油膜附水滴切削液參數(shù)優(yōu)化研究

劉永姜，郭文軒，于婷，李俊杰，李江煥，張凱月

1中北大學(xué)機械工程學(xué)院；2中北大學(xué)德州研究生分院

1 引言

油膜附水滴(Oils on Water，OoW)冷卻潤滑技術(shù)是近年興起的一種綠色制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高速切削加工中[1]。油膜附水滴切削液是一種特殊的油—水—氣三相混合切削液，其作用機理是冷氣和水霧降低了切削熱對刀具和工件的影響，可降解油液在工件表面起到潤滑作用。在運輸和存儲階段，工件表面存在的可降解油液使工件具備較好的防銹性能。根據(jù)油膜附水滴切削液特性，可減少傳統(tǒng)加工后對工件的防銹處理步驟，降低單個工件加工時間，加快生產(chǎn)節(jié)拍，相較于傳統(tǒng)切削液具有原料便宜、無毒無害等優(yōu)點。關(guān)于Oow冷卻潤滑機理，李文舉[2]、高麗[3]做了較完備的研究。

參數(shù)優(yōu)化是目前的熱點課題之一，可解決實際生產(chǎn)中的不合理工藝參數(shù)，對企業(yè)實現(xiàn)精益生產(chǎn)有非常大的幫助。李聰波等[4]、Mvelchv S.等[5]分別采用粒子群算法和統(tǒng)計方法優(yōu)化切削參數(shù)。RSM是一種將試驗設(shè)計與數(shù)學(xué)統(tǒng)計相結(jié)合的響應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計方法，核心內(nèi)容是采用多項式函數(shù)來擬合實際工藝的變量-映射關(guān)系[6]。本文利用響應(yīng)面法(RSM)進(jìn)行OoW切削液參數(shù)優(yōu)化，借助Design-Expert軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到數(shù)據(jù)分析模型，并生成3D響應(yīng)面圖，清晰直觀地獲得各參數(shù)間的關(guān)系。不同的切削液生成參數(shù)會直接影響切削液的霧化，并間接影響生產(chǎn)質(zhì)量，故本文對OoW的生成參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)設(shè)計。

根據(jù)油膜附水滴切削液的特性，選取空氣壓力P、水流量Q1和油流量Q2作為變量，切削力F和表面粗糙度Ra作為響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行中心試驗。通過Design-Expert軟件對試驗所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立擬合模型，并由此得到各參數(shù)之間的相互影響關(guān)系，獲得油膜附水滴切削液的最優(yōu)參數(shù)組合。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料與方法

試驗中使用的油膜附水滴發(fā)生裝置為經(jīng)過數(shù)字化改造后的油膜附水滴切削液發(fā)生器。新的裝置基于PLC技術(shù)改造了原有發(fā)生裝置，重新設(shè)計油路、水路和氣路，在新的管路上增加壓力傳感器。在裝置內(nèi)部設(shè)計安裝PLC控制器，并在設(shè)備外殼上設(shè)計安裝上位機，以實現(xiàn)人機交互。根據(jù)實際加工需要開發(fā)相關(guān)控制軟件，實現(xiàn)對設(shè)備的控制，包括根據(jù)工廠實際生產(chǎn)節(jié)拍控制設(shè)備的工作與停止，根據(jù)加工參數(shù)調(diào)整生成噴霧的參數(shù)特性和比例，即實現(xiàn)對管路中比例閥開度的調(diào)節(jié)。裝置原理如圖1所示。

圖1 油膜附水滴發(fā)生裝置

由于油膜附水滴切削液噴霧的特殊性，在設(shè)計改造管路的過程中需充分考慮壓力對噴霧的影響，故在管道端口選用壓力流量傳感器和帶變頻器的液壓泵，選擇西門子公司生產(chǎn)的S7-1200作為本系統(tǒng)的控制器。上、下位機利用以太網(wǎng)進(jìn)行通信，通過傳感器實時獲取各管路中的壓力值并隨時調(diào)整，最終三路同時泵入多段式噴嘴中，在噴嘴中壓縮空氣將泵入的水和油打散，形成霧滴。

試驗材料選擇45鋼，其性能參數(shù)見表1。切削刀具選用PSBNR2020K12外圓車刀，機床采用C620-1臥式車床。采用Kistler9272測力儀測得切削過程中產(chǎn)生的切削力，經(jīng)過四通道信號放大器將信號傳輸至數(shù)據(jù)采集器，采用JB-5粗糙度輪廓測試儀測量表面粗糙度，利用設(shè)備的直線導(dǎo)軌進(jìn)行光柵影響采集，并搭建測試儀器與計算機的信息傳輸通道，將測試數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)接嬎銠C硬盤儲存，方便隨時調(diào)用。

表1 45鋼性能參數(shù)

2.2 試驗方案設(shè)計

試驗選取OoW切削液生成的三個重要指標(biāo)作為影響因子，即空氣壓力(A)、水流量 (B)、油流量(C)，選取切削力F和表面粗糙度Ra作為響應(yīng)指標(biāo)，依據(jù)以往單因素試驗和先期對OoW的相關(guān)試驗的基礎(chǔ)和經(jīng)驗，選取如表2所示各因素水平編碼。為了簡化表述，后文中三個因素變量分別用A、B、C對應(yīng)表示。設(shè)切削速度VC=100m/min，進(jìn)給量f=0.1mm/r，背吃刀量ap=0.4mm。

