HT200端蓋軸承室表面粗糙度提升試驗研究

游米蘭 吳世應

（1.湖南聯誠軌道裝備有限公司，湖南株洲 412001；2.中車制動系統有限公司株洲分公司，湖南株洲 412001）

0 引言

灰鐵件由于材料來源豐富、制造成本低、鑄造過程容易融化、鑄造性能好、耐磨性好等優點而普遍應用于電機端蓋的制造加工。對于灰鐵件來說，表面粗糙度不僅直接影響鑄件的外觀是否精美，而且也會影響灰鐵件的使用壽命[1]。

端蓋是電機的重要零件，其軸承室的表面粗糙度是衡量端蓋質量的一項重要指標，直接影響其與軸承的配合性、耐磨性、摩擦系數、疲勞強度和使用壽命等。對于電機端蓋來說，端蓋軸承室表面粗糙度值越大，對軸承的摩擦磨損也越大，不僅在增加動力消耗的同時導致軸承發熱，還降低了軸承的接觸剛度和定位精度；并且會增加應力集中，導致軸承疲勞強度顯著降低。

在車削加工工藝中，影響表面粗糙度的主要因素有工件材料、車削速度、進給量、切削深度、機床性能、刀具類型等[2]。本文主要研究刀具類型和車削參數（切削線速度、切削深度、進給量）對HT200端蓋的軸承室加工表面質量的影響，旨在提升其表面粗糙度，滿足產品質量要求。

1 試驗思路

在灰鐵件加工過程中，機床剛性、切削刀具以及切削幾何參數選擇等因素，均會影響灰鐵件加工的表面粗糙度[3]。為提高產品加工質量，以同一批HT200端蓋為研究對象，采用正交試驗法和多參數單變量試驗法對端蓋軸承室加工表面質量進行試驗，端蓋經過粗加工、人工時效處理，通過變更精加工切削刀具類型以及車削參數，檢測端蓋軸承室表面粗糙度值變化。通過試驗數據分析，研究刀具類型和車削參數（切削線速度、切削深度、進給量）對端蓋軸承室表面粗糙度的影響，從而獲得既滿足設計要求又使加工成本較低的最優組合，再進行該最優組合的重復性試驗，驗證其可操作性和可重復性。

2 正交試驗的特點和優點

正交試驗設計是多因素多水平研究的一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法，它是一種分式析因方法，是根據正交性從全面試驗中挑選部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備“均勻分散，齊整可比”的特點。日本著名的統計學家田口玄一將正交試驗選擇的水平組合列成表格，稱為正交表。在生產和科研中，為研制新產品、改良工藝方法、尋求優良的生產條件，需要做大量的試驗。如果沒有正確的試驗設計方法，將使試驗次數繁多，且得出的試驗數據不一定能全面揭示事物內在的規律，從而無法達到試驗效果，不能很好地指導產品的生產加工。正交試驗設計和分析方法是目前最常用的工藝優化試驗設計和分析方法之一，是部分因子設計的主要方法。正交試驗以概率論、數理統計和實踐經驗為基礎，利用標準化正交表格來合理地安排試驗方法，并利用數據統計的原理科學地對試驗結果進行計算分析，最終高效、快速、經濟地找到優化方案。這種方法的優點在于，能通過代表性很強的少數次試驗，分析各個因素對試驗指標的影響情況，確定影響因素的主次順序，找出較好的生產條件或最優參數組合。

3 正交試驗設計方法

合理設計正交表是正交試驗設計的基礎。正交試驗的設計和驗證要點主要有以下幾點：

1）明確試驗目的，確定試驗考核的指標。首先需明確通過正交試驗想要解決什么問題，確定用來衡量試驗效果的評價指標，并確定評價指標的標準及檢測方法。本文試驗的目的為：通過研究刀具類型和車削參數（切削線速度、切削深度、進給量）對端蓋軸承室表面粗糙度的影響，分析各個因素對試驗指標的影響情況，確定影響因素的主次順序，找出較好的生產條件或最優參數組合。評價指標為刀具加工后的表面粗糙度值，檢測方法為使用專用粗糙度儀檢測。

2）挑選因素，選水平。有依據地選擇導致評價指標變化的影響因素，因素在試驗中的各種狀態稱為因素的水平，應選擇適于控制和調節的影響因素，列出因素水平表。一般先通過單因素試驗確定正交試驗中選擇的因素和水平，再做正交試驗考察因素間的交互作用。

