基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)曲軸電化學(xué)拋光工藝參數(shù)優(yōu)選

時(shí)君麗， 王雅君， 孫秋花， 樊雙姣， 曲洪偉

（1.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大連三洋壓縮機(jī)有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引 言

不斷提高壓縮機(jī)的能效比是當(dāng)前制冷壓縮機(jī)技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，其技術(shù)手段之一就是降低壓縮機(jī)的摩擦損失提高機(jī)械效率，而曲軸是壓縮機(jī)中最重要的運(yùn)動(dòng)部件，它與上支撐、下支撐、動(dòng)渦旋形成3個(gè)滑動(dòng)副，以某品牌5馬力渦旋壓縮機(jī)為例，此3個(gè)滑動(dòng)副摩擦損耗可達(dá)400W，占?jí)嚎s機(jī)輸入功率10%以上，因此降低曲軸的表面粗糙度會(huì)大大降低壓縮機(jī)的摩擦損耗，所以研究降低曲軸表面粗糙度的工藝方法對(duì)提高壓縮機(jī)的能效比具有非常重要的意義。

電化學(xué)拋光是指在一定電解液中金屬工件作為陽(yáng)極溶解，使其表面粗糙度下降、光亮度提高，并產(chǎn)生一定金屬光澤的表面光整技術(shù)［1－3］。目前，該技術(shù)已在零部件精加工、零部件樣品制備及需要控制表面質(zhì)量與粗糙度的零件上獲得廣泛的應(yīng)用。

影響曲軸粗糙度的工藝參數(shù)包括電解液種類、電解液濃度、電解液溫度、拋光時(shí)間、電流密度、電極極間間隙、砂帶粒度、工件轉(zhuǎn)速等，而且這些參數(shù)相互影響、相互作用。若8個(gè)參數(shù)各選3個(gè)水平進(jìn)行全面試驗(yàn)，需要付出大量的時(shí)間和試驗(yàn)資源。本文通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，與電化學(xué)拋光技術(shù)相結(jié)合，利用最少的試驗(yàn)次數(shù)獲得了較理想的工藝參數(shù)組合，通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證證明試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了較高的要求。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)床：CDL6136高速臥式車床；電源：SMD－300D型數(shù)控脈沖電鍍電源；砂帶裝置：布基、氧化物堆積磨料、粘接接頭的優(yōu)質(zhì)砂帶；檢測(cè)儀器：RA200粗糙度儀；試驗(yàn)樣件：45鋼的壓縮機(jī)曲軸，軸承部位長(zhǎng)度Lr＝40mm，直徑Φ＝40mm。選取18試件，每個(gè)試件選擇2個(gè)粗糙度檢測(cè)取樣位置，檢測(cè)位置如圖1所示，分別是標(biāo)注的位置1和位置2，兩位置的粗糙度初始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 曲軸檢測(cè)位置Fig.1 Crankshaft measurement position

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 制定因素水平表

經(jīng)過(guò)分析篩選，確定拋光時(shí)間、電解液種類、電解液濃度、電解液溫度、電流密度、電極間隙、砂帶粒度和工件轉(zhuǎn)速8個(gè)因素。這8個(gè)因素均可以取相應(yīng)的水平，并可以形成多種組合，考慮到工件拋光時(shí)間的變化對(duì)超精加工效率影響較小，選2個(gè)水平，其他因素則根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，確定3個(gè)水平。影響曲軸電化學(xué)拋光效果的因素水平組合見(jiàn)表2。

表1 試件初始粗糙度數(shù)據(jù)Tab.1 Initial roughness data of sample

表2 電化學(xué)拋光影響因素及水平Tab.2 Electrochemical polishing influencing factors and levels

1.2.2 試驗(yàn)安排

據(jù)因素水平表選用L18（21×37）正交表，該表恰好能安排1個(gè)2水平的因素和7個(gè)3水平因素，共需做18次試驗(yàn)［4］。試驗(yàn)安排及曲軸位置1和位置2的粗糙度見(jiàn)表3。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用極差分析法對(duì)曲軸電化學(xué)拋光實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析［5］，如表4所示。表中 K1、K2、K3、分別表示各因素對(duì)應(yīng)相同水平粗糙度檢測(cè)結(jié)果之和，R 為K1、K2、K3的極差。

1.3.1 確定因素的重要度

根據(jù)極差R的大小確定關(guān)鍵、重要、一般、次要因素的原則，對(duì)于位置1來(lái)說(shuō)，8個(gè)因素的極差R從大到小的順序?yàn)椋篈、F、D、B、C、E、H、G，因此，得出對(duì)于位置1粗糙度關(guān)鍵因素：A，重要因素：F、D，一般因素：B、C、E、H，次要因素 G。同樣，對(duì)于位置2，關(guān)鍵因素：D，重要因素：A、E，一般因素：B、C、F、G，次要因素：H。