表2 油膜附水滴切削液參數(shù)因素編碼水平表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 模型的建立與顯著性檢驗

利用Design-Expert軟件設(shè)計開展20組中心試驗，試驗結(jié)果如表3所示。利用軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到關(guān)于切削力F和表面粗糙度Ra的分析結(jié)果和回歸模型，分別見表4和表5。分析結(jié)果的P值用于分析對象的顯著性，P<0.0001表示達(dá)到了極顯著水平。

表3 試驗方案設(shè)計與試驗結(jié)果

表4是切削力的方差分析。由表可知，該模型的F值為32.27，P<0.0001，表示該模型具有顯著性且R2=0.9667，接近1，相關(guān)性較好，信噪比Adeq Precision =18.187，大于4，可用于模擬?？諝鈮毫對切削力的影響極為顯著，A2，AC對于切削力的影響較為顯著；水流量B，油流量C，B2，C2對切削力影響不顯著。表中失擬項值為0.3382，表現(xiàn)為不顯著說明回歸方程具有可靠性。

回歸預(yù)測模型可表示為

F=211.59-6.70A+0.027B+0.33C+0.30AB+1.50AC-0.15BC+2.11A2-0.12B2+1.06C2 (1)

表5是對表面粗糙度的方差分析。由表可知，模型F值為6.42，P值小于0.0001，表示該模型具有顯著性且R2=0.9525，接近1，相關(guān)性較好，信噪比Adeq Precision=10.544，大于4，可用于模擬。氣壓A對表面粗糙度的影響極為顯著，C，AB對表面粗糙度的影響較為顯著；水流量B，油流量C，B2，AC，C2對于表面粗糙度的影響不顯著。

表5 表面粗糙度的方差分析

表中失擬項值為0.8336，表現(xiàn)為不顯著，說明回歸方程具有可靠性。回歸預(yù)測模型可表示為

Ra=2.58-0.17A+0.025B+6.700E-003C
+0.057AB+0.073AC-0.012BC
-0.034A2+0.030B2+8.914E-003C2

(2)

可靠性檢驗是RSM中不可或缺的部分，利用計算機在軟件中生成殘差圖。圖2和圖3分別表示切削力殘差和表面粗糙度殘差。圖中所有數(shù)據(jù)點均勻分布，進(jìn)一步證明了模型的可靠性。

圖2 切削力殘差

圖3 表面粗糙度殘差

3.2 響應(yīng)面與交互作用分析

基于切削力預(yù)測模型，空氣壓力與油流量的交互作用影響較為顯著，故導(dǎo)出分析空氣壓力與油流量的交互影響響應(yīng)面和攝動(見圖4)。分析上述響應(yīng)面結(jié)果可知，隨著空氣壓力A的增大，切削力數(shù)值減小，這是因為較高的氣壓可以在單位時間內(nèi)使更多的冷空氣作用于工件，有效減少切削熱對工件和刀具的降溫作用。隨著油流量C的增加，切削力緩慢增加。

圖4 空氣壓力與油流量影響切削力的響應(yīng)面和等高線

基于表面粗糙度預(yù)測模型，空氣壓力A與水流量B的交互作用影響較為顯著。故導(dǎo)出分析空氣壓力與油流量的交互影響響應(yīng)面和攝動(見圖5)。分析上述響應(yīng)面結(jié)果可知，隨著空氣壓力A的增大，切削力數(shù)值減小；隨著水流量B的增加，切削力緩慢增加。圖4和圖5中，等高線均表現(xiàn)為曲率較大，曲面下降，側(cè)面證明了預(yù)測模型中的交互影響結(jié)論的正確性。

圖5 空氣壓力和水流量對表面粗糙度影響的響應(yīng)面和等高線

3.3 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

利用Design-Expert軟件分析油膜附水滴切削液參數(shù)的二階曲面，通過分析進(jìn)行極值尋優(yōu)，設(shè)計尋優(yōu)切削力的表面粗糙度最小，得到最佳切削液參數(shù)組合為：空氣壓力0.40MPa，水流量1.00L/h，油流量60.80mL/h，得到切削力為205.61N，表面粗糙度為2.245μm。根據(jù)此切削液參數(shù)組合再次進(jìn)行實驗，得到切削力為206.13N，表面粗糙度為2.353μm。切削力的相對誤差為0.25%，表面粗糙度的相對誤差為4.8%。

4 結(jié)語

(1)利用Design-Expert軟件設(shè)計開展試驗，并對切削力和表面粗糙度建立了回歸模型。建立了回歸方程，并得出了空氣壓力、水流量、油流量的影響順序。

(2)利用響應(yīng)面尋優(yōu)得到：空氣壓力0.40MPa，水流量1.00L/h，油流量60.80mL/h為油膜附水滴切削液最優(yōu)參數(shù)組合。利用響應(yīng)面法對油膜附水滴切削液參數(shù)優(yōu)化較為準(zhǔn)確，具有參考價值，為油膜附水滴切削液的推廣應(yīng)用提供條件。