基于正交試驗的切削參數優化研究

金建國，王 冬

JIN Jian-guo1，WANG Dong2

（1.天津理工大學 海運學院，天津 300000；2.天津大學 機械學院，天津 300000）

0 引言

伴隨著數控加工技術的高速發展，數控加工工藝也正變的越來越復雜，工藝參數也越來越多。同時數控機床性能也更加強大。在生產中憑經驗或參考切削用量手冊來選擇切削用量，加工參數值往往出于安全性考慮過于保守，既不能充分發揮現代高性能機床的優勢，也達不到切削用量的最優選擇。另一方面，針對某些加工變量，比如切削方式、冷卻方式，傳統方式根本無法預測其對具體加工過程的影響規律，無法保證加工生產效率、精度。

提高加工工件質量、提高機床使用效率、降低生產成本、提高生產效率是企業提高競爭力的重要途徑。而切削參數優化是保證以上要求的關鍵技術。目前，國內外利用各種現代優化算法，例如，蟻群算法、人工神經網絡、粒子群算法[1]等，對切削參數進行優化。還有學者運用計算機仿真技術構建智能優化切削用量動態加工仿真系統[2,3]，在計算機上模擬優化切削用量切削加工，也達到了優化切削參數的目的。

但各種智能優化算法計算量大、理論深度較高，不便于在實際加工中進行推廣。本文基于正交試驗進行切削參數優化研究，計算量小，同時在一定程度上能夠滿足優化的精度要求，易在實際加工中進行廣泛推廣，真正保證理論與實際的相結合，提高企業的加工生產效率。

1 列因素水平表

1.1 選因素

綜合考慮國內外切削參數優化相關研究以及本課題研究所需，本文選擇進給速度、切削模式、冷卻方式三個影響因素，考察其對鋼件加工表面質量[4]的影響。原因有以下四個方面：1）考察所有研究切削三要素對加工工件表面粗糙度的文獻，可以得出結論：切削深度越大，表面質量越差；切削速度越大，表面質量越好。2）本文不再考慮以上兩個因素的影響，只針對進給速度進行考察。進給速度越小，鋼材質在切削加工時容易產生“黏刀”現象，表面質量越差；進給速度過大，對機床的動態特性要求便較高，也不利于表面質量的提高。故不同特性的機床，進給速度的最佳值亦有所區別。3）SOLIDCAM中平面加工最常用的三種模式（如圖1所示）：單一路徑、剖面和外型，經過實際加工發現，其對表面質量的影響較大且研究甚少，本文予以研究。4）對于不同的刀具、毛坯材料，氣冷與水冷對加工表面質量的影響是不同的，本文予以研究。

1.2 定水平

因素的水平需考慮機床實際情況而定，本文對每個因素選取三個水平進行研究。其中，冷卻方式選為水冷時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

正交表格是數學家預先編制好的一系列表格，它是進行正交試驗的基本工具。正交表格的常用記號格式為LN(qs)，其中：L為正交表的代號，N為正交表的行數（即：需要做的試驗次數），S為正交表的列數（最多能安排的因素個數，包含誤差），q為因素的水平數。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應至少安排2×3+1=7次試驗，即N≥7。在正交試驗中為保證試驗的精確度，在安排正交表列數的時候應至少單獨留有1列空列，作為實驗誤差以衡量試驗的可靠性，即S≥4，根據以上論述，正交表選擇為L9(34)最為合適。

3 試驗表頭設計及試驗方案編制

表頭設計，顧名思義，就是把試驗因素安排到正交表的各列中去的過程。表頭設計對于不考察交互作用的正交試驗較為簡單，各因素可隨機安排在各列中。

對于試驗方案，當正交表確定以后，方案便隨之確定。考慮實際情況所需，本研究在進行結果分析時，只進行極差分析，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。正交表最終設計如表2所示。