3）選擇合適的正交表。在能夠安排下試驗因素和交互作用的前提下，盡可能選用較小的正交表，以減少試驗次數和成本的消耗，本文試驗選用L9（34）正交表。

4）正交試驗表頭設計。表頭設計即將試驗因素安排到所選正交表的各列中去的過程。正交表中任意一列的位置是一樣的，可任意變換。因此，不考慮交互作用的情況下可直接將所有因素安排在任意一列；如果考慮交互作用，則必須按照交互作用表的規定進行配列，重點考察的因素、涉及交互作用較多的因素應優先安排。

5）試驗方案。表頭設計完成后，將所選正交表中各列的不同數字換成對應的水平，形成試驗方案。試驗方案中的試驗號一般同時進行，為排除外界環境干涉，應使試驗序號隨機化。

6）開始正交試驗、記錄結果。按照隨機試驗順序進行試驗，記錄測量結果，填入表中。

7）正交試驗結果統計分析。正交設計的試驗結果分析主要有極差分析法（也稱“直觀分析法”）和方差分析法。前者只考慮因素間的影響，不考慮試驗誤差，后者是一種精細化分析方法。本文采用直觀分析法（極差分析法）。

8）試驗總結。

4 正交試驗設計及數據分析

按照正交表安排的試驗方案進行隨機試驗，將試驗數據置于正交表中即可進行分析。一般正交試驗采用極差分析和方差分析方法，以確定各因素水平的影響程度，最終找出最優因素組合。極差分析的優點是簡單易行、直觀易懂，本文采用極差分析評價各因素對精加工后表面粗糙度的影響。

4.1 正交試驗設計

正交試驗設計的步驟如下：

1）明確試驗指標和影響因素，制定因素水平表。

試驗指標：表面粗糙度。

試驗因素：A—刀具類型、B—切削線速度、C—切削深度、D—進給量。

2）選擇正交表，設計表頭。

正交表是一整套規格的設計表格，L為正交表代號，n為試驗次數，t為水平數，c為列數（即可安排的最多因素個數）。正交表構造需要用到組合數學和概率學知識，現在廣泛使用的Ln（tc）類型正交表構造思想比較成熟。試驗選用L9（34）正交表，主要研究刀具類型、切削線速度、切削深度、進給量這4個因素，每個因素各選取3個水平進行試驗，因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

