基于SPSS軟件的消失模表面質(zhì)量數(shù)控切削工藝優(yōu)化分析

左健民，周少龍，汪木蘭，陳建

(1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213016;2.江蘇理工學(xué)院，江蘇常州213001;3.南京工程學(xué)院先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京211167)

SPSS 軟件(Statistical Product and Service Solutions，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案)是一種集數(shù)據(jù)整理功能和分析功能于一身的數(shù)據(jù)處理軟件，它能以圖表的形式詳細(xì)地分析二次正交試驗(yàn)中單個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響比重，并能計(jì)算各因素的影響系數(shù)。采用數(shù)控切削技術(shù)對(duì)消失模進(jìn)行直接加工的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消失模模具生產(chǎn)領(lǐng)域［1］。消失模是用大量的高聚苯乙烯顆粒粘結(jié)而成的泡沫材料［2－5］，當(dāng)采用數(shù)控機(jī)床對(duì)消失模模具進(jìn)行切削加工時(shí)，沒(méi)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(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，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(wàn) 是衡量消失模表面切削質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。利用SPSS 軟件中的二次正交組合設(shè)計(jì)方法對(duì)切削質(zhì)量參數(shù)f 進(jìn)行研究，分析了主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給量、徑向進(jìn)給量和切削速度對(duì)f 的影響規(guī)律，并提出最優(yōu)的切削參數(shù)組合，為預(yù)測(cè)消失模切削表面質(zhì)量提供了合理選擇參數(shù)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

某型號(hào)的數(shù)字化無(wú)模精密成形機(jī)如圖1所示。

刀具選擇直徑為8 mm 的硬質(zhì)合金雙刃立銑刀，實(shí)驗(yàn)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(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)包括:分辨率為780 ×520，帆數(shù)為50，像素尺寸為8.3 ×8.3。

圖1 數(shù)字化無(wú)模鑄造精密成形機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定

確定影響因素的變化范圍:主軸轉(zhuǎn)速1 500 ～3 000 r/min，軸向進(jìn)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(duì)因子進(jìn)行編碼，然后根據(jù)相應(yīng)的公式z0j=(z2j+z1j)/2，Δj=z1j+z0j計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取表

其中，Z2j為上水平，即各實(shí)驗(yàn)因素取值最高的那個(gè)水平;Z1j為下水平，即各實(shí)驗(yàn)因素取值最低的那個(gè)水平;Z0j為零水平，即上下水平的平均數(shù);+γ為參數(shù)上限;－γ 為參數(shù)下限。

按照SPSS 軟件中二次回歸正交組合設(shè)計(jì)的方法，將表1 中的數(shù)據(jù)輸入SPSS 軟件中，并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)起來(lái)，如圖2所示。

圖2 SPSS 軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

為了能夠量化各參數(shù)對(duì)切削表面質(zhì)量的影響情況，引入信噪比實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方法。信噪比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是一種將不可控的因素對(duì)實(shí)驗(yàn)按結(jié)果的影響程度變換成特性值，并尋求其最小分布的強(qiáng)健設(shè)計(jì)方法［6］。因?yàn)槠谕砻姘枷萘啃。蚨脴O小特性來(lái)計(jì)算特性值信噪比?，F(xiàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入信噪比實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果。

根據(jù)信噪比公式計(jì)算得到結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各因數(shù)影響水平表

其中:z1為主軸轉(zhuǎn)速;z2為軸向進(jìn)給量;z3為徑向進(jìn)給量;z4為切削速度。

從表2 中可以看出，對(duì)切削表面質(zhì)量影響最大的是徑向進(jìn)給量，其影響比重占40%，其次是軸向進(jìn)給量、切削速度及主軸轉(zhuǎn)速。從表2 所得到的數(shù)據(jù)來(lái)看最優(yōu)的切削參數(shù)組合是:z1(0)、z2(－1)、z3(－1)和z4(－1)，即主軸轉(zhuǎn)速為2 250 r/min，軸向進(jìn)給量為1.4 mm，進(jìn)給寬度為3 mm，進(jìn)給速度為218 mm/min。

