基于田口設(shè)計(jì)法的數(shù)控銑削加工參數(shù)優(yōu)化

王愛華，舒 克

(武漢大學(xué) 大學(xué)生工程訓(xùn)練與創(chuàng)新實(shí)踐中心,湖北 武漢 430072)

作為基本的加工工藝,銑削是機(jī)械加工和工業(yè)生產(chǎn)中使用最為廣泛的金屬去除工藝之一。相比于傳統(tǒng)的銑削加工,數(shù)控銑削在加工精度、效率和成本等方面的優(yōu)勢明顯,已成為現(xiàn)代加工制造技術(shù)的重要組成部分。銑削表面主要用于模具、航空航天、汽車和機(jī)械制造行業(yè)中其他部件之間的配合[1-3]。表面粗糙度是衡量產(chǎn)品銑削質(zhì)量的重要指標(biāo),也是影響制造成本極為重要的因素。由于影響產(chǎn)品表面粗糙度的機(jī)理易變、復(fù)雜且依賴于工藝,通過理論分析進(jìn)行計(jì)算非常困難。因此,機(jī)床操作員通常使用 “試驗(yàn)法”來設(shè)置銑床切削條件,通過不斷地嘗試來獲得產(chǎn)品所需的表面粗糙度。然而,“試驗(yàn)法”是一個不斷重復(fù)以積累經(jīng)驗(yàn)的過程,不僅耗時長、效率低,還會極大地增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

針對這一難題,日本的田口玄一博士提出田口優(yōu)化設(shè)計(jì)法,以適應(yīng)機(jī)械加工過程中普遍存在的動態(tài)性,從而能夠在低成本的條件下生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。田口法是提高加工質(zhì)量的一種低成本、高效益的優(yōu)化方法,它強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品質(zhì)量的提升是通過設(shè)計(jì)而不是通過試驗(yàn)[4]。

本文在考慮銑削過程中刀具磨損與環(huán)境溫度的因素下,以6062鋁合金為銑削工件,基于田口法研究切削深度、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速三個主要參數(shù)對銑削后的工件表面粗糙度的影響,并確定優(yōu)化加工參數(shù),以獲得該條件下的最小表面粗糙度值。

1 田口優(yōu)化設(shè)計(jì)法

1.1 田口法的步驟

田口法的步驟如圖1所示,其完整流程可分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)三個階段[5]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)指的是對整個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體設(shè)計(jì),主要由專業(yè)的技術(shù)人員完成；參數(shù)設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)中各個參數(shù)的選擇,使產(chǎn)品的性能既能達(dá)到目標(biāo)值,又能使它在各種條件下波動小、敏感度低、穩(wěn)定性好；容差設(shè)計(jì)指的是選取合適的公差使得產(chǎn)品性能接近目標(biāo)值。

圖1 田口法的實(shí)驗(yàn)步驟

在這三個設(shè)計(jì)階段中,參數(shù)設(shè)計(jì)是最重要的階段。參數(shù)設(shè)計(jì)階段要求確定制造過程中影響質(zhì)量特性的因素。此階段的主要目標(biāo)是確定產(chǎn)生最小表面粗糙度值的最佳切削條件。參數(shù)設(shè)計(jì)過程包含的步驟為:1)根據(jù)可控因素(參數(shù))的數(shù)量選擇適當(dāng)?shù)恼魂嚵?OA)；2)基于OA運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析；4)確定最佳工藝條件,并以所有參數(shù)的最佳條件進(jìn)行運(yùn)行[6-10]。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過程主要圍繞銑削加工參數(shù)的設(shè)計(jì)完成。

1.2 控制因子與噪聲因子

在田口優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中,影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素分為控制因子與噪聲因子[10-13]。對于數(shù)控銑削加工,可控因子指的是人為選定的系統(tǒng)切削參數(shù),如進(jìn)給速率、切削深度及主軸轉(zhuǎn)速等。噪聲因子指的是一些環(huán)境因素與人為的偶然因素[7]。它們都能在不同程度上影響切削效果,控制因子體現(xiàn)的是不同的控制參數(shù)對結(jié)果的影響,而噪聲因子則體現(xiàn)的是不同的環(huán)境變量對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。本文以切削深度、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速為控制因子,以刀具磨損和環(huán)境溫度為噪聲因子,研究數(shù)控銑削主要工作參數(shù)對工件表面粗糙度的影響特征。

