正交試驗法在光纖激光切割厚板中的應用

周鵬飛，崔 凱，陳 同

（江蘇揚力數控機床有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

光纖激光切割作為新興的激光切割技術，與傳統CO2激光切割相比，因其體積小、運行成本低及優越的中薄板加工性能，迅速被用戶接受。隨著市場需求不斷變化以及大功率光纖激光器技術的不斷完善，光纖激光切割在厚板切割上的應用也越來越多[1]。本文在公司ML系列2kW光纖激光切割機上，采用正交試驗法，進行20mm低碳鋼厚板的切割試驗，有效、合理地減少試驗時間與成本，并得到最優的切割工藝參數，滿足廣大用戶的需求。

1 正交試驗設計意義及原理

在試驗研究中，對于單因素或兩因素試驗，因其因素少，試驗的設計、實施與分析都比較簡單。但在實際工作中，常常需要同時考察3個或3個以上的試驗因素，若進行全面試驗，則試驗的規模將很大，例如十個因素對產品質量有影響，每個因素取兩個水平，按全面試驗法，需要做210=1024次試驗，由于受試驗場地、試驗材料、經費等限制，往往難于實施；若進行簡單比較試驗，雖然試驗次數少，但試驗點不具代表性，考察的因素水平僅局限于局部區域，不能完整地反映因素的全面情況。如表1所示，考察兩個因素A和B，先固定A因素為A1，觀察A1行發現B3好，在固定B3列發現A1好，按簡單比較法，則最好的條件為A1B3，但是實際最好的條件為A2B2[2]。

表1 兩因素三水平試驗結果統計表

因此采用科學的方法進行試驗并處理試驗結果，顯得尤為重要。

正交試驗設計也稱正交設計，是安排多因素試驗、尋求最優水平組合的一種高效率試驗設計方法。它利用一套規格化的正交表安排試驗，得到的試驗結果再用數理統計方法進行處理，使之得出科學結論。正交表是正交試驗設計的基本工具，通常用Ln（tc）表示，其中：L為正交表的代號，n為試驗的次數，t為水平數，c為列數，也就是可能安排最多的因素個數，它是根據均衡分布的思想，運用組合數學理論構造的一種數學表格，均衡分布性是正交表的核心。如圖1所示，圖中9個“·”，就是利用正交 表L9（33）從 27 個試驗點按均衡分布性挑出的9個試驗點，每一個面都有3個點，每一條線都有1個點[3]，這些點具有很強的代表性和綜合可比性，能夠較好地反映出全面試驗的情況。

圖1 L9（33）試驗點分布圖

正交試驗設計的基本程序分為設計試驗方案和處理試驗結果兩大部分。主要步驟可歸納如下：第1步，明確試驗目的；第2步，挑因素，選水平；第3步，選擇合適的正交表；第4步，進行試驗并記錄試驗結果；第5步，試驗結果分析。

2 激光切割厚板的正交試驗

2.1 試驗目的

獲得20mm低碳鋼最優切割參數。

2.2 試驗因素

經研究，有5個因素需確定最佳條件：焦點位置A，切割速度B，功率C，氣壓D，占空比E。

選位極（水平），如表2所示。因素A焦點位置1.5mm～3mm；因素B切割速度500～650mm/min；因素C功率1350～1800W；因素D氣壓 0.1～0.16MPa；因素E占空比85%～100%。

表2 各因素均勻選擇位極（水平）表

2.3 選用正交表

選用L16（45）正交表，為5因素、4水平，共做16次試驗。

2.4 試驗結果

按選用的正交表將表2中的因素順序上列，位極對號入座，然后進行試驗，并得出試驗結果如表3所示。

表3 激光切割厚板正交試驗表

試驗結果按斷面質量打分量化。如圖2所示。

2.5 試驗結果分析

（1）各因素對結果影響的重要程度。極差最大者即是對結果影響程度最大，極差最小者則影響程度最小,極差值=該因素位極最大值-位極最小值，如因素A極差=K4-K1=2.125-1.5=0.625。由表3中的極差值可見，激光切割厚板其因素重要程度的次序為A→B→C→D→E。

（2）直接看。第13號試驗最好，板材自由掉落且斷面質量最優，如圖3所示，其工藝條件為A4B1C4D2E3。

（3）算一算。分別計算各因素每種水平位極均值，均值越大，該因素在此水平的工藝條件越好。以因素A為例，因素A位極均值K1=因素A在水平1試驗結果之和/試驗次數，即

圖2 切割斷面圖

圖3 板材自由掉落且斷面質量最優

同理，因素B位極均值K1=因素B在水平1試驗結果之和/試驗次數，即

表3中，備注“★”為計算比較后，各因素最好的水平，綜合后最好的工藝條件應是A4B1C4D2E3。

圖4 各因素隨水平變化趨勢分析圖

（4）趨勢分析。如圖4所示。

由圖可見，A因素、B因素及C因素還有潛力可挖，但由于A因素焦點位置3已經到切割頭焦點可調最高值，B因素切割速度降低導致生產效率降低，C功率加大斷面質量可能更粗糙，因此，默認A因素、B因素及C因素達到極限值，不做改變。

（5）綜合評定。“直接看”與“算一算”結果一致，本試驗最好的工藝條件應是A4B1C4D2E3。

3 總結

采用正交試驗法在2kW光纖激光切割機上對20mm低碳鋼厚板進行切割試驗，以最少的人力和物力消耗，在最短時間內取得最優工藝參數。采用正交試驗法可提高產品質量水準，縮短新產品試驗周期，降低成本，大大提升產品的國內外市場競爭力。

[1]樓祺洪.高功率光纖激光器及其應用[M].合肥：中國科學技術大學出版社,2010.

[2]方開泰.正交與均勻試驗設計[M].北京：科學出版社，2001.

[3]趙選民.試驗設計方法[M].北京：科學出版社，2010.

[4]楊 靜，路 磊，等.一種用于寬幅厚板加工的高性能數控激光切割機[J].鍛壓裝備與制造技術，2011，46（2）.

[5]王 寬，林 飛，等.基于正交試驗的工業擠壓態AZ31鎂合金預處理試驗研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（4）.