ZK514型卷筒制動(dòng)盤表面切削參數(shù)優(yōu)化研究

張南洋

(江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

0 引言

圖1是常州某公司QE型雙梁橋式起重機(jī)上的ZK514型卷筒制動(dòng)盤，作為安全制動(dòng)器的制動(dòng)盤使用，在同類型中屬于中批量生產(chǎn)對(duì)象，直徑為910 mm，切削用時(shí)約6 h，其中車削加工占70%，磨削占30%。車削參數(shù)的選用往往依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取，導(dǎo)致刀具過(guò)早磨損或不能充分發(fā)揮機(jī)床和刀具的生產(chǎn)潛力，從而生產(chǎn)效率較低[1]。

圖1 ZK514型卷筒制動(dòng)盤

1 卷筒制動(dòng)盤正交回歸試驗(yàn)分析試驗(yàn)研究

無(wú)論是試制一種新產(chǎn)品還是改革一項(xiàng)舊工藝，都要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)摸索。正交試驗(yàn)法是通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的“正交表”來(lái)安排試驗(yàn)[2]。結(jié)合單因素試驗(yàn)的結(jié)論，在刀具和材料都固定的情況下，本試驗(yàn)選用L9(34)正交表進(jìn)行正交多項(xiàng)式回歸試驗(yàn)。A、B、C分別代表主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度以及背吃刀量，因素水平表如表1所示。

表1 試驗(yàn)各因子水平

利用表1提供的數(shù)據(jù)源安排正交表L9(34)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，其中Tm代表切削時(shí)間。為進(jìn)一步分析各切削用量對(duì)制動(dòng)盤表面粗糙度的影響關(guān)系，得出結(jié)果分析表，如表3所示。

表2 試驗(yàn)各因子的水平

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

由表2、表3可知，切削用量彼此之間相互制約而又相互關(guān)聯(lián)，不同切削用量組合，得到不同制動(dòng)盤表面粗糙度值。當(dāng)切削用量數(shù)值的范圍確定后，制動(dòng)盤表面粗糙度數(shù)值整體變化不大。另外通過(guò)對(duì)極差分析結(jié)果可知，背吃刀量對(duì)制動(dòng)盤表面粗糙度影響最小，進(jìn)給量的影響最大。增大進(jìn)給量，制動(dòng)盤表面粗糙度增大，表面質(zhì)量降低，切削時(shí)間減少；降低切削速度，切削時(shí)間增多，制動(dòng)盤表面粗糙度增大，表面質(zhì)量降低。這也是制動(dòng)盤生產(chǎn)中，生產(chǎn)效率與加工質(zhì)量之間存在矛盾的原因之一。

2 制動(dòng)盤表面粗糙度回歸模型的建立

在制動(dòng)盤加工中,影響制動(dòng)盤表面粗糙度的因素很多。各因素對(duì)制動(dòng)盤表面粗糙度影響各不相同，彼此間還相互影響，很難構(gòu)建解析計(jì)算模型?；貧w分析方法的引入，不僅可以揭示切削用量對(duì)制動(dòng)盤表面粗糙度的影響規(guī)律，也可以在零件切削加工前，通過(guò)回歸方程對(duì)制動(dòng)盤表面粗糙度進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。根據(jù)文獻(xiàn)研究，制動(dòng)盤表面粗糙度與切削用量存在指數(shù)關(guān)系[3]，參照表2回歸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，借助Microsoft Office Excel 2007回歸分析功能進(jìn)行求解。參數(shù)加載完畢后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成3張表，其中，第3張表是“回歸參數(shù)”，如表4所示。

表4 回歸參數(shù)

由表4可得，估算的回歸方程即制動(dòng)盤表面粗糙度與切削用量的函數(shù)關(guān)系式，如公式(1)所示。

(1)

其中：vC、fn、ap分別代表切削速度、進(jìn)給速度和背吃力量。

3 制動(dòng)盤切削參數(shù)優(yōu)化分析

最優(yōu)化技術(shù)需要數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化方法，采用響應(yīng)曲面法(也稱回歸設(shè)計(jì))可對(duì)通過(guò)多元回歸法建立的制動(dòng)盤表面粗糙度模型和金屬去除率模型進(jìn)行響應(yīng)分析，從而確定最優(yōu)區(qū)域，該方法可直觀地獲取到最佳響應(yīng)值進(jìn)而獲取到切削用量的最優(yōu)值[4]。

通過(guò)對(duì)公式(1)表面粗糙度回歸模型的分析，在MATLAB軟件中，得出各自變量和因變量之間的響應(yīng)曲面以及相應(yīng)等值線圖。進(jìn)一步分析各切削用量與制動(dòng)盤表面粗糙度的關(guān)系，該模型的適應(yīng)條件如表5所示。

表5 獨(dú)立變量的范圍

采用surf(x1,x2,y)函數(shù)，得到3個(gè)獨(dú)立變量彼此之間與制動(dòng)盤表面粗糙度之間的響應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 切削用量(vC、fn)與制動(dòng)盤表面粗糙度Ra之間的關(guān)系(ap=1 mm)

在本文中，目標(biāo)函數(shù)就是由制動(dòng)盤表面表面粗糙度和制動(dòng)盤生產(chǎn)率兩個(gè)函數(shù)組成，材料去除率表示單位時(shí)間內(nèi)材料的去除量，單位為cm3/min。因此，對(duì)于制動(dòng)盤加工與車削加工中切削用量的關(guān)系式，如公式(2)所示。

Q=vc×fn×ap

(2)

依據(jù)切削用量粗加工中選擇原則以及切削用量的選取范圍，把背吃刀量作為已知量，利用MATLAB軟件結(jié)合公式(1)和公式(2)編制優(yōu)化程序，得出制動(dòng)盤表面粗糙度和制動(dòng)盤材料去除率的等值線，如圖3所示。

圖3 制動(dòng)盤表面粗糙度Ra與材料去除率Q的等高線圖

D、H點(diǎn)是Ra=14 μm時(shí)分別與等高線Q=20 cm3/min和Q=30 cm3/min相交點(diǎn)，這表明使用兩組參數(shù)在制動(dòng)盤加工中都能獲得相同的Ra，但明顯H點(diǎn)的材料去除率要比D點(diǎn)的材料去除率高，即生產(chǎn)效率高，即H點(diǎn)的切削參數(shù)優(yōu)于D點(diǎn)的切削參數(shù)組合。

針對(duì)該企業(yè)目前對(duì)卷筒制動(dòng)盤粗加工后零件表面粗糙度控制在12 μm內(nèi)、盡可能提高零件生產(chǎn)效率這一要求，結(jié)合圖3可得出最優(yōu)的一組切削參數(shù)組合是N點(diǎn),所對(duì)應(yīng)的切削用量分別為切削速度vc=156 m/min，進(jìn)給量fn=0.26 mm/r，背吃刀量ap=1 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行驗(yàn)證加工，采用優(yōu)化后的切削參數(shù)組合與經(jīng)驗(yàn)切削參數(shù)比較，在保證最低制動(dòng)盤表面粗糙度的情況下，均能不同程度提高材料去除率，縮短切削時(shí)間。這也驗(yàn)證了本文在制動(dòng)盤切削加工中對(duì)切削參數(shù)的優(yōu)化是可行的，能在保證最低制動(dòng)盤表面粗糙度質(zhì)量的同時(shí)，降低切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。