基于磨料水射流拋光鋁合金質量的研究

張麗

摘要：磨料水射流拋光鋁合金表面質量的影響因素較多，本文分析了射流壓力、靶距、噴射角度和磨料流量四個工藝參數對拋光質量的影響，利用正交實驗和極差分析法，研究了該工藝參數對磨料水射流拋光鋁合金工件表面粗糙度的影響主次順序為靶距、射流壓力、磨料流量、噴射角度。并運用多元回歸分析法，建立工件表面粗糙度與影響因素間的經驗模型，對鋁合金汽車輪轂表面處理具有很大的實用價值。

Abstract： There are many factors that affect the surface quality of aluminum alloy by abrasive water jet polishing. This paper analyzes the influence of four process parameters， namely jet pressure， target distance， jet angle and abrasive flow rate， on the polishing quality. By using the orthogonal experiment and range analysis method， it has found that the main order of the influence of these process parameters on the surface roughness of aluminum alloy workpiece by abrasive water jet polishing is target distance， jet pressure， jet angle and abrasive flow rate Abrasive flow rate， jet angle. The empirical model between workpiece surface roughness and influencing factors is established by multiple regression analysis， which has great practical value for surface treatment of aluminum alloy automobile wheel hub.

關鍵詞：磨料水射流;拋光;影響因素;回歸分析法

Key words： abrasive water jet;polishing;influencing factors;regression analysis

中圖分類號：TG664? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0050-03

0? 引言

磨料水射流拋光[1]是通過高壓水束帶動磨料粒子沖擊工件，在水的沖擊力及磨料棱角與工件的摩擦作用下，達到去除材料的目的，實現工件的拋光處理，磨料顆粒拋光原理[2]如圖1所示。磨料水射流拋光裝置中，由于噴嘴的旋轉較難實現，常采用工件旋轉的方式，實現對整個工件表面的加工處理，工件的裝夾一般選專用夾具使工件固定于工作平臺上，并與噴嘴間形成一個加工角度，射流以角噴射至工件表面，使噴出的磨料顆粒不是直接垂直切入工件，而是沿切向方向實現對工件表面的剪切或微切削加工，使材料有較小的去除量，d為入射距離（靶距），為射流半徑，磨料水射流拋光裝置原理如圖2所示。

1? 磨料水射流表面處理試驗

1.1 試驗裝置

本文采用圖3所示HJ300精密磨料水射流加工系統研究射流壓力、入射角度、靶距以及磨料流量對工件表面粗糙度的影響。實驗選用汽車輪轂用A356鋁合金[3]作為表面拋光材料，如圖4所示為鋁合金表面處理試件。實驗用磨料選擇sic微粉，選用后混合式磨料水射流噴嘴對鋁合金表面的進行表面處理，水噴嘴直徑為？準0.5mm，聚焦管采用特殊設計的準矩形擴散噴嘴（長1.2mm×0.5mm），聚焦管長度為50mm。

1.2 試驗因素及因素水平的確定

按表1所示的加工參數，通過調整射流壓力、靶距、噴射角度、磨料流量等參數對鋁合金試件表面進行拋光處理，根據不同工藝參數，進行16次實驗加工，并對試件進行編號。實驗前，使用表面粗糙度測量儀對試件加工區域進行表面粗糙度測量，采用不同工藝參數拋光后，對每個區域進行粗糙度測量。

本文為了得到最優的零件表面質量，采用正交試驗法[4]得出各因素的最佳工藝參數，磨料水射流表面處理鋁合金試驗因素水平表如表1所示。

選擇恰當的正交表時，按照磨料水射流表面處理試驗因素水平表，本文選用L16（44）正交表，如表2所示。

2? 試驗極差分析

進行極差分析時，首先計算各個因素的水平總值T，T為16次試驗結果總和。按下列公式計算：

式中：Tij——第j個因素的所有i水平指標的總值。

Kij——第j個因素的所有i水平指標的平均值。

根據某因素的水平平均值可求出該因素的極差，極差大表明該因素影響大，即為主要因素;極差小說明該因素的影響小，為次要因素[5]。經計算得出表面粗糙度極差分析表3。

式中：Rj——第j列因素的水平改變對試驗結果的影響大小。

各因素對表面粗糙度影響的主次順序為：

主→次? ? ? ?B;A;D;C

磨料水射流對鋁合金工件表面處理后，表面粗糙度的工藝優化結果如表3所示。極差分析結果表明，由于■，因此四種因素對表面處理后粗糙度的影響主次順序為靶距S→射流壓力P→磨料流量M→噴射角度D。在本實驗中，期望表面處理后，粗糙度值越小越好，所以選擇平均極差最小值K11、K23、K34、K42，即取水平A1、B2、C2、D3。

3? 建立回歸數學模型

假設影響表面處理鋁合金表面粗糙度的主要參數為射流壓力P、靶距S、噴射角度D、磨料流量M滿足關系式：

其中，R——表面粗糙度，？滋m;

K——與材料有關的系數;

a1、a2、a3、a4——待定系數。

對式（3）兩邊取對數得：

（4）

其中，？著表示數學期望為零的隨機向量（i=1，2，3，4）。

令

由參數最小二乘法估計，可得

利用上式（7）求得未知參數的最小二乘法估計量，代入式（3）可得到所求磨料水射流表面處理模型。

結合表3中的實驗數據，通過matlab進行回歸分析計算，得出工件表面處理粗糙度值的具體模型方程為：

（8）

簡化得：

通過建立磨料水射流表面處理模型，可以更好的分析影響因素與表面質量之間的關系，從而對實際加工生產提供一定的指導意義。

4? 結論

通過實驗研究了磨料水射流拋光鋁合金汽車輪轂時的主要工藝參數對表面處理質量的影響。結果表明：

利用正交實驗和極差分析方法，分析了水射流壓力、靶距、噴射角度和磨料流量對磨料水射流拋光鋁合金表面粗糙度的影響程度。極差分析結果表明，四種因素對表面粗糙度的影響主次順序依次為：靶距S→射流壓力P→磨料流量M→噴射角度D。

本文利用回歸分析方法，建立了磨料水射流表面處理鋁合金汽車輪轂表面粗糙度的經驗模型。該回歸模型具有高度擬合性，可以用來預測和控制鋁合金汽車輪轂表面處理質量。

參考文獻：

[1]沈忠厚.水射流理論及技術[M].北京：北京石油大學出版社，1998.

[2]車翠蓮，黃傳真，朱洪濤，李全來，劉麗芳.磨料水射流拋光技術的研究現狀[J].工具技術，2007（10）：14-16.

[3]李曉敏.我國汽車鋁合金輪毅發展現狀[J].輕合金加工技術，2003（9）：12-13.

[4]劉瑞江，張業旺，聞崇煒，湯建.正交試驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理，2010（09）：52-55.

[5]何少華，文竹青，婁濤.試驗設計與數據處理[M].長沙：國防科技大學出版社，2002.