2 田口優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 正交矩陣和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

田口算法的第一步是選擇一個正確的正交矩陣,本次實(shí)驗(yàn)使用了一個標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)正交矩陣。表1中給出一個L9(34)正交矩陣,這個基礎(chǔ)的矩陣分為3級,使用了4個控制因子[2]。實(shí)驗(yàn)一共分9組進(jìn)行,使用表1給出的每個控制因子(A～D)的等級組合。附加的噪聲因子是可選擇的,每次都要對每個干擾因子的組合運(yùn)行一次。本次實(shí)驗(yàn)僅考慮了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、切削深度三個控制因子。

表1 基本田口算法矩陣L9(3 4)

表2給出了實(shí)驗(yàn)所涉及的噪聲因子配置水平。表2中的影響因子是車間中的不可控變量,它可能影響銑削產(chǎn)品的表面粗糙度。溫度變化范圍包括正常常溫車間(18.3～23.9℃)和高溫車間(35～37.8℃)。常溫車間溫度的正常波動取決于供熱方式與空調(diào)系統(tǒng)開關(guān),或者取決于普通室溫。高溫區(qū)域是一些沒有制冷系統(tǒng)的加工車間所在區(qū)域。第二個影響因子是使用優(yōu)質(zhì)刀具或磨損量很少的刀具,刀具磨損是引入的加工變量。

通常情況下,刀具磨損過程分為初期磨損、正常磨損與急劇磨損三個階段。初期磨損階段很短,為刀具的磨合期,此階段對工件表面粗糙度的影響取決于刀具生產(chǎn)質(zhì)量,在此不予考慮；正常磨損階段是刀具的有效工作階段,磨損速度小,但隨著磨損的增加,其表面加工質(zhì)量會逐步惡化；急劇磨損階段的刀具對表面粗糙度的影響極大,在進(jìn)入此階段之前必須更換刀具。根據(jù)車間實(shí)際生產(chǎn)條件,取正常磨損階段的刀具,根據(jù)其磨損情況將其定義為無磨損和輕微磨損。

表2 噪聲因子水平配置表

表3顯示的是實(shí)驗(yàn)所選的控制因子,控制因子是數(shù)控銑削中的基本控制參數(shù)。主軸轉(zhuǎn)速和切割深度從6062鋁合金板精加工和半精加工銑削參數(shù)的范圍內(nèi)選出。出于安全考慮,進(jìn)給速率取值比該工件正常銑削加工時的值略低。

表3 控制因子水平配置表

噪聲因子和控制因子是自變量,響應(yīng)因子即表面粗糙度是因變量。

利用表1中的基本正交矩陣與表2、表3中的可選參數(shù)得到表4中所示的簡化正交矩陣。由于陣列中規(guī)定的所有9種切削條件都有4種噪聲因子組合(常溫?zé)o磨損、常溫輕微磨損、高溫?zé)o磨損、高溫輕微磨損),因此實(shí)驗(yàn)的總次數(shù)為36次。

2.2 正交矩陣和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采用的是華亞YHC850A型數(shù)控加工中心,最大主軸轉(zhuǎn)速為8 000 r/min,定位精度為0.01 mm。刀具采用φ8 mm硬質(zhì)合金4齒球頭銑刀,銑削方式為順銑。

