基于正交試驗(yàn)的鈦合金葉輪切削參數(shù)優(yōu)化

朱海兵 王傳洋

（1．江蘇省相城中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 蘇州215131；2．蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州215000）

0 引言

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦合金具有強(qiáng)度高而密度小、機(jī)械性能好、韌性和抗蝕性能均很好的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)鈦合金也具有切削變形系數(shù)小、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、單位面積切削力大等不利于加工的缺點(diǎn)。由于材料在切削過(guò)程中影響因素較復(fù)雜，而且因素間又相互影響。因此，采用單因素法不能實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的優(yōu)化。基于以上問(wèn)題，本文應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)的理論與方法，利用SPSS軟件來(lái)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以加工表面粗糙度Ra值、后刀面磨損量VB和切削工時(shí)t為研究目標(biāo)，為科學(xué)選擇相應(yīng)切削參數(shù)提供最優(yōu)方案。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由于不同的切削速度v、刀尖圓弧r、進(jìn)給量f和背吃刀量ap對(duì)切削質(zhì)量均有影響，因此，要想全面考察各種要素來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)的話，試驗(yàn)規(guī)模會(huì)很大且難以實(shí)施。所以，本文采用四因素三水平的正交試驗(yàn)方法，分析各因素的效應(yīng)，尋求最優(yōu)水平組合。具體正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 主效應(yīng)分析

在多因素試驗(yàn)研究中，主效應(yīng)就是在考察一個(gè)自變量是否會(huì)對(duì)因變量的變化發(fā)生影響的時(shí)候，不考慮其他研究變量的變化，或者說(shuō)將其他變量的變化效應(yīng)平均掉。換句話說(shuō)，就是其他研究變量都不變化的情況下，單獨(dú)考察一個(gè)自變量對(duì)因變量的變化效應(yīng)。即一個(gè)因素的水平之間的平均數(shù)差異，稱為該因素的主效應(yīng)。它表示了各因素在相應(yīng)水平上對(duì)綜合評(píng)價(jià)值的影響程度。本試驗(yàn)的主效應(yīng)分析結(jié)果如表1所示。

表1 主效應(yīng)分析結(jié)果

根據(jù)極差大小列出各指標(biāo)下的因素主次順序，如表2所示。

表2 單指標(biāo)主次及優(yōu)化表

由表1、表2可知，對(duì)表面粗糙度的影響從主到次依次為刀尖圓弧、進(jìn)給量、背吃刀量及切削速度，優(yōu)化水平組合為：1．5 mm、60 m／min、0．1 mm／r、0．5 mm。對(duì)后刀面磨損的影響從主到次依次為進(jìn)給量、背吃刀量、刀尖圓弧及切削速度，優(yōu)化水平組合為：0．5 mm、50 m／min、0．1 mm／r、0．2 mm。對(duì)切削工時(shí)的影響從主到次依次為刀尖圓弧、背吃刀量、切削速度及進(jìn)給 量，優(yōu) 化 水 平 組 合 為：1．0 mm、50 m／min、0．2 mm／r、0．8 mm。由極差R值可知，對(duì)鈦合金切削過(guò)程的影響從主到次分別為：刀尖圓弧r、切削速度v、進(jìn)給量f和背吃刀量ap。

2．2 兩兩因數(shù)交互作用分析

由于切削過(guò)程中待考核的切削參數(shù)的四因素各有三水平值，因此兩兩因素三水平之間有許多種搭配。以刀尖圓弧r和進(jìn)給量f之間的交互作用為例，由最大隸屬度原則來(lái)考慮，（1．0，0．2）和（1．5，0．1）的組合為最佳。同樣可以計(jì)算出其他因素兩兩之間的最佳組合和隸屬度。從計(jì)算值中可知，刀尖圓弧r和背吃刀量ap的交互效應(yīng)最大，其次是刀尖圓弧r與進(jìn)給量f，背吃刀量ap和切削速度v的影響較小。

2．3 綜合平衡確定最優(yōu)工藝條件

以上三指標(biāo)單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件不一致，必須根據(jù)因素的影響主次，綜合考慮，確定最佳工藝條件。

如表3中數(shù)據(jù)所示，對(duì)于因素A（刀尖圓弧），其對(duì)表面粗糙度影響大小排第一位，此時(shí)取A3（1．5 mm）；其對(duì)切削工時(shí)影響也排第一位，取A2（1．0 mm）；而其對(duì)后刀面磨損影響排第三位，為次要因素。因此，A可取A2或A3，但取A2時(shí)，切削工時(shí)比取A3減小了14．8%，而表面粗糙度增加了12%，且由后刀面磨損指標(biāo)來(lái)看，取A2比A3時(shí)的后刀面磨損值低，故A因素取A2。同理可分析B取B2，C取C1，D取D3。優(yōu)化組合為A2B2C1D3，即1．0 mm、50 m／min、0．1 mm／r、0．8 mm。

表 3 A(刀尖圓弧)因素影響表

3 結(jié)論

由SPSS軟件提供的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：（1）4個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)鈦合金切削過(guò)程的影響從主到次分別為：刀尖圓弧、切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量。（2）綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)化的水平因素組合為：刀尖圓角半徑1．0 mm、切削速度50 m／min、進(jìn)給量0．1 mm／r和背吃刀量0．8 mm。（3）通過(guò)SPSS軟件對(duì)多因素、多水平、多目標(biāo)的鈦合金切削用量?jī)?yōu)化進(jìn)行研究時(shí)，用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面試驗(yàn)的情況，能將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，有利于抓住影響切削質(zhì)量的主要因素。同時(shí)，減少了試驗(yàn)的工作量，能較為準(zhǔn)確和迅速地得到優(yōu)化的工藝條件，所以應(yīng)用前景十分廣闊。

［1］杜金萍，王桂梅，高術(shù)振．XX－2不銹鋼切削參數(shù)模糊正交優(yōu)化［J］．河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（2）

［2］杜金萍．模糊正交法在GCr15鋼切削用量?jī)?yōu)化中的應(yīng)用［J］．軸承，2007（3）