基于田口方法的車削45鋼參數(shù)優(yōu)化分析

劉永姜，李智航，王 洋，王曉晶

（中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 引言

我國作為一個(gè)制造業(yè)大國，制造業(yè)無可置疑的成為我國的支柱性產(chǎn)業(yè)，作為支柱性產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)對我國生態(tài)環(huán)境的影響也比較大。制造技術(shù)作為企業(yè)生產(chǎn)力組成中的關(guān)鍵部分，一般占據(jù)60%，金屬材料成型中的切削加工技術(shù)又是機(jī)械制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的組成部分，占據(jù)了機(jī)械加工領(lǐng)域的90%以上[1]。為了降低切削加工過程中刀具的溫度、延長切削所用刀具壽命，達(dá)到工件質(zhì)量更好和加工效率更高的目的[2]。隨著機(jī)加工行業(yè)中切削液的大量使用，雖然工件質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到了提高，但是隨之而來的的負(fù)面問題也越來越多。主要有幾個(gè)方面，產(chǎn)品成本增加，由于加工過程中需要大量的澆注切削液，一般情況下其流量可以達(dá)（80～100）L/min，在產(chǎn)品的總成本中約占17%，據(jù)研究表明，刀具費(fèi)用占總成本的4%，切削液所耗的費(fèi)用是刀具所耗費(fèi)用的4倍[3]；浪費(fèi)，磨削、切削以及鑄鍛造是當(dāng)今世界機(jī)械制造領(lǐng)域的三大主要工藝，在這三大工藝中切削工藝占據(jù)的比例為（30～40）%，是其中最高的一項(xiàng)[4]。然而，在金屬切削加工過程中，工件與刀具的接觸區(qū)域只有小部分面積，而采用的用于冷卻和潤滑的金屬切削液通常下是通過低壓泵不斷地澆注在工件和刀具的表面，切削液只有少部分能夠發(fā)揮作用，此外，切削液處理技術(shù)以及回收再利用技術(shù)還不夠科學(xué)、規(guī)范，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)；對生態(tài)環(huán)境造成污染，在上個(gè)世紀(jì)，為了加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對保護(hù)環(huán)境的意識相對較弱，切削廢液都是未經(jīng)過處理直接排放到自然中，為了達(dá)到防腐、清潔、除銹、提高工件質(zhì)量等目的，往往要在切削液中加入極壓添加劑和防腐劑，例如，硫、磷、氯等化學(xué)物質(zhì)。如果將這些化學(xué)物質(zhì)大量的排入江河湖泊，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水資源污染[5]。由于傳統(tǒng)切削液存在很多負(fù)面效果和消極影響，已經(jīng)不能適應(yīng)未來時(shí)代的發(fā)展需求，為了適應(yīng)時(shí)代的需求和未來的發(fā)展需求，綠色制造技術(shù)已經(jīng)成為機(jī)械制造業(yè)的核心競爭力，發(fā)展綠色制造技術(shù)就是把握了時(shí)代的脈搏[6]。

OoW切削液作為一種新型綠色切削液，能夠有效的降低污染、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源[7]。研究其切削加工性能對該技術(shù)的推廣發(fā)展有重要意義。切削力的分析對研究切削液的冷卻潤滑機(jī)理以及制定合理的切削用量有著重要作用，盡管切削力的影響因素很多，但是，切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量）則是最為重要的因素[8]。國內(nèi)外很多學(xué)者自切削力以及最優(yōu)切削參數(shù)方向進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)銑削AISI O2冷作工具鋼，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對表面粗糙度和銑削力的影響最大，并得到了工件的最佳銑削參數(shù)。文獻(xiàn)[10]采用田口實(shí)驗(yàn)方法干切削調(diào)質(zhì)的40Cr鋼，發(fā)現(xiàn)背吃刀量和進(jìn)給量的改變對切削力的影響最大。

2 實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)材料為45#鋼，基本尺寸為φ50mm×500mm；刀具材料為硬質(zhì)合金YNG151C，幾何參數(shù)：前角γ0=12°，后角α0=8°，主偏角kr=75°，刃傾角γ=0°。采用油膜附水滴切削液潤滑，油、水及壓縮空氣壓力為 0.5MPa、0.8MPa、2MPa，油流量 10ml/h，油水流量比 1:30，壓縮空氣流量100L/min。以切削力（F）為性能評價(jià)指標(biāo)。采用瑞士奇士樂KISTLER-9272型四分力車削測力儀檢測切削力，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)設(shè)定，如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

圖1 車削測力儀Fig.1 Turning Force Measuring Instrument

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定Tab.1 Experiment Parameter Setting

表2 田口實(shí)驗(yàn)正交表Tab.2 Orthogonal Test Table

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過正交表進(jìn)行科學(xué)合理的安排實(shí)驗(yàn)因素，然后根據(jù)測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算得出的信噪比（SN）的直觀分析，獲得各因素水平的最佳組合，得到最優(yōu)的或者比較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案以及切削參數(shù)，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信噪比（SN）的方差分析獲得各因素對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，即顯著性水平。本次試驗(yàn)通過L9（34）正交表規(guī)劃實(shí)驗(yàn)安排。本次試驗(yàn)以ap、f、Vc為影響因素。將切削力作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)加工中，希望加工過程中的切削力較小，所以在輸出特性中將望小特性作為SN比的輸出特性。

