基于正交試驗的鋁合金數控銑削參數優化

陳宏燃 李鑫洋 王小康

（沈陽航空航天大學航空航宇學院 遼寧沈陽 110136）

一、引言

制定數控加工工藝的一個重要步驟就是切削參數的選擇，切削參數的影響因素眾多，其中包括工藝系統設計、加工類型的確定、工件材料和加工要求的不同、刀具材料和刀具參數的不同、切削液的選用等，而且上述各個影響因素之間又互相影響和制約，所以準確選擇最佳的參數組合并不容易[1]。切削參數的優化選擇問題已經成為高速切削加工中極為重要的技術問題和經濟問題，建立科學合理的工藝參數優化方法，進而選擇合適的加工參數是提高數控加效率的有效途徑。

二、鋁合金正交試驗

（一）材料與設備

本文選擇粗加工長×寬×高為的鋁合金試塊為實驗試件，選擇西門子系統數控銑床進行加工操作，通過運用手持式表面粗糙度儀檢測所得孔內壁的表面粗糙度。本文在鋁合金試件上螺旋銑削采用平頭立銑刀加工尺寸為的螺旋孔，每個試壓塊上銑削三個螺旋孔。

（二）正交實驗方案設計

數控銑削是指利用銑刀對材料進行逐層次、依次切削，主軸轉速S、進給速度f、進給量h，為其主要參數[2]。根據實際生產生活中最常用的加工參數，選擇主軸轉速S、進給速度f、層厚h，為正交實驗因素，根據每個因素取值范圍，各因素取三個水平，設計三因素三水平正交實驗表L9（33）如表1所示。

表1 實驗因素與水平

根據正交實驗所得具體9組參數設計如表2。

表2 實驗數據

（三）加工程序設計

①螺旋銑削及其優點。螺旋銑削是一種成熟的制孔加工工藝，與傳統層削相比，它具有多種優勢[3]。在螺旋銑削過程中，刀具在繞其自身軸線旋轉的同時沿螺旋路徑銑削。由于其靈活的運動特性，可以實現低切削力，降低刀具磨損和改進鉆孔質量。

②數控加工程序。以增量方式把銑一圈的過程編寫為子程序，然后進行若干次調用，實現整個孔的加工，此程序以深6mm，進給量為-0.5mm的孔為例，主軸轉速為600r/min和進給速度為100mm/min為參數編寫程序，所以子程序需要調用12次。

（四）粗糙度檢測

零件表面粗糙度是恒量零件好壞程度的一個重要指標，采用TR201手持式表面粗糙度儀檢測所得孔內壁的表面粗糙度，螺旋銑孔實驗內壁粗糙度如表3所示，其中Ra值為三組數據平均值：

表3 鋁合金銑孔正交實驗結果

三、結果分析

對實驗結果處理分析通常有兩種，一是直觀分析法，又叫極差分析法；另一種方法是方差分析。極差分析能夠得到各列因素的水平實驗指標的影響程度及變化趨勢和獲取最好的實驗指標的最佳條件。方差分析法則可以分析各因素之間交互作用的影響，得到影響加工質量的最主要因素。本文采用極差分析和方差分析對工藝參數組合進行優化，先采用極差分析法確定最佳表面粗糙度對應的各參數水平，然后用方差分析法確定各個實驗參數對實驗結果影響的顯著性。

四、結論

通過鋁合金螺旋銑削制孔加工正交實驗方案設計，總和考慮各種因素，在選定主軸轉速、進給速度、進給量等3個工藝參數為實驗因素的條件下，鋁合金螺旋銑削制孔加工最優工藝參數序列為：主軸轉速為2400r/min、進給速度為500mm/min、層厚為1mm；而進給速度和進給量為制孔內壁質量的主要影響因素，而主軸轉速對孔內壁質量影響較小。本文僅對數控銑床螺旋制孔參數優化進行簡單論述，而實際生產生活中，需要考慮的外在因素往往還有很多，實際最優組合并不一定在所選數據中，但可通過這種辦法進行合理實驗，選擇適合的加工參數，進而得到高效經濟的加工方法。