響下，主軸轉速對消失模表面切削質量的影響并不是呈遞增或遞減趨勢，較低的主軸轉速盡管能得到較高的消失模表面加工質量，但其同時需要較低的軸向進給量和徑向進給量相互配合，這樣會增加加工工時。較高的主軸轉速會導致機床本身不穩定，而且形成高速漩渦流使泡沫碎屑吸附在刀刃表面，從而影響到消失模加工表面質量。

【1】呂竹清，王華昌，李志剛.基于UG 的消失模泡沫模樣數控刀路優化算法研究［J］.鍛壓技術，2010(6):137－141.

【2】黃天佑，黃乃瑜，呂志剛.消失模鑄造技術［M］.北京:機械工業出版社，2004:17－76.

【3】利于三，章舟.消失模白模發泡成型設備及模具［J］.鑄造設備研究，2007(6):60－63.

【4】趙忠，樊自田，成平，等.Al-Si7-Mg 消失模振動凝固組織半固態熱處理［J］.金屬熱處理，2010(1):57－62.

【5】吳淑寶，方亮，董志根，等.可用于消失模模樣制造的EPS 快速成型系統［J］.機電產品開發和創新，2011(3):173－145.

【6】楊德.實驗設計與分析［M］.北京:中國農業出版社，2002:60－85.

【7】王頡.實驗設計與SPSS 應用［M］.北京:化學工業出版社，2007:165－200.

【8】DONG H Y，HUANG P J，BI Y B.Study on the Orthogonal Cutting Process of Al7050t7451 with Uncoated and Coated Tools［J］.Key Engineering Materials，2009，392/393/394:990－995.