2.2.1 SN的定義

信噪比SN：

式中：η—信噪比；ps—信號的功率；pn—噪聲的功率。

2.2.2 SN比的常用輸出特性

望目特性：即希望實(shí)際輸出的指標(biāo)值能夠與設(shè)計(jì)值m基本一致或者越接近設(shè)計(jì)值越理想。假設(shè)測得指標(biāo)Y的輸出值為y1，y2，…，yn，即可求得 Y 的信噪比 η。σ2、μ2的估計(jì)值為：

望小特性：希望實(shí)際的指標(biāo)輸出越小越好。

假設(shè)測得指標(biāo)Y的輸出值為y1，y2，…，yn，即可求得Y的信噪比

望大特性：希望指標(biāo)實(shí)際輸出值越大越好。比如切削加工中的刀具使用壽命。望大特性的SN比為η：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 切削力的信噪比（S/N）

采用望小特性對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算結(jié)果，如表2所示。由表2可以計(jì)算出45鋼切削加工時(shí)參數(shù)水平對切削力F的S/N比的響應(yīng)，如表3所示。根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及應(yīng)用望小特性計(jì)算后得到的SN比，利用直觀分析法得出表3有關(guān)信噪比的均值響應(yīng)表。其中A、B、C分別代表響應(yīng)因素ap、f和V，表中數(shù)值為各因素對應(yīng)水平的信噪比的平均值。Delta為SN比的極差值。極差值反映因素的重要程度，極差值越大表明該因素對指標(biāo)的影響越大越重要，極差值小表明該因素的改變對指標(biāo)的影響越小。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，其中A因素即切削深度對切削力的影響最大，B因素即進(jìn)給量的改變對切削力的影響次之，最后是C因素，即切削速度對切削力的影響在三者中最不重要。根據(jù)田口分析法，信噪比越高，輸出的性能評價(jià)指標(biāo)就越優(yōu)。A因素在1水平下信噪比均值最小，B因素在1水平下信噪比均值最小，C因素在3水平下信噪比均值最小，可以得到使切削力最小時(shí)最優(yōu)切削參數(shù)組合為A1B1C3，即當(dāng) ap=0.6 mm，f＝0.08 mm/r，V=120m/min 時(shí)。

表3 F的信噪比響應(yīng)表Tab.3 F Signal to Noise Ratio

3.2 方差分析法

利用直觀分析法，通過綜合比較，我們得出了本次試驗(yàn)中的最優(yōu)切削參數(shù)，最優(yōu)的生產(chǎn)條件。但是直觀分析無法分析導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果間存在差異的原因，采用方差分析法將因子水平的變化引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異與誤差的波動(dòng)引起的試驗(yàn)結(jié)果間差異區(qū)分開來。

一般條件下，設(shè)因素X的F比為Fx：

當(dāng)F0．01（n1，n2）＞Fx＞F0．05（n1n2）時(shí)，說明該因子水平的改變，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著顯著性的影響；

當(dāng)F0．05（n1，n2）＞Fx＞F0．1（n1n2）時(shí)，說明該因子水平的改變，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。

Fap=900．47＞F0．01（2，2）=99．0，背吃刀量對切削力有著高度顯著性影響；

Ff=437．22＞F0．01（2，2）=99．0，進(jìn)給量對切削力有著高度顯著性影響；

F0．05（2，2）=99．0＞FV=79．64＞F0．05（2，2）=19．0，所以切削速度對切削力的改變有著顯著性影響。

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，可以判斷因素對實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果的顯著性作用。對表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果，如表4所示。

表4 切削力方差分析Tab.4 Analysis of Variance of Cutting Force

4 最優(yōu)切削參數(shù)的預(yù)測與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)對表3信噪比均值響應(yīng)表的分析結(jié)果，最優(yōu)的切削參數(shù)為A1B1C3。然而這一數(shù)據(jù)并沒有在進(jìn)行的9組實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)以下公式進(jìn)行預(yù)測，并對最優(yōu)切削參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

η=-46．2-46．5-46．9+2×47．7=-44．2

根據(jù)望小特性計(jì)算式（1）求得最優(yōu)切削條件下的切削力為162．1N。

通過在A1B1C3這組參數(shù)下，采用OoW潤滑液進(jìn)行切削試驗(yàn)驗(yàn)證，測得切削力為148．6N。

5 結(jié)論

通過建立田口方法正交實(shí)驗(yàn)表并進(jìn)行對應(yīng)的正交實(shí)驗(yàn)，對切削過程中的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過對信噪比均值的極差分析，得出切削深度對切削力的影響最大，其次是進(jìn)給量，最后是切削速度；

（2）方差分析表明，較小的切削深度和進(jìn)給量以及較高的切削速度能夠有效的降低切削力；

（3）切削力的最優(yōu)切削參數(shù)水平為A1B1C3，切深0．6mm，進(jìn)給量 0．08mm/r，轉(zhuǎn)速 120m/min，在此條件下測得切削力為 148．6N。

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