基于DOE的加工汽車碳纖維材料的新型鉆頭設(shè)計(jì)與優(yōu)化

汪洋，楊蘭杰

1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310018；2.浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司,浙江杭州 310018

0 引言

汽車碳纖維材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)是一種用于汽車車身和零配件的新型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。它具有強(qiáng)度高、抗沖擊強(qiáng)、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于新能源汽車行業(yè)，可以減輕車輛自重，減少能源消耗，提高汽車的動力利用率[1]。在實(shí)際生產(chǎn)工藝中，CFRP材料通常由成型壓制而成，但往往無法滿足裝配要求，因而需要對其進(jìn)行二次機(jī)械加工,特別是與其他零件裝配時(shí)需要進(jìn)行大量的鉆孔加工[2]。

1 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與鉆孔難點(diǎn)

不同于金屬材料，碳纖維復(fù)合材料具有各向異性和層間強(qiáng)度低的特點(diǎn)[3]。如圖1所示，碳纖維復(fù)合材料由多層碳纖維層組成，層與層間的纖維呈90°垂直相交[4]。在鉆孔過程中，鉆頭刃口對材料的切削作用既有纖維層與纖維層之間的縱向分離和撕裂，又有對纖維自身的橫向拉扯和割斷。在這種復(fù)雜的切削加工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)材料層分離[5-6]、刀具快速磨損、孔內(nèi)表層加工質(zhì)量較差等相關(guān)問題[7]。鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)既要考慮刃口鋒利性，提高鉆孔速度，讓纖維順利地被割斷以保證材料層不分離，提高孔壁加工質(zhì)量；又要平衡刃口的耐磨性，提高鉆頭的使用壽命。而在刀具的設(shè)計(jì)過程中，使用壽命和加工速度是一個(gè)天平的兩端，是一對矛盾體，提高加工速度往往需要犧牲使用壽命，因此需要更科學(xué)的方法來平衡這兩個(gè)性能需求，獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

圖1 碳纖維復(fù)合材料層間結(jié)構(gòu)

2 新型鉆頭設(shè)計(jì)特征

新設(shè)計(jì)的鉆頭采用多個(gè)硬質(zhì)合金刀頭通過焊接的方式鑲嵌在高碳鋼材質(zhì)的鉆體上。合金刀頭齒形為組合型齒形，如圖2所示。這種齒形既考慮到刀頭的鋒利性，又考慮到刀頭的耐磨性。在鉆孔時(shí)，多個(gè)刀頭參與加工，對纖維材料既有銑削也有鋸切。鉆頭性能目標(biāo)以鉆孔個(gè)數(shù)(使用壽命)和完成第一孔的鉆孔時(shí)間(鉆孔速度)來表征。在前期的研究中，選擇了一種耐磨損、抗高溫的硬質(zhì)合金作為刀頭材料。而影響性能的主要設(shè)計(jì)因子為刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角，這也將作為DOE設(shè)計(jì)的研究對象。

圖2 新型鉆頭刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀齒角度示意如圖3所示。

圖3 刀齒角度示意

3 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文DOE試驗(yàn)因子共有3個(gè)，分別為刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角，且每個(gè)因子分別具有3個(gè)水平，具體見表1。

表1 因子與水平設(shè)計(jì)

采用MINITAB分析軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，并利用回歸分析和響應(yīng)優(yōu)化獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)果預(yù)期。為便于分析，本文將水平1設(shè)置為低水平，水平2設(shè)置為高水平，水平3設(shè)置為中心點(diǎn)。在試驗(yàn)方案中設(shè)置4個(gè)中心點(diǎn)，得到的DOE試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，共得到12組設(shè)計(jì)方案。通過樣品測試(每個(gè)設(shè)計(jì)方案10支樣品)得到各設(shè)計(jì)方案的測試數(shù)據(jù)，其中鉆孔個(gè)數(shù)(Y1)與第一孔鉆孔時(shí)間(Y2)的數(shù)據(jù)為10支樣品的測試平均數(shù)據(jù)[8-9]。

表2 DOE試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 鉆孔個(gè)數(shù)Y1影響分析

第一次全項(xiàng)目建模的刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角的與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值見表3。

表3 第一次全項(xiàng)目建模的刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值

由表3可知，因子B的P值為0.028，交互因子B×C的P值為0.023，均小于0.050;對Y1為顯著因子;而齒數(shù)A的P值為0.696,大于0.050，對Y1為非顯著因子。Y1標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正態(tài)圖如圖4所示。

圖4 Y1標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正態(tài)圖

去除非顯著因子進(jìn)行第二次優(yōu)化建模， 優(yōu)化建模刀齒前角和后角與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值見表4。