3）按照正交表設計試驗方案。

按照正交表L9（34）的內容及設計的表頭確定試驗方案。

4）按照正交表中的方案進行試驗。

根據L9（34）正交表實施具體試驗方案，按照隨機順序進行試驗，記錄測量的粗糙度值結果，填入表中并記錄，如表2所示。

5）正交試驗數據計算。

按照正交試驗表進行計算。

（1）各水平平均和計算：分別對4個因素水平的試驗結果求和，計算結果如表3所示。

表3 因素水平偏差和計算

因素A的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.73+1.550+1.76=5.04。

因素A的第二水平試驗結果求和Ⅱj：2.245+2.088+1.896=6.229。

因素A的第三水平試驗結果求和Ⅲj：2.321+2.115+1.863=6.299。

因素B的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.73+2.245+2.321=6.296。

因素B的第二水平試驗結果求和Ⅱj：1.550+2.088+2.115=5.753。

因素B的第三水平試驗結果求和Ⅲj：1.760+1.896+1.863=5.519。

因素C的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.730+1.896+2.115=5.741。

因素C的第二水平試驗結果求和Ⅱj：1.550+2.245+1.863=5.658。

因素C的第三水平試驗結果求和Ⅲj：1.760+2.088+2.321=6.169。

因素D的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.730+2.088+1.863=5.681。

因素D的第二水平試驗結果求和Ⅱj：1.550+1.896+2.321=5.767。

因素D的第三水平試驗結果求和Ⅲj：1.760+2.245+2.115=6.120。

（2）各因素水平求和結果的均值計算：分別求出各因素各水平結果求和的平均值即Ⅰj/3、Ⅱj/3、Ⅲj/3，計算結果如表4所示。

表4 四因素三水平試驗偏差平均值計算

因素A的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：5.040/3=1.680。

因素A的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：6.229/3≈2.076。

因素A的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：6.299/3≈2.100。

因素B的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：6.296/3≈2.099。

因素B的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：5.753/3≈1.918。

因素B的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：5.519/3≈1.840。

因素C的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：5.741/3≈1.914。

因素C的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：5.658/3=1.886。

因素C的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：6.169/3≈2.056。

因素D的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：5.681/3≈1.894。

因素D的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：5.767/3≈1.922。

因素D的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：6.120/3=2.040。

（3）極差計算：分別求出各因素的平均值的差值（極差），如果是三個以上水平則要找出平均值的最大值和最小值之間的差值Rj，計算結果如表5所示。

表5 四因素三水平試驗極差分析表

因素A水平試驗結果的極差Rj：Ⅱj/3-Ⅰj/3=2.100-1.680=0.420。

因素B水平試驗結果的極差Rj：Ⅰj/3-Ⅲj/3=2.099-1.840=0.259。

因素C水平試驗結果的極差Rj：Ⅲj/3-Ⅱj/3=2.056-1.886=0.170。

因素D水平試驗結果的極差Rj：Ⅲj/3-Ⅰj/3=2.040-1.894=0.146。

（4）采用專用數據統計分析軟件復檢計算結果，如圖1所示。

圖1 正交試驗設計助手極差分析表

4.2 正交試驗數據分析

4.2.1 直接分析

由數據結果可以直接看出，表面粗糙度值比較：試驗2（Ra1.55 μm）＜試驗1（Ra1.73 μm）＜試驗3（Ra1.76μm）＜試驗9（Ra1.863μm）＜試驗6（Ra1.896μm）＜試驗5（Ra2.088 μm）＜試驗8（Ra2.115 μm）＜試驗4（Ra2.245 μm）＜試驗7（Ra2.321 μm）。在2號試驗（A1B2C2D2）的工藝條件下，加工出來的表面粗糙度Ra1.55 μm最光滑。但這種條件是否就是因素水平的最優方案，在9種方案之外是否還有更好的水平搭配，還需通過進一步計算分析確定。

4.2.2 極差分析

極差分析是通過簡單計算判斷各因素水平對試驗結果的影響，再通過計算極差（找出最大值和最小值之差），最終確定水平搭配的最優方案。偏差平均值越小，說明該因素水平下的效果越好，極差越大，所對應的因素越重要。

4.2.3 最優水平搭配組合分析

根據表4中的數據結果可知，A水平極差平均值A1（Ra5.040 μm）＜A2（Ra6.229 μm）、A3（Ra6.299 μm），B水平極差平均值B3（Ra5.519μm）＜B2（Ra5.753μm）＜B1（Ra6.296 μm），C水平極差平均值C2（Ra5.658 μm）＜C1（Ra5.741 μm）＜C3（Ra6.169 μm），D水平極差平均值D1（Ra5.681μm）＜D2（Ra5.767μm）＜C3（Ra6.120μm）。

偏差平均值越小，說明該因素水平下的效果越好。根據比較結果，取最小值，可判斷A1為A因素的最優水平，B3為B因素的最優水平，C2為C因素的最優水平，D1為D因素的最優水平，所以最優水平搭配組合為A1B3C2D1，即刀具類型為鉆石YBD152、切削線速度v=200 m/min、切削深度ap=0.2 mm、進給量f=0.10 mm/r為生產工藝加工的最優組合，即在該水平條件下加工的產品表面粗糙度最好。

4.2.4 試驗因素影響主次順序分析

根據極差數值的大小，可以判斷各因素影響的大小。極差越大，所對應的因素越重要，對結果的影響越大。由表5試驗結果可知，極差值D（Ra0.146 μm）＜C（Ra0.170 μm）＜B（Ra0.259 μm）＜A（Ra0.42 μm）。故試驗因素對試驗結果影響的主次順序為A（刀具類型）＞B（切削線速度）＞C（切削深度）＞D（進給量），即刀具類型對試驗結果的影響最大，其次為切削線速度，再次為切削深度，最后為進給量。

5 研究結論

HT200端蓋軸承室加工的最優參數組合為：

刀具類型選擇：鉆石刀具YBD152；

線速度選擇：v=200 m/min；

切削深度選擇：ap=0.2 mm；

進給量選擇：f=0.10 mm/r。

此時，加工的產品表面粗糙度最好。影響HT200端蓋軸承室加工的因素主次順序為：刀具類型選擇對試驗結果的影響最大，其次為切削線速度選擇，再次為切削深度選擇，最后為進給量選擇。