1.3.2 確定因素的水平

由于曲軸的表面粗糙度越小越好，從表4中K1、K2、K3顯示的結(jié)果可以看出，對(duì)于位置1，因素A的K1值最小，因素B的K1值最小，因素C的K1值最小，因素D的K3值最小，因素E的K1值最小，因素F的K3值最小，因素G的K1值最小，因素H的K1值最小，因此，最優(yōu)方案組合是A1B1C1D3E1F3G1H1。同樣，對(duì)于位置2可知最優(yōu)方案組合是A1B1C1D2E2F2G1H1。那么，綜合來(lái)說(shuō)，8因素可能選擇的最佳水平如表5所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Result of orthogonal experiment

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab.4 Analysis of orthogonal experiment result

表5 各參數(shù)可能選擇的最佳水平Tab.5 The optimal leve of each parameter may choose

1.3.3 各因素水平趨勢(shì)

由于位置1和位置2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異，不能完全獲取各因素的最佳水平，因此可以畫(huà)出各個(gè)影響因素的水平趨勢(shì)圖，輔助尋找可能更優(yōu)方案［6］。用影響粗糙度各因素的水平作橫坐標(biāo)，粗糙度結(jié)果之和為縱坐標(biāo)，在圖中畫(huà)出相應(yīng)的點(diǎn)，用直線把它們依次連接起來(lái)，會(huì)形成各因素在電化學(xué)拋光時(shí)對(duì)粗糙度影響水平趨勢(shì)折線。各因素在電化學(xué)拋光時(shí)對(duì)粗糙度的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 粗糙度與電化學(xué)拋光參數(shù)關(guān)系Fig.2 The relations between roughness and electrochemical polishing parameters

由水平趨勢(shì)圖看出，使得粗糙度最低的曲軸電化學(xué)拋光方案為A1B1C1D2E2F3G1H1。綜合上述方法得到最優(yōu)試驗(yàn)方案如表6所示，即：拋光時(shí)間180s，電解液種類NaNO3，電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，電解液溫度30℃，電流密度40A／cm2，電極間間隙0.3mm，砂帶粒度1 200，工件轉(zhuǎn)速230r／min。

表6 各參數(shù)選擇的最佳水平Tab.6 The optimal level of each paramete

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為保證電化學(xué)拋光工藝參數(shù)的合理性和穩(wěn)定性，進(jìn)行如下的驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)床、試驗(yàn)電源、砂帶裝置及檢測(cè)儀器同前。

試驗(yàn)樣件：10根45號(hào)鋼的5馬力渦旋壓縮機(jī)曲軸，軸承部位長(zhǎng)度Lr＝40mm，直徑Φ＝40mm，試件取位置1和位置2拋光前粗糙度的平均值，如表7所示。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.7 The results of verification test

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)方法

采取隨機(jī)抽樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)加工，即在一批工件中隨機(jī)抽取某個(gè)工件作為試件進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)方法選取的最優(yōu)工藝參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)曲軸進(jìn)行電化學(xué)拋光，試件位置1和位置2電化學(xué)拋光前后粗糙度平均值試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，結(jié)果表明，電化學(xué)拋光后的表面粗糙度明顯降低。改善百分比最高68.7%，最低40.8%，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

（1）項(xiàng)目已達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)加工直徑范圍為24～40mm；加工表面粗糙度改善率50%以上，其他各項(xiàng)精度均達(dá)到加工要求。

（2）按試驗(yàn)得到的最佳工藝參數(shù)對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸進(jìn)行電化學(xué)拋光后，其表面粗糙度值及曲軸構(gòu)成的摩擦損耗明顯降低。

（3）正交試驗(yàn)與電化學(xué)拋光結(jié)合的方法對(duì)于解決機(jī)械產(chǎn)品零部件粗糙度工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了思路，為今后解決這一問(wèn)題提供了一種方法。

（4）存在不足：由于試驗(yàn)是在企業(yè)現(xiàn)有的電化學(xué)設(shè)備和技術(shù)水平上進(jìn)行的，一些因素的水平量受試驗(yàn)環(huán)境的約束，目前的結(jié)果可能并不是最佳組合參數(shù)。隨著電化學(xué)拋光設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，將不斷探索更合理的電化學(xué)拋光壓縮機(jī)曲軸工藝參數(shù)。

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