基于田口法和方差分析的整体叶轮高速铣削参数优化研究

2016年1月
第44卷第2期
机床与液压
MACHINETOOL&HYDRAULICS
Jan 2016
Vol 44No 2
谢旭人简历
DOI:10.3969/j issn 1001-3881 2016 02 002
收稿日期:2014-11-25
基金项目:科技部重大科学仪器设备开发专项资助项目(2013YQ130429)
作者简介:蔡飞飞(1987 ),男,硕士,助理工程师,主要从事多轴数控加工方面研究㊂E-mail:cff190@163 com㊂
基于田口法和方差分析的整体叶轮高速铣削参数优化研究
蔡飞飞,任违,陈行行
(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,四川绵阳621900)
摘要:针对整体叶轮高速铣削加工,开展了以切削速度㊁每齿进给和切削深度为试验因素,以叶片的表面粗糙度和加工时间为试验指标的正交切削试验,应用田口法对试验结果进行分析,初步确定铣削要素对试验指标的影响程度㊂采用方差分析方法对正交试验结果进行进一步处理,得到各铣削要素对试验指标的贡献率,确定了叶片铣削的最佳参数组合㊂经过整体叶轮加工验证,采用优化后的切削参数保证了叶片表面粗糙度Ra0 8μm,并且加工效率提高3倍,实现了整体叶轮的高效加工㊂
关键词:整体叶轮;高速铣削;正交试验;田口法;方差分析
中图分类号:TG661㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-3881(2016)2-004-3
OptimizationofCuttingParametersofHighSpeedMachiningforIntegral
ImpellerBasedonTaguchiMethodandAnalysisofVariance
CAIFeifei,RENWei,CHENXingxing
(InstituteofMechanicalManufacturingTechnique,ChinaAcademyofEngineering
Physics,MianyangSichuan621900,China)
Abstract:Aimingathighspeedmachiningofintegralimpeller,orthogonalcuttingexperimentsconsideringthecuttingspeed,
feedratepertoothandcuttingdepthwereperformed.Taguchimethodwasappliedtoanalyzetheexperimentresults.Theinfluencesofcuttingparametersonsurfaceroughnessandcuttingtimewerepreliminarilydetermined.Then,analysisofvariancewasusedforfurtherprocessingoftheexperimentalresults,thecontributionofcuttingparameterstoexperimentalresultsandtheoptimalparametercombina⁃tionwereacquired.Afterthemachiningverificationofintegralimpeller,thesurfaceroughnessofthebladeisensuredtoRa0 8μm,
andtheprocessingefficiencyisimproved3times,sothehighefficiencymachiningofintegralimpellerisachieved.
Keywords:Integralimpeller;Highspeedmachining;Orthogonalexperiments;Taguchimethod;Analys
isofvariance
