田口試驗法在鋼絲圈化學鍍Ni-W-P合金上的應用

趙仁兵，傅 悅，解建軍，肖 華，王可平

(重慶金貓紡織器材有限公司，重慶 401336)

0 引言

隨著紡織技術的不斷發展，紡紗裝備向高速化、自動化、智能化、無人化發展，新型紡紗技術促使企業轉型升級步伐越來越快，纖維品種及功能呈現多樣化，減少用工、降低成本等問題日益突出。目前國內電鍍鎳鋼絲圈的使用壽命一般為5 d～7 d，而國外產品則不少于15 d[1]，鋼絲圈在高速運轉下的使用壽命及紡紗毛羽、斷頭等問題亟待解決，提高鋼絲圈鍍層的耐磨性及自潤滑性是解決以上問題的有效方法之一。

1 田口試驗方法

田口試驗方法 (Taguchi Method)又稱健壯法或穩健法 (Robust Method) ，是由日本田口玄一博士創立的一種低成本、高效益的質量工程方法，它強調產品質量的提高不是通過檢驗，而是通過設計。其基本思想方法是：用正交表安排試驗方案，以誤差因素模擬質量波動的各種干擾，以信噪比(S/N)作為衡量產品質量穩健性的指標，通過對各種使用方案的統計分析，找出抗干擾能力最強、性能最穩定、最可靠的設計方案[2]。

在紡紗工程中隨著環錠紡紗轉速的提高，鋼絲圈與鋼領的接觸點溫升加劇，導致鋼絲圈塑性變形和基體金相組織結構變化、甚至局部熔化(燒蝕)，造成紗線斷頭、毛羽增加，使用壽命縮短[3]。為了解決這個問題，筆者應用田口試驗方法研究鋼絲圈鍍層的設計參數及鍍層加工誤差對鋼絲圈性能和穩定性的影響。

2 田口試驗方法設計

2.1 鋼絲圈鍍層設計思路

紡紗過程中的鋼絲圈在離心力及紗線張力的作用下，鋼絲圈與鋼領之間、紗線與鋼絲圈之間存在摩擦，因摩擦的存在就要求鋼絲圈必須具有很好的耐磨性和耐熱性[4]，而鋼絲圈表面處理是解決其耐磨性、自潤滑性、耐熱性等最行之有效的方法之一。由于化學鍍Ni-P合金具有較好的耐磨性及自潤滑性，當加入鎢元素則能與Ni-P共沉積于鍍層中，從而細化晶粒、降低表面粗糙度值，達到減少摩擦、增強鍍層的耐磨性與熱穩定性，也就延長了鋼絲圈的使用壽命。筆者選用硫酸鎳、鎢酸鈉、次亞磷酸鈉、檸檬酸鈉、有機胺及銨鹽作為鋼絲圈Ni-W-P合金鍍層溶液。

2.2 品質因子選擇

根據鋼絲圈的磨損機理及對紗線造成的影響可知，如果鋼絲圈表面受到的摩擦力小，鍍層的耐磨性也好，那么其走熟期將會縮短、使用壽命將會延長，紗線品質將會提高，因此，將鋼絲圈的磨損率Δm作為品質因子。

2.3 控制因子與水平選擇

根據Ni-W-P鍍層成分組成，選擇鎢酸鈉、有機胺、檸檬酸鈉、銨鹽、pH值、溫度作為控制因子，除鍍液溫度為2個水平外，其余均為3個水平；同時固定硫酸鎳濃度為24 g/L，次亞磷酸鈉濃度為25 g/L，如表1所示。

表1 樣品的控制因子水平配置

根據表1中的控制因子和水平，選用L18(21×35)田口試驗正交表來優化Ni-W-P鍍層成分，使其具有最小的磨損率。

由于磨損率越小越好，所以選擇最小特性的信噪比，即：

在線測量是在混合機機殼的特定位置安裝有水分在線檢測儀，以一定時間間隔自動檢測混合機內物料的水分含量，并將檢測結果自動傳送給生產線水分添加系統的自動控制系統，經與設定的目標值比較后自動確定在混合機內噴加的水分量和調質過程中需要添加的水分（蒸汽）量及相關控制參數。目前已經在飼料混合機上應用的在線水分檢測儀有多用途近紅外檢測儀，激光在線水分測定儀以及微波在線水分檢測儀等。其中近紅外多用途檢測儀可以同時檢測水分、粗蛋白、粗脂肪等，有著更廣泛的用途。

(1)