表4 優(yōu)化建模的刀齒前角和后角與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值

優(yōu)化建模后，模型主效應(yīng)P值為0.003，小于0.050。由表5可知，優(yōu)化后回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)誤差S值減少，R2(調(diào)整)值增大，證明優(yōu)化后的模型更好。

表5 兩次模型效果比較

由表5的數(shù)據(jù)可得到鉆孔個(gè)數(shù)Y1的回歸方程式(1)、前角、后角與鉆孔個(gè)數(shù)的等值效應(yīng)和各因子對鉆孔個(gè)數(shù)Y1的效應(yīng)如圖5至圖7所示。通過分析，齒數(shù)對鉆孔個(gè)數(shù)沒有顯著影響(圖6)，前角以及前角與后角的交互作用對鉆孔個(gè)數(shù)有顯著影響(圖7)，圖5可以更直觀地看出前角與后角對鉆孔個(gè)數(shù)的影響趨勢。

Y1=16.00+4.00B+1.25C+4.25B×C

(1)

圖5 前角、后角與鉆孔個(gè)數(shù)的等值效應(yīng)

圖6 各因子對鉆孔個(gè)數(shù)Y1的主效應(yīng)

圖7 交互因子對鉆孔個(gè)數(shù)Y1的效應(yīng)

3.3 第一孔鉆孔時(shí)間(Y2)影響分析

各因子對第一孔鉆孔時(shí)間的回歸方程參數(shù)值見表6，回歸方程見式(2)。各因子對第一孔鉆孔時(shí)間Y2的主效應(yīng)如圖8所示，交互因子對第一孔鉆孔時(shí)間Y2的效應(yīng)如圖9所示。由表6可知，擬定的回歸方程中，齒數(shù)、前角和后角的P值均小于0.050，說明這3個(gè)因子對第一孔的鉆孔時(shí)間Y2都有顯著影響;由圖8可以更直觀地看到各因子對第一孔鉆孔時(shí)間Y2的影響趨勢。而圖9可以直觀地看出齒數(shù)與前角的交互作用對第一孔鉆孔時(shí)間Y2沒有顯著影響;表6中的P值為0.119，大于0.050，也證明了齒數(shù)與前角的交互作用對第一孔鉆孔時(shí)間Y2沒有顯著影響。而從表6的P值和圖9中都可以直觀地反映齒數(shù)與后角的交互作用以及后角與前角的交互作用都對第一孔鉆孔時(shí)間Y2有顯著影響。

Y2=85.88+14.88A-18.62B-8.13C-3.12A×B-

8.12A×C-9.12B×C

(2)

表6 各因子對第一孔鉆孔時(shí)間的回歸方程參數(shù)值

圖8 各因子對第一孔鉆孔時(shí)間Y2的主效應(yīng)

圖9 交互因子對第一孔鉆孔時(shí)間Y2的效應(yīng)

3.4 響應(yīng)優(yōu)化

通過MINITAB的優(yōu)化響應(yīng)器對Y1、Y2進(jìn)行優(yōu)化，對Y1設(shè)置為望大，而Y2設(shè)置為望小，并預(yù)測結(jié)果。置信區(qū)間為95%的預(yù)測結(jié)果見表7。最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)為齒數(shù)4個(gè)、前角5°、后角65°。預(yù)測到鉆孔個(gè)數(shù)為25.75個(gè)，第一孔鉆孔時(shí)間為46.375s。

表7 置信區(qū)間為95%的預(yù)測結(jié)果

3.5 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

選取最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)齒數(shù)4個(gè)、前角5°、后角65°的樣品共20支進(jìn)行實(shí)際加工測試，其測試數(shù)據(jù)見表8。通過驗(yàn)證結(jié)果分析滿足95%置信區(qū)間預(yù)測區(qū)間，說明最優(yōu)值的設(shè)置是合理的。

表8 優(yōu)化驗(yàn)證測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)通過DOE分析齒數(shù)、前角和后角對鉆頭鉆孔個(gè)數(shù)和第一孔鉆孔時(shí)間的影響。結(jié)果表明，齒數(shù)和后角對鉆孔個(gè)數(shù)及鉆頭壽命影響不顯著，前角對鉆頭壽命有顯著影響，后角與前角的交互作用對鉆頭壽命也是有顯著影響。

(2)DOE分析結(jié)果表明，齒數(shù)、前角和后角對第一孔鉆孔時(shí)間及鉆孔速度有顯著影響，齒數(shù)與后角的交互作用以及前角與后角的交互作用對鉆孔速度有顯著影響。

(3)針對齒數(shù)、前角和后角等3個(gè)因子評價(jià)優(yōu)化得到的參數(shù)為齒數(shù)4個(gè)、前角5°、后角65°。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用DOE全因子試驗(yàn)并利用響應(yīng)優(yōu)化獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。