㊀㊀整体叶轮铣削加工时间占加工总工时的80%以上,整体叶轮铣削加工效率是影响加工效率的重要因素,探求提高叶轮铣削加工效率有着重要的意义㊂文中研究的整体叶轮是分子泵中的关键部件㊂分子泵作为获得洁净真空环境的重要设备,在现代工业中得到了越来越广泛的应用,高速㊁小型化是其发展方向之一,最高转速达到90000r/min[1]㊂因此,在提高叶轮加工效率的同时,还必须保证叶轮的加工精度和表面粗糙度㊂然而,零件的表面粗糙度作为衡量零件质量和机床加工效能的一个重要指标,目前在高速切削方面其形成机制还不完善[2]㊂因此,文中针对整体叶轮铣削加工方案,设计三因素三水平的正交切削试验,考察了切削速度㊁每齿进给和切削深度等因素对叶片表面粗糙度和加工时间的影响㊂应用田口法和方差分析法分别对正交试验结果进行了分析,得出了切削参数对叶片表面粗糙度和加工时间的影响规律,从而探求最优的切削参数组合,在保证加工质量的前提
下,力求提高整体叶轮的加工效率㊂
1㊀整体叶轮加工方案
该整体叶轮的外形如图1所示,材料为铝合金,叶轮有六级叶片㊂加工精度要求较高,表面粗糙度要求达到Ra0 8μm㊂叶片悬伸较长,叶片之间的空间狭窄,极易发生碰撞干涉问题㊂
叶轮叶片的加工采用定轴加工的方式,利用带圆角铣刀点铣加工叶片成最终形状,然后通过旋转角度完成其他叶片的加工㊂整体叶轮单个叶片刀具路径如图2所示
图1㊀整体叶轮三维模型㊀图2㊀叶片铣削刀具路径
文中以第一级叶片的铣削加工为例,研究切削参
数的优化选择㊂在保证加工表面质量的前提下,尽量提高加工效率,以达到整体叶轮高效加工的目的㊂
2 正交试验设计再过五十年
2 1㊀田口法与方差分析
田口法的基本思想是用正交表安排实验方案,以信噪比(S/N)作为衡量性能特性的指标㊂首先把获得的试验数据转化为信噪比,信噪比代表的性能特性可分为望小特性㊁望大特性和望目特性㊂当研究目的是减少围绕规定目标值的变异时,用望目特性;如果当系统响应最大时优化,用望大特性;如果当系统响
应最小时优化,则用望小特性[3-
4]㊂表面粗糙度Ra和加工时间T都是越小越好,应采用望小特性进行研究,其信噪比计算公式为:
S/N=-10log1nðni=1y2iæèçöø
÷(1)式中:yi为第i试验结果㊂
方差分析是将数据的总变异分解为试验因素引起的变异和误差引起的变异两部分,然后构造F统计量,进行F检查,以判断各个试验因素的作用是否显著[5]㊂因此,方差分析可以将试验中由于试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来,并且可以给以精确的数量估计㊂方差的计算公式如下:
MS因素=SS因素df因素㊀㊀MS误差=SS误差
df误差
(2)
淮南子传奇式中:SS为偏差平方和;df为自由度㊂
F统计量的计算公式为:
F因素=MS因素
MS误差
(3)
若计算出的F值F0>Fα,则认为该因素对试验结果有显著影响;若F0ɤFα,则认为该因素对试验结果无显著影响㊂
2 2㊀试验方案
试验在五轴高速加工中心上进行,
其数控系统为
图3㊀加工试验设置
HeidenhainITNC530㊂主轴最高转速可达42000r/min,定位精度0 008mm,重复定位精度0 005mm㊂刀具为Fraisa铝加工专用硬质合金铣刀,刀具直径4mm带R0 5圆角㊂加工方式如第2 1节中所述,冷却方式水冷㊂加工试验的现场布置如图3所示㊂
叶片铣削正交切削实验
中考虑的因素有切深ap㊁切削速度v以及每齿进给fz㊂试验考虑的优化指标有叶片的表面粗糙度Ra,单个叶片的铣削时间T㊂针对第一级叶片设计三因素三水平的正交试验,以A㊁B和C分别代表切深ap(mm)㊁切削速度v(m/min)和每齿进给fz(mm/齿),各切削参数结合实际情况选取3个水平,第一级叶片正交试验参数如表1所示㊂
表1㊀正交试验参数设计表因素水平0
A/mm
0.1
0.150.2
B/(m㊃min-1)
400
450500
C/(mm㊃齿-1
)0.06
0.10.15
2 3㊀正交试验设计
正交试验是一种合理安排㊁科学分析各试验因素的数理统计方法㊂它借助 正交表 从众多的试验条件
中选出若干代表性较强的试验条件,科学地安排试验,然后对试验结果进行综合比较㊁统计分析,探求各因素水平的最佳组合,从而得到最优或较优试验方案的方法[6]㊂此次试验是三因素三水平的试验,采用L9(34)正交表,开展切削试验㊂在加工中记录单个叶片的加工时间T,切削试验结束后采用Taly⁃surf120L表面粗糙度测定仪测量工件的表面粗糙度Ra㊂试验的参数组合和试验结果列于表2中㊂