為了更加直接地看出各影響因素對(duì)表面質(zhì)量的影響程度，利用SPSS 軟件中的圖像處理功能分別對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給量和徑向進(jìn)給量3 個(gè)因素進(jìn)行分析。

從圖3 可以看出:如果主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高，高速旋轉(zhuǎn)的主軸在主軸附近產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(zhì)量。另外，過(guò)高的主軸轉(zhuǎn)速還會(huì)增加機(jī)床的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響到消失模的表面切削質(zhì)量。當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 800 r/min 時(shí)，在多種參數(shù)共同作用下過(guò)低的主軸轉(zhuǎn)速不利切削泡沫顆粒，會(huì)在工件表面形成顆粒凹陷，從而影響到工件表面的切削質(zhì)量。從圖3 還可以看出:當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在1 600 r/min 時(shí)雖然能夠獲得較高的表面切削質(zhì)量，但是需要較小軸向進(jìn)給量和切削寬度作為配合，這樣會(huì)降低綜合加工效率?？傊诙嘁蛩毓餐饔孟?，主軸轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 時(shí)，消失模的表面切削質(zhì)量最優(yōu)。

當(dāng)泡沫顆粒的粒徑為1 ～2 mm，軸向進(jìn)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(jìn)給量越小，則切削的表面質(zhì)量越好，但是消耗的工時(shí)也就越長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)軸向進(jìn)給量大于2.5 mm 時(shí)，消失模表面會(huì)產(chǎn)生大量未經(jīng)切削泡沫顆粒，切削表面也會(huì)產(chǎn)生大量顆粒凹陷。

徑向進(jìn)給量是影響消失模數(shù)控加工工時(shí)的一個(gè)重要因素。當(dāng)切削徑向進(jìn)給量小于消失模的粒徑時(shí)，盡管能得到較高的切削質(zhì)量，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要大量工時(shí)。當(dāng)切削徑向進(jìn)給量大于粒徑時(shí)，不僅能夠大量縮短加工工時(shí)，而且加工表面質(zhì)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(shù)共同作用下，消失模切削表面質(zhì)量參數(shù)f 是隨著徑向進(jìn)給量的增加而增大。

利用SPSS 軟件自動(dòng)生成各參數(shù)的系數(shù)，從而得到參數(shù)多項(xiàng)式來(lái)驗(yàn)證SPSS 軟件在此次數(shù)據(jù)處理中的可靠性。

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

現(xiàn)將因數(shù)和切削參數(shù)的關(guān)系式代入式(1)，從而得到切削表面質(zhì)量與各參數(shù)的多項(xiàng)式:

現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(2)，驗(yàn)證此次SPSS 軟件數(shù)據(jù)處理的可靠性。經(jīng)過(guò)比較表明，計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在1%范圍之內(nèi)，因此此次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析是可靠的。

表3 切削因數(shù)參數(shù)表

2 結(jié)論

利用SPSS 軟件的正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)功能，對(duì)消失模數(shù)控銑削表面工藝進(jìn)行分析和研究，可以得到如下結(jié)論:

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

(2)軸向進(jìn)給量和徑向進(jìn)給量對(duì)切削表面加工質(zhì)量的影響趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。同時(shí)，在實(shí)際加工過(guò)程中，應(yīng)該綜合考慮工時(shí)和工件對(duì)表面質(zhì)量的雙重影響，既要盡量縮短工時(shí)，又要滿足工件表面的加工質(zhì)量要求。

(3)在多因素的共同影響下，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)消失模表面切削質(zhì)量的影響并不是呈遞增或遞減趨勢(shì)，較低的主軸轉(zhuǎn)速盡管能得到較高的消失模表面加工質(zhì)量，但其同時(shí)需要較低的軸向進(jìn)給量和徑向進(jìn)給量相互配合，這樣會(huì)增加加工工時(shí)。較高的主軸轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致機(jī)床本身不穩(wěn)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(zhì)量。

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