式中：

S/N——信噪比；

yi——第i次測量磨損率數據；

n——試驗次數。

由于試驗中無數據變異和試驗誤差，因此n=1，公式(1)可以演化為：

S/N=-10lgyi2

(2)

2.4 耐磨試驗

采用淬火高碳鋼T9A板(10mm×10mm×2 mm)作為基材，硬度為(630～650)HV0.2，采用表1中A1B2C1D2E2F2工藝條件進行化學鍍Ni-W-P，時間為40 min～60 min。使用韓國耐磨試驗機，對磨塊為GCr15，淬火硬度為(60～62)HRC。每組試驗制備4個樣品，以確保結論的精準性，每個樣品每次磨損時間為30 min，測其平均失質量。

3 田口試驗

田口試驗方法主要是用來獲取化學鍍Ni-W-P合金耐磨鍍層結構優化，通過L18(21×35)田口試驗正交表把各個控制因子配置其中，如表2所示。然后通過耐磨試驗得到失質量后填充到表 2中，通過式(2)，采用MiNitab軟件計算出信噪比值，信噪比值越大，抗干擾能力就越強，見表3。

表2 L18試驗設計與試驗結果

由表3可知，化學鍍Ni-W-P合金耐磨層結構最優參數配比為 A1，B3，C2，D2，E3，F3。根據田口試驗方法中的“一半原則”[5]，6個控制因子中最主要的3個因子分別為鎢酸鈉濃度B，檸檬酸鈉濃度C，有機胺濃度D。圖1的化學鍍Ni-W-P合金耐磨最小失質量范圍信噪比的因子反應則能更清晰地反映出各控制因子的變化情況，以及各控制因子對信噪比的影響。

4 確認數值試驗

由上述分析可知，鋼絲圈化學鍍Ni-W-P合金耐磨層結構的最佳因子結構參數配比為 A1，B3，C2，D2，E3，F3。其最主要的控制因子為B，C，D。據此可以計算原始試驗磨損失質量和優化試驗磨損失質量后的信噪比預測值。

采用MiNitab軟件計算出信噪比值。原始設計的預測值為-4.659110，優化設計的預測值為-0.399 590。

圖1 不同控制因子對信噪比的影響

按照以上MiNitab分析得出的最佳控制因子配比，重新試驗化學鍍Ni-W-P耐磨層，其磨損平均失質量為1.0mg，原始試驗磨損平均失質量為1.8 mg；同樣采用MiNitab軟件計算出信噪比值分別為-0.239 754，-5.401 966；原始試驗與優化試驗預測值和試驗值的對比如圖2所示。

圖2 優化前后試驗值與預測值比較

5 Ni-W-P合金鍍層鋼絲圈使用結果

采用優化后的工藝參數A1，B3，C2，D2，E3，F3制造Ni-W-P合金鍍層的TPJM1ELgc型16/0鋼絲圈。在河南某紡織企業進行試紡，試紡品種為CJ 7.4 tex。試紡前先用電鍍BSJM1ELgc型16/0鋼絲圈，錠速為16.5 kr/min；經過測試：毛羽H值為2.4，千錠時斷頭為11次，+140%棉結、+200%棉結分別為332個/km和91.5個/km，其使用壽命為12 d。然后，選用TPJM1ELgc型16/0鋼絲圈，錠速為17.2 kr/min；測得毛羽H值為2.37，千錠時斷頭為7次，+140%棉結、+200%棉結分別為329個/km和89.2個/km，其使用壽命不少于15 d。

6 結語

6.1應用化學鍍Ni-W-P合金耐磨層鋼絲圈能有效提高其耐磨性及使用壽命，實現高速、長壽命紡紗的需求。

6.2根據田口試驗方法信噪比的計算分析，化學鍍Ni-W-P合金耐磨層最佳的性能參數組合為A1，B3，C2，D2，E3，F3。這其中，最主要的3個影響因子分別為鎢酸鈉濃度B，檸檬酸鈉濃度C，有機胺濃度D。

按照優化后的因子配比進行確認數值試驗，得到信噪比試驗值和其預測值分別為-0.239 754和-0.399 590，與原始因子組合下試驗值-5.401 966和預測值-4.659 110相比，分別提高了5.162 212和4.259 520。因此，在鋼絲圈化學鍍Ni-W-P合金耐磨層可靠性設計過程中，應用田口試驗方法可以獲得很好的優化效果。

6.3應用Ni-W-P鍍層的鋼絲圈紡紗，能有效減少成紗毛羽和斷頭，提高成紗質量，鋼絲圈使用壽命不少于15 d。