表2㊀正交试验结果及其对应信噪比
试验组合
因素ABC组合表面粗糙度Ra/μm加工时间T/s表面粗糙度Ra信噪比S/N加工时间T信噪比S/N1000A0B0C00.4607.96-35.562011A0B1C10.5376.02-31.363022A0B2C21.130-0.83-29.544101A1B0C10.73272.73-28.635112A1B1C20.9200.92-26.026120A1B2C00.56335.04-30.377202A2B0C21.117-0.83-24.618210A2B1C00.74282.62-28.949
A2B2C1
0.9
18
0.92
-25.11
㊃5㊃第2期蔡飞飞等:基于田口法和方差分析的整体叶轮高速铣削参数优化研究
㊀㊀㊀
3㊀试验结果分析
试验目的是优化切削参数以获得较好的工件表面质量和最大限度的加工效率㊂在田口法分析中用到了望小特性㊂试验结果的信噪比越大,则性能特性越好㊂在方差分析中通过计算各试验因素和误差的方差,并通过构造F统计量,计算F值㊂F值的大小反映了各因素对试验指标影响的主次顺序㊂
3 1㊀田口法
表面粗糙度Ra和加工时间T属于望小特性,利用公式(1)计算试验结果的信噪比S/N,结果列于表2中㊂并且分别计算表面粗糙度和加工时间的平均信噪比,结果分别列于表3㊁表4㊂
表3㊀表面粗糙度平均信噪比
因素012差值
A4.382.900.903.48
B3.293.191.711.58
C5.213.22-0.255.46
表4㊀加工时间平均信噪比
因素012差值
摩擦衬垫
A-32.15-28.34-26.225.93
B-29.60-28.77-28.341.26
C-31.62-28.37-26.724.9㊀㊀从表3可以看出:每齿进给对表面粗糙度影响最大,其次是切削深度,切削速度影响最小,即对表面粗糙度影响而言,C>A>B㊂为了获得较好的表面质量,应选择较小的切削深度(C0)㊂从表4可以看出:切削深度对加工时间影响最大,其次是每齿进给,切削速度影响最小,即对加工时间的影响而言,A>C>B㊂为了尽量缩短加工时间,提高加工效率,应选择较大的切削深度(A2)㊂
3 2㊀方差分析
根据公式(2)㊁(3)计算试验因素和误差的方差和F值,并将计算结果列于表5㊁表6中㊂从表5可以看出:各个因素对表面粗糙度的影响大小是C>A>B,每齿进给C影响高度显著,占到68%;切削深度次之,占到20%;切削速度对表面粗糙度影响不显著,仅占6%;分析的误差为6%㊂
表5㊀表面粗糙度的方差分析
方差来源
偏差
平方和
自由
方差F值显著性
A0.120.053.33(20%)
B0.0320.0151.00不显著(6%)C0.3420.1711.33∗∗(68%)误差e0.0320.0156%误差eΔ0.0640.015
临界值Fα:F0 05(2,4)=6 94,F0 1(2,4)=4 32注:∗∗表示因素 高度显著 ㊂
表6㊀加工时间的方差分析
方差
来源
偏差
平方和
自由
方差F值显著性A732.672366.3422.4∗∗(52.94%)B100.67250.343.08不显著(7.27%)C518.002259.0015.8∗(37.43%)误差e32.67216.342.36%
临界值Fα:F0 05(2,2)=19,F0 1(2,2)=9注:∗∗表示因素 高度显著 ;∗表示因素 显著 ㊂从表6可以看出:各个因素对加工时间的影响是A>C>B,切削深度A影响高度显著,占到53%;每齿进给C次之,占到37%;切削速度对加工时间的影响不显著,仅占7 3%;分析的误差为2 4%㊂由于每齿进给对表面粗糙度影响最大,为了获取较好的表面质量,应选择较小的每齿进给C0;由于切削深度对于加工时间的影响最大,为了提高加工效率应选择较大的切削深度A2;切削速度对表面粗糙度和加工效率的影响最小,但是切削速度高还是可以减小加工时间,为了达到高效加工的目的,可以选择较高的切削速度B2㊂方差分析与田口分析法结论相同㊂因此,可以确定优化工艺条件为A2B2C0,即切削深度选水平2,切削速度选水平2,每齿进给选水平0㊂
4㊀加工验证
