基于正交試驗的鈦合金葉輪切削參數優化

朱海兵 王傳洋

（1．江蘇省相城中等專業學校，江蘇 蘇州215131；2．蘇州大學，江蘇 蘇州215000）

0 引言

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。鈦合金具有強度高而密度小、機械性能好、韌性和抗蝕性能均很好的優點。但同時鈦合金也具有切削變形系數小、切削溫度高、冷硬現象嚴重、單位面積切削力大等不利于加工的缺點。由于材料在切削過程中影響因素較復雜，而且因素間又相互影響。因此，采用單因素法不能實現切削參數的優化。基于以上問題，本文應用了模糊數學的理論與方法，利用SPSS軟件來處理試驗數據。以加工表面粗糙度Ra值、后刀面磨損量VB和切削工時t為研究目標，為科學選擇相應切削參數提供最優方案。

1 正交試驗設計與結果

由于不同的切削速度v、刀尖圓弧r、進給量f和背吃刀量ap對切削質量均有影響，因此，要想全面考察各種要素來進行試驗的話，試驗規模會很大且難以實施。所以，本文采用四因素三水平的正交試驗方法，分析各因素的效應，尋求最優水平組合。具體正交試驗設計如圖1所示，正交試驗結果如圖2所示。

圖1 正交試驗設計

圖2 正交試驗結果

2 正交試驗結果分析

2．1 主效應分析

在多因素試驗研究中，主效應就是在考察一個自變量是否會對因變量的變化發生影響的時候，不考慮其他研究變量的變化，或者說將其他變量的變化效應平均掉。換句話說，就是其他研究變量都不變化的情況下，單獨考察一個自變量對因變量的變化效應。即一個因素的水平之間的平均數差異，稱為該因素的主效應。它表示了各因素在相應水平上對綜合評價值的影響程度。本試驗的主效應分析結果如表1所示。

表1 主效應分析結果

根據極差大小列出各指標下的因素主次順序，如表2所示。

表2 單指標主次及優化表

由表1、表2可知，對表面粗糙度的影響從主到次依次為刀尖圓弧、進給量、背吃刀量及切削速度，優化水平組合為：1．5 mm、60 m／min、0．1 mm／r、0．5 mm。對后刀面磨損的影響從主到次依次為進給量、背吃刀量、刀尖圓弧及切削速度，優化水平組合為：0．5 mm、50 m／min、0．1 mm／r、0．2 mm。對切削工時的影響從主到次依次為刀尖圓弧、背吃刀量、切削速度及進給 量，優 化 水 平 組 合 為：1．0 mm、50 m／min、0．2 mm／r、0．8 mm。由極差R值可知，對鈦合金切削過程的影響從主到次分別為：刀尖圓弧r、切削速度v、進給量f和背吃刀量ap。

2．2 兩兩因數交互作用分析

由于切削過程中待考核的切削參數的四因素各有三水平值，因此兩兩因素三水平之間有許多種搭配。以刀尖圓弧r和進給量f之間的交互作用為例，由最大隸屬度原則來考慮，（1．0，0．2）和（1．5，0．1）的組合為最佳。同樣可以計算出其他因素兩兩之間的最佳組合和隸屬度。從計算值中可知，刀尖圓弧r和背吃刀量ap的交互效應最大，其次是刀尖圓弧r與進給量f，背吃刀量ap和切削速度v的影響較小。

2．3 綜合平衡確定最優工藝條件

以上三指標單獨分析出的優化條件不一致，必須根據因素的影響主次，綜合考慮，確定最佳工藝條件。

如表3中數據所示，對于因素A（刀尖圓弧），其對表面粗糙度影響大小排第一位，此時取A3（1．5 mm）；其對切削工時影響也排第一位，取A2（1．0 mm）；而其對后刀面磨損影響排第三位，為次要因素。因此，A可取A2或A3，但取A2時，切削工時比取A3減小了14．8%，而表面粗糙度增加了12%，且由后刀面磨損指標來看，取A2比A3時的后刀面磨損值低，故A因素取A2。同理可分析B取B2，C取C1，D取D3。優化組合為A2B2C1D3，即1．0 mm、50 m／min、0．1 mm／r、0．8 mm。

表 3 A(刀尖圓弧)因素影響表

3 結論

由SPSS軟件提供的分析結果，可以得出以下結論：（1）4個試驗因素對鈦合金切削過程的影響從主到次分別為：刀尖圓弧、切削速度、進給量和背吃刀量。（2）綜合評價最優化的水平因素組合為：刀尖圓角半徑1．0 mm、切削速度50 m／min、進給量0．1 mm／r和背吃刀量0．8 mm。（3）通過SPSS軟件對多因素、多水平、多目標的鈦合金切削用量優化進行研究時，用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析，了解全面試驗的情況，能將復雜問題簡單化，有利于抓住影響切削質量的主要因素。同時，減少了試驗的工作量，能較為準確和迅速地得到優化的工藝條件，所以應用前景十分廣闊。

［1］杜金萍，王桂梅，高術振．XX－2不銹鋼切削參數模糊正交優化［J］．河北工程大學學報：自然科學版，2007（2）

［2］杜金萍．模糊正交法在GCr15鋼切削用量優化中的應用［J］．軸承，2007（3）