采用Honeywell數(shù)字陶瓷加熱器控制環(huán)境溫度,并用Taylor數(shù)字溫度計(jì)監(jiān)測加工過程中的環(huán)境溫度。加熱器功率為1 500 W,并帶有恒溫器和熱保護(hù)裝置。采用小型研磨機(jī)研磨銑刀,使其輕微磨損。表面粗糙度采用Hommel-Etamic T800RC粗糙度測試儀,分辨率為1 nm,測量范圍為0.1μm～120 mm。表面粗糙度評定參數(shù)選用輪廓算術(shù)平均偏差Ra,在銑削后的表面任意選取3個點(diǎn)測粗糙度,并以3個點(diǎn)粗糙度的平均值衡量加工表面的質(zhì)量。如圖2所示,加工面為鋁板端面,并于所加工端面上取點(diǎn)測量。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示,共包含9組實(shí)驗(yàn),每組分4個因素分別實(shí)驗(yàn),共36次。基于田口方法,對各組實(shí)驗(yàn)值加權(quán)求和可得每組實(shí)驗(yàn)的。其中的大小體現(xiàn)了在每組控制因子(銑削參數(shù))下系統(tǒng)的響應(yīng)值(表面粗糙度)大小。由此可見,在不同控制因子的銑削條件下,所得加工效果是不一樣的,存在差異性的同時,也存在著最優(yōu)化的銑削參數(shù)。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

由于本實(shí)驗(yàn)還考慮了刀具磨損與溫度升高情況對表面粗糙度的影響,因此使用信噪比對此影響進(jìn)行定量表征。不同的銑削參數(shù)組合對于噪聲因子的抗干擾水平是不一樣的。

在田口法的工程實(shí)驗(yàn)中,對于表面粗糙度的最優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于望小特性 (smaller-the-better type characteristic)研究,其信噪比計(jì)算公式為:

式中,n為總的次數(shù),yi為第i次測得的表面粗糙度值。

信噪比的大小表示了產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中,產(chǎn)品受噪聲因素干擾的程度。其值越大,產(chǎn)品受噪聲干擾影響越小,產(chǎn)品質(zhì)量越好。在田口法設(shè)計(jì)中,有信噪比優(yōu)先的準(zhǔn)則,即當(dāng)目標(biāo)均值與信噪比分析結(jié)果相悖時,優(yōu)先考慮信噪比。

表5 與S/N極差表

表5 與S/N極差表

Ra S/N水平A B C A B C 1 1.68 1.16 1.17 -4.54 -2.01 -1.61 2 1.11 1.14 1.30 -1.36 -1.28 -2.78 3 1.07 1.56 1.38 -1.28 -3.88 -2.78極差 0.61 0.42 0.21 3.26 2.6 1.17排名 1 2 3 1 2 3

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對a及S/N影響圖

圖4 進(jìn)給速率對a及S/N影響圖

圖5 切削深度對a及S/N影響圖

4 最優(yōu)工作參數(shù)確定

通過對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,可得最優(yōu)的銑削參數(shù)組合為A3-B2-C1,即銑削參數(shù)按照:主軸轉(zhuǎn)速3 500 rpm,進(jìn)給速率762 mm/min,切削深度1.52 mm。

依據(jù)田口法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,使用最優(yōu)的銑削參數(shù)可以預(yù)測此參數(shù)條件下的表面粗糙度與信噪比。

表面粗糙度預(yù)測結(jié)果為:

信噪比預(yù)測結(jié)果為:

由預(yù)測結(jié)果可知,按照選取的最優(yōu)化切削參數(shù)進(jìn)行銑削操作,可得預(yù)測的表面粗糙度值為0.8μm,信噪比為0.61 dB。該預(yù)測值指的是在考慮刀具磨損與環(huán)境溫度的情況下,該系統(tǒng)能夠達(dá)到的最優(yōu)粗糙度值與信噪比值。

5 結(jié)束語

本文通過田口法研究了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率以及切削深度等參數(shù)對銑削表面粗糙度的影響。結(jié)果表明,各銑削參數(shù)對銑削表面粗糙度的影響程度先后順序?yàn)?主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速率＞切削深度；考慮刀具磨損與環(huán)境溫度升高等因素時,該銑削系統(tǒng)的最優(yōu)工作參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速3 500 rpm、進(jìn)給速率762 mm/min、切削深度1.52 mm；刀具磨損、環(huán)境溫度升高等條件對最優(yōu)銑削參數(shù)下的銑削表面粗糙度影響程度最?。辉撓到y(tǒng)考慮刀具磨損、環(huán)境溫度等因素時,能達(dá)到的最優(yōu)表面粗糙度預(yù)期值為0.8μm。