通过田口法和方差分析法对试验结果进行分析后得出最佳的切削参数组合为A2B2C0,但是这组切削参数组合并没有包含在正交试验的9个参数组合中,需安排试验验证该优化组合的合理性㊂试验结果:A2B2C0切削参数组合下,叶片表面粗糙度为0 77μm,加工时间为25s,表面粗糙度和加工时间的信噪比分别为2 27和-28dB㊂通过与表2对比可知,A2B2C0切削参数组合是在满足Ra0 8μm前提下㊁加工时间最短的一个参数组合,也说明该参数组合是最佳的㊁合理的㊂采用优化的切削参数加工整体叶轮
图4㊀整体叶轮加工效果
铣削加工时间缩短为
1 5h,比之前单凭经
验选取的切削参数
(ap=0 1mm,v=188
外商投资企业外方权益确认表
m/min,fz=0 1mm/
齿)的加工效率提高
3倍,同时也保证了
加工的质量㊂整体叶
轮最终加工效果如图4
所示㊂
(下转第9页)
㊃6㊃机床与液压第44卷
33与大斜导杆23的杆部以及小斜导杆20的杆部滑动配合,辅助导向,用耐磨钢制造,材料耐用;耐磨块为独立结构,易于装配㊁更换和维修㊂(4)在十字压杆上制作齿条,简化抽芯机构㊂十字压杆12的一端与压板11滑动配合,十字压杆12与小弹簧13相连,十字压杆12的另一端设有齿条与齿轮14啮合,齿轮14与小侧型芯10一端的齿条啮合㊂通过十字压杆12和齿轮14的共同作用,将和开模方向不一致的小侧型芯10抽出,简化了抽芯机构㊂2 2㊀模具工作原理
开模时,模具首先在Ⅰ-Ⅰ分型面分型,即定模板19左移,与定模座板8分离;与此同时,主流道凝料17与浇口套16分离,在分流道拉料杆21的作用下,分流道凝料22拉出;与此同时在齿轮14的作用下,小侧型芯10被抽出,在斜导柱7的作用下,侧滑块5带动侧型芯6沿动模板32的导滑槽完成侧型芯抽芯,在弯销24的作用下,斜滑块28带动斜型芯25沿动模板32的导滑槽完成斜型芯抽芯工作;定模板19继续左移,当碰到限距拉杆41时,定模板19停止移动;动模部分继续左移,迫使定位销钉39从定模板19的凹坑中脱出,在Ⅱ-Ⅱ分型面分型,塑件包在型芯31上随着动模继续左移,直至注塑机顶杆与推板2接触,推板2推动推杆固定板35,在小斜导杆20及大
斜导杆23的作用下,实现了塑件内部的抽芯工作,并且小斜导杆20及大斜导杆23在抽芯的同时共同推塑件的弧形内表面,小斜导杆20㊁大斜导杆23及顶针15将塑件推出;合模时,通过带肩导柱37与无肩导套38及带肩导套40使动㊁定模两大部分准确对合,并且复位杆36使推出机构复位;斜导柱7使侧型芯6复位,弯销24使斜型芯25复位㊂3㊀结论
大型注塑模具设计时尽量简化结构,在保证产品质量的前提下能用弯销侧向抽芯机构就不用液压抽芯机构㊂尽量使模具的各个组成部分在结构不复杂的情况下具有多种功能,进一步简化结构,如文中的大㊁小斜导杆既能形成塑件的局部形状,又能做推出机构㊂在设计时,既要考虑装配又要考虑拆卸,如在定模板㊁动模板上分别开设拆卸孔,便于型腔㊁型芯的拆卸和维修㊂既能提高模具的使用性能又能提高模具的工艺性能,如耐磨块的采用便综合考虑这一问题㊂尽量利用注塑机的开模动作实现各种抽芯工作,以降低模具的成本,如十字压杆与齿轮的巧妙配合,实现了和开模方向垂直的侧向抽芯工作㊂
参考文献:
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(上接第6页)
5㊀结论
通过对铝合金的整体叶轮铣削加工设计正交切削
试验,采用田口法和方差分析两种方法对铣削加工参
数进行优化,两种分析方法都得到了相似的结论㊂通
过试验发现,每齿进给量是对叶片表面粗糙度影响最
为显著的因素,而切削深度是对叶片加工时间影响最
再战轴心帝国为显著的因素㊂通过对正交试验结果进行分析,得到
优化的参数组合A2B2C0,即ap=0 2mm,v=500m/min,fz=0 06mm/齿㊂试验结果表明:切削参数优化与试验验证相结合的方法可以用来选择合适的切
削参数组合,以提高加工效率,达到加工表面质量和
加工高效率的统一㊂
参考文献:
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㊃9㊃
第2期郭永环等:汽车发动机缸体上盖注塑模具㊀㊀㊀

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