基于正交試驗的鈦合金葉輪切削參數(shù)優(yōu)化

朱海兵 王傳洋

（1．江蘇省相城中等專業(yè)學校，江蘇 蘇州215131；2．蘇州大學，江蘇 蘇州215000）

0 引言

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。鈦合金具有強度高而密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能均很好的優(yōu)點。但同時鈦合金也具有切削變形系數(shù)小、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴重、單位面積切削力大等不利于加工的缺點。由于材料在切削過程中影響因素較復雜，而且因素間又相互影響。因此，采用單因素法不能實現(xiàn)切削參數(shù)的優(yōu)化?；谝陨蠁栴}，本文應用了模糊數(shù)學的理論與方法，利用SPSS軟件來處理試驗數(shù)據(jù)。以加工表面粗糙度Ra值、后刀面磨損量VB和切削工時t為研究目標，為科學選擇相應切削參數(shù)提供最優(yōu)方案。

1 正交試驗設計與結果

由于不同的切削速度v、刀尖圓弧r、進給量f和背吃刀量ap對切削質(zhì)量均有影響，因此，要想全面考察各種要素來進行試驗的話，試驗規(guī)模會很大且難以實施。所以，本文采用四因素三水平的正交試驗方法，分析各因素的效應，尋求最優(yōu)水平組合。具體正交試驗設計如圖1所示，正交試驗結果如圖2所示。

圖1 正交試驗設計

圖2 正交試驗結果

2 正交試驗結果分析

2．1 主效應分析

在多因素試驗研究中，主效應就是在考察一個自變量是否會對因變量的變化發(fā)生影響的時候，不考慮其他研究變量的變化，或者說將其他變量的變化效應平均掉。換句話說，就是其他研究變量都不變化的情況下，單獨考察一個自變量對因變量的變化效應。即一個因素的水平之間的平均數(shù)差異，稱為該因素的主效應。它表示了各因素在相應水平上對綜合評價值的影響程度。本試驗的主效應分析結果如表1所示。

表1 主效應分析結果

根據(jù)極差大小列出各指標下的因素主次順序，如表2所示。

表2 單指標主次及優(yōu)化表

由表1、表2可知，對表面粗糙度的影響從主到次依次為刀尖圓弧、進給量、背吃刀量及切削速度，優(yōu)化水平組合為：1．5 mm、60 m／min、0．1 mm／r、0．5 mm。對后刀面磨損的影響從主到次依次為進給量、背吃刀量、刀尖圓弧及切削速度，優(yōu)化水平組合為：0．5 mm、50 m／min、0．1 mm／r、0．2 mm。對切削工時的影響從主到次依次為刀尖圓弧、背吃刀量、切削速度及進給 量，優(yōu) 化 水 平 組 合 為：1．0 mm、50 m／min、0．2 mm／r、0．8 mm。由極差R值可知，對鈦合金切削過程的影響從主到次分別為：刀尖圓弧r、切削速度v、進給量f和背吃刀量ap。

2．2 兩兩因數(shù)交互作用分析

由于切削過程中待考核的切削參數(shù)的四因素各有三水平值，因此兩兩因素三水平之間有許多種搭配。以刀尖圓弧r和進給量f之間的交互作用為例，由最大隸屬度原則來考慮，（1．0，0．2）和（1．5，0．1）的組合為最佳。同樣可以計算出其他因素兩兩之間的最佳組合和隸屬度。從計算值中可知，刀尖圓弧r和背吃刀量ap的交互效應最大，其次是刀尖圓弧r與進給量f，背吃刀量ap和切削速度v的影響較小。

2．3 綜合平衡確定最優(yōu)工藝條件

以上三指標單獨分析出的優(yōu)化條件不一致，必須根據(jù)因素的影響主次，綜合考慮，確定最佳工藝條件。

如表3中數(shù)據(jù)所示，對于因素A（刀尖圓?。?，其對表面粗糙度影響大小排第一位，此時取A3（1．5 mm）；其對切削工時影響也排第一位，取A2（1．0 mm）；而其對后刀面磨損影響排第三位，為次要因素。因此，A可取A2或A3，但取A2時，切削工時比取A3減小了14．8%，而表面粗糙度增加了12%，且由后刀面磨損指標來看，取A2比A3時的后刀面磨損值低，故A因素取A2。同理可分析B取B2，C取C1，D取D3。優(yōu)化組合為A2B2C1D3，即1．0 mm、50 m／min、0．1 mm／r、0．8 mm。

表 3 A(刀尖圓弧)因素影響表

3 結論

由SPSS軟件提供的分析結果，可以得出以下結論：（1）4個試驗因素對鈦合金切削過程的影響從主到次分別為：刀尖圓弧、切削速度、進給量和背吃刀量。（2）綜合評價最優(yōu)化的水平因素組合為：刀尖圓角半徑1．0 mm、切削速度50 m／min、進給量0．1 mm／r和背吃刀量0．8 mm。（3）通過SPSS軟件對多因素、多水平、多目標的鈦合金切削用量優(yōu)化進行研究時，用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析，了解全面試驗的情況，能將復雜問題簡單化，有利于抓住影響切削質(zhì)量的主要因素。同時，減少了試驗的工作量，能較為準確和迅速地得到優(yōu)化的工藝條件，所以應用前景十分廣闊。

［1］杜金萍，王桂梅，高術振．XX－2不銹鋼切削參數(shù)模糊正交優(yōu)化［J］．河北工程大學學報：自然科學版，2007（2）

［2］杜金萍．模糊正交法在GCr15鋼切削用量優(yōu)化中的應用［J］．軸承，2007（3）