基于正交設(shè)計(jì)的螺紋徑向中徑差分析

任杰，李婷婷，孟宇，張銳，閆獻(xiàn)國(guó)

1太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2山西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院

1 引言

螺紋連接由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠和裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于能源、航空航天、高鐵、汽車制造和建筑等領(lǐng)域[1-3]。劣質(zhì)螺紋會(huì)降低產(chǎn)品性能，甚至造成嚴(yán)重的安全隱患[4，5]。為了提高螺紋加工質(zhì)量，一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Khorasani A.M.等[6]研究表明，在高速銑削加工中，降低進(jìn)給率和提高切削速度可以提高螺紋表面質(zhì)量。查正衛(wèi)[7]通過試驗(yàn)證明，提高主軸轉(zhuǎn)速可以有效降低車削螺紋的表面粗糙度。這些研究關(guān)注的重點(diǎn)是螺紋表面質(zhì)量，但很多情況下僅通過表面質(zhì)量不能有效評(píng)價(jià)螺紋性能。

隨著螺紋質(zhì)量檢測(cè)體系的建立[8]，徑向中徑差作為重要的評(píng)價(jià)參數(shù)之一越來(lái)越受到人們的重視。徑向中徑差是一種幾何誤差，指一個(gè)導(dǎo)程長(zhǎng)度內(nèi)，螺紋各徑向中徑間的最大差值(見圖1)。在實(shí)際操作中，由于各種原因，會(huì)使實(shí)際中徑偏離理想中徑，從而產(chǎn)生徑向中徑差。由于螺紋徑向中徑差的存在會(huì)使內(nèi)外螺紋間接觸面積急劇變化，導(dǎo)致螺紋表面載荷分布不均勻，從而加快磨損，縮短使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生“松曠”甚至“滑扣”。

內(nèi)螺紋作為螺紋連接的重要組成部分，幾乎存在于所有機(jī)械零件中[9]。攻絲是制造小直徑內(nèi)螺紋的唯一方法[10]，通常處于制造過程的最后階段，任何的加工失敗或精度降低都不能實(shí)現(xiàn)組件無(wú)縫隙的完美裝配，甚至導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失[11，12]。因此，為了控制內(nèi)螺紋的加工質(zhì)量和提高機(jī)械產(chǎn)品的性能，有必要分析各因素對(duì)徑向中徑差的影響，并確定最佳的參數(shù)組合[13]。

圖1 徑向中徑差

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠高效處理多因素問題，在加工制造領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。Ahmed S.等[14]基于正交車削試驗(yàn)研究了鈍圓半徑、切削深度和進(jìn)給速度對(duì)表面粗糙度的影響，證實(shí)了鈍圓半徑是影響表面粗糙度的最大因素。Al Kandary M.等[15]通過正交試驗(yàn)分析了Al-Si合金基納米復(fù)合材料在傳統(tǒng)車削加工中的切削性能，獲得了使零件圓度誤差最優(yōu)的切削速度、前角和進(jìn)給速度組合。胡賢金等[16]基于數(shù)值模擬正交試驗(yàn)優(yōu)化了切削工藝，提升了高性能絲錐的設(shè)計(jì)制造水平。本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究攻絲加工中鈍圓半徑、主軸轉(zhuǎn)速和切削錐長(zhǎng)度對(duì)螺紋徑向中徑差的影響，通過極差分析和方差分析分別確定了最優(yōu)參數(shù)組合和各因素對(duì)響應(yīng)影響的重要性。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)使用的工件材料為Al7075。Al7075屬于冷處理鍛壓合金，強(qiáng)度高，機(jī)械性能好，非常適合于航空航天和船舶制造，其具體成分見表1。工件為200mm×200mm×15mm的板料，板料上攻絲底孔的直徑為6.8mm。

表1 Al7075合金的化學(xué)成分 (wt.%)

采用哈申鋅生產(chǎn)的高速鋼直槽絲錐，具有4個(gè)螺距和2個(gè)螺距兩種不同的切削錐長(zhǎng)度(見圖2a)。攻絲時(shí)，使用ERG32筒夾式攻絲夾頭和BT40浮動(dòng)刀柄將直槽絲錐安裝在功率為11kW的VMC850立式加工中心上(見圖2b)。絲錐的基本幾何參數(shù)見表2。

表2 絲錐的基本幾何參數(shù)

(a)

2.2 鈍圓半徑的制備

鈍圓半徑制備方法較多，如磨削鈍化、磨料噴射鈍化、激光鈍化和電解鈍化等，但只有電解鈍化適用于復(fù)雜刀具，因此采用該工藝進(jìn)行絲錐鈍圓半徑制備。電解鈍化是陽(yáng)極膜效應(yīng)和尖端效應(yīng)共同作用的結(jié)果[17]。刀具周圍包裹著厚度不一的高阻陽(yáng)極膜(見圖3a)，由于尖端效應(yīng)，刃口部位的膜層薄且電流大，導(dǎo)致大量材料被快速溶解而逐漸變圓。圖3b是電解鈍化設(shè)備，具體參數(shù)見表3。

圖3 電解鈍化原理和設(shè)備

表3 電解鈍化設(shè)備參數(shù)

電解鈍化時(shí)，絲錐連接到電源陽(yáng)極，選擇石墨板作為陰極。試驗(yàn)條件：電解電源為24V直流電源，電解電流為3A，主軸轉(zhuǎn)速為180r/min，電解液為裝甲兵工程學(xué)院的2號(hào)活化液，電解液溫度為25℃。試驗(yàn)中采用改變電解電量的方法制備不同尺寸的鈍圓半徑，具體參數(shù)見表4。