表2 正交表格

4 實際加工

本文研究特針對具有表面質量要求較高的平面特征，文章針對減速器上下箱體結合表面進行試驗。

圖2 減速器結合平面加工

基于表1與表2，根據表3進行試驗并測量表面粗糙度。

表3 試驗方案及試驗結果

5 試驗結果分析

極差分析計算工作量小，通俗易懂，使用非常廣泛，能夠非常方便的確定出試驗因素的優水平和最優水平組合、確定出因素對試驗指標影響的主次因素[5]。

圖3 極差分析流程圖

因素A、B、C、D第j（j=1,2,3）水平對應的試驗指標之和分別記為KAj、KBj、KCj、KDj，試驗指標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所示結果。

表4 試驗結果分析

針對本次試驗所用機床的特性、試驗刀具等相關實驗條件，三個因素的優水平組合A1 B2 C1為本試驗的最優水平組合，即加工鋼材質表面時粗糙度最小時的最優工藝條件為：進給速度選為1500，切削模式為剖面式，冷卻方式選為氣冷。

6 驗證試驗

基于正交試驗的切削參數優化理論要求必須對優化后的組合參數進行驗證試驗，以保證優化后的組合參數能夠保證加工精度要求。本文優化后的組合參數為：進給速度：1500；切削模式：剖面式；冷卻方式：氣冷。

在CAM軟件中設置“切削模式”為“剖面式”，“進給速度”設置為“1500”，“冷卻方式”設置為“氣冷”M07。其他設置保持不變，針對結合面再次生成程序，重新加工。最后，測得表面粗糙度的平均值為0.525，滿足優化后所需表面質量[6]。

7 結論

文章對三個因素：進給速度、切削模式和冷卻方式進行正交試驗設計，結果表明切削速度取較小值時，表面質量較好，速度較大時，表面質量較差。由此我們可以推斷出機床的動態特性較差，機床在高速運動時會出現較大的震動，柔性不好，造成工件與刀具之間的相對抖顫，影響了表面質量。且針對鋼材質，其不同于鋁材質，在速度較低時“黏刀”現象不明顯。

冷卻方式選為氣冷時具有較好的表面質量，考慮本文研究所用刀具材質以及工件材質，在切削時，刀具與工件的接觸區產生極高的溫度，利用液體冷卻會對刀具形成冷熱沖擊，影響刀具切削性質，會造成表面質量的下降[7]。

本文的優化目標為表面粗糙度，其優化理論過程可以進行推廣。在某種場合，我們或許更加注重生產效率的提高、生產成本的降低。此時，我們可以針對不同場合研究不同的優化目標。切削參數亦可針對我們感興趣的變量進行優化研究，考察其對目標值的影響規律。

故本研究不僅為進給速度、切削模式、冷卻方式對表面質量的影響規律提供了很好的參考，其研究思路更能為相關的研究工作提供借鑒。

[1] 劉海江,黃煒.基于粒子群算法的數控加工切削參數優化[J].同濟大學學報,2008,36(6):803-806.

[2] 劉強,尹力.一種面向數控工藝參數優化的銑削過程動力學仿真系統研究.中國機械工程,2005,16(13):1146-1149.

[3] MERDOL S D,ALTINTA S Y.Virtual Simulation and optimization of milling applications-part 2:Optimization and feedrate scheduling[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME,2008,130(5):0510051-05100510.

[4] Kiha Lee,David A Dornfeid. A study of Surface Roughness in the Micro-End-Milling Process[J].Laboratory for Manufacturing Automation,2004.

[5] 彭杰.田口試驗設計的改進及其在鋼板印刷制程中的應用[D].湖北:武漢理工大學,2008:1,4-2.

[6] 劉玉波,趙燦,馮明軍.基于正交試驗法的高速銑削工藝參數優化設計[J].組合機床與自動化加工技術,2008(9):68-71.

[7] Chani,J. A.Choudhury, I. A.and Hassan H. H.Application of Taguchi Method in the Optimization of End Milling Parameters[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,145(1):84-92.