表4 鈍圓半徑制備參數(shù)

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是從全面試驗(yàn)中選出一些代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，有效減少了試驗(yàn)次數(shù)，是一種高效、快速且經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)中主要分析鈍圓半徑、主軸轉(zhuǎn)速和切削錐長(zhǎng)度三個(gè)因素對(duì)徑向中徑差的影響。根據(jù)實(shí)際情況，分別對(duì)三個(gè)因素選取不同的水平數(shù)，具體取值見表5。由于試驗(yàn)中各因素的水平不同，且不考慮各因素間的交互作用，因此選用L18混水平正交表來(lái)安排試驗(yàn)。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表

2.4 徑向中徑差的測(cè)量

攻絲試驗(yàn)后，使用愛德蒙得GJ-5S型內(nèi)螺紋測(cè)量?jī)x測(cè)量螺紋孔的徑向中徑差(見圖4)，測(cè)試溫度為20℃±1℃。測(cè)量時(shí)，使用單一中徑測(cè)頭每隔30°測(cè)量一次中徑值，每個(gè)螺紋孔測(cè)量前3個(gè)完整螺紋。測(cè)量完成后，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)確定螺紋徑向中徑差，具體確定方法為：找到每個(gè)完整螺紋在徑向位置的最大中徑和最小中徑，再由最大中徑和最小中徑的差值確定每個(gè)螺紋的徑向中徑差，徑向中徑差的結(jié)果取每孔3個(gè)完整螺紋的平均值。

圖4 內(nèi)螺紋測(cè)量?jī)x

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照正交試驗(yàn)表列出的方案進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)上述方法測(cè)量?jī)?nèi)螺紋的徑向中徑差。試驗(yàn)的具體方案及結(jié)果見表6。

3.1 極差分析

在極差分析時(shí)，通過極差R判斷各因素對(duì)徑向中徑差影響的主次順序，R越大，因素對(duì)徑向中徑差的影響也就越大；由水平均值K獲取最小徑向中徑差的參數(shù)組合，各因素中K最小的水平為最佳水平。由于各因素的水平數(shù)不同，因此需要采用一個(gè)系數(shù)對(duì)極差R進(jìn)行折算后才能比較。

表6 正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

極差折算公式為

式中，R′為折算后的極差；d為折算系數(shù)(水平數(shù)為2時(shí)，d=0.71；水平數(shù)為3時(shí)，d=0.52)；r為各因素每個(gè)水平重復(fù)次數(shù)。

由表7中折算后的極差R′可以判斷，影響螺紋徑向中徑差的各因素主次順序是：因素B>因素A>因素C。通過比較水平均值K，確定螺紋徑向中徑差最小的參數(shù)組合為：鈍圓半徑10μm，主軸轉(zhuǎn)速為150r/min，切削錐長(zhǎng)度為2個(gè)螺距。

表7 極差分析結(jié)果

為了能夠更加直觀地反映各因素對(duì)徑向中徑差的影響規(guī)律和趨勢(shì)，繪制了各因素水平均值與徑向中徑差的關(guān)系圖(見圖5)。由圖可見，鈍圓半徑對(duì)徑向中徑差的影響呈先減小后增大的趨勢(shì)，在鈍圓半徑為10μm時(shí)獲得的徑向中徑差最小，這可能是由于鈍化減少了刃口缺陷，使刀具振幅減小所致。主軸轉(zhuǎn)速增大，徑向中徑差呈先增大后減小的趨勢(shì)，原因可能是當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，參與切削的切削刃迅速增加，導(dǎo)致阻尼迅速增大，振幅減小。同時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速的提高也會(huì)導(dǎo)致阻尼變化率的降低，所以較高的轉(zhuǎn)速會(huì)抑制振幅的降低。隨著切削錐長(zhǎng)度的增加，徑向中徑差減小。分析原因后認(rèn)為是參與切削的切削刃減少，使絲錐的振動(dòng)幅度增加較少所致。

圖5 徑向中徑差的變化趨勢(shì)

3.2 方差分析

雖然極差分析確定了試驗(yàn)中各因素的主次順序和最優(yōu)參數(shù)組合，卻無(wú)法判斷各因素對(duì)徑向中徑差影響的顯著性。方差分析是通過比較因素的F值與臨界值間的大小關(guān)系來(lái)分析因素的顯著性。具體的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：F>F0.01(n1，n2)，極顯著***；F0.05(n1，n2)

對(duì)表6中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，其結(jié)果見表8。由表中數(shù)據(jù)分析可知，因素B(主軸轉(zhuǎn)速)對(duì)徑向中徑差的影響極為顯著，而因素A(鈍圓半徑)對(duì)徑向中徑差也有較顯著影響。

表8 方差分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析了鈍圓半徑、主軸轉(zhuǎn)速和切削錐長(zhǎng)度三個(gè)因素對(duì)徑向中徑差的影響，并通過極差分析法和方差分析法確定了最小徑向中徑差的參數(shù)組合和各因素對(duì)徑向中徑差影響的顯著性。具體的研究結(jié)論如下：

(1)影響螺紋徑向中徑差各因素的主次順序依次是：主軸轉(zhuǎn)速>鈍圓半徑>切削錐長(zhǎng)度。

(2)螺紋徑向中徑差最小的參數(shù)組合為：鈍圓半徑10μm、主軸轉(zhuǎn)速150r/min和切削錐長(zhǎng)度2個(gè)螺距。

(3)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)徑向中徑差有極為顯著的影響，鈍圓半徑的影響也較為顯著，而切削錐長(zhǎng)度的影響并不明顯。