（机械制造及其自动化专业论文）pcd刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着难加工材料的出现，传统材料的刀具越来越难以满足加工的需要。近年来，由 于超硬材料聚晶金刚石( p c d ) 良好的物理和化学性能，被广泛应用在刀具上，其切削 速度可比硬质合金高一个数量级，刀具寿命也大幅度提高。基于经济性考虑，目前p c d 刀具的刃磨方法应用最多的是用p c d 砂轮磨削p c d 刀具。由于两者硬度相差不大，使 得p c d 刀具的刃磨相对于其它材料的刀具较难，不易获得稳定的刃磨质量。本文将探 讨p c d 刀具刃磨工艺参数对工艺目标的影响规律及其多工艺目标的优化。 为了方便分析，首先采用均匀试验设计方法设计试验，获得试验数据后，运用回归 分析法对试验数据进行分析，建立工艺参数与每个工艺目标之间的非线性回归方程，根 据回归分析结果绘制曲线图和立体图；第二，运用m a t l a b 进行单目标优化；第三， 建立p c d 刀具刃磨工艺的b p 神经网络预测模型。最后，建立特定数学模型，基于b p 神经网络对试验数据进行多目标优化。 所建立的回归方程揭示了工艺参数与单个工艺目标的数学关系，通过曲线图和立体 图直观呈现出来。运用m a t l a b 进行单工艺目标优化得出了在取得最优单工艺目标时 的最佳工艺参数组合。b p 神经网络预测模型能对给定工艺参数下工艺目标值的预测。 基于b p 神经网络的多目标优化提供了在综合考虑多个工艺目标下刃磨参数的优选方 案。m a t l a b 单目标优化和基于b p 神经网络的多目标优化，都能对p c d 砂轮磨削p c d 刀具的实际生产中提高刃磨质量提供借鉴和参考。 关键词：p c d 刀具刃磨工艺；均匀设计；回归分析；m a t l a b 单目标优化；b p 神经网 络多目标优化 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 a b s 仃a c t w i mt 1 1 ee m e r g e n c eo fd i m c u l tt om a c h i n em a t e r i a l s ，t h et 0 0 1o ft r a d i t i o n a lm a t e r i a l si s i n c r e a s i n g l yd i 街c u l tt 0m e e tt h ep r o c e s s i n gn e e d s i nr e c e n ty e a r s ，s u p e r h a r dm a t 耐a l s ， p o l y c r y s t a l l i n ed i 锄o n d ( p c d ) g o o dp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，w i d e l yu s e di nt h e t o o l ，c u t t i n gs p e e dc o m p a r a b l ec a r b i d eh i g ha no r d e ro fm a g n i t u d e ，t h et 0 0 1 1 i f ei sa l s o 铲e a t l y i m p r o v e d b a s e do nm ee c o n o m i cc o n s i d e r a t i o n s ，t h ep o p u l a rw a yo fm a k i n gp c d t 0 0 1i s p c dp c d 舒n d i n gw h e e lg r i n dap c dt 0 0 1 t h e i rh a r d n e s si sc l o s e d ，m a b n gt h ep c dt o o l s h a r p e n i n gt 0 0 1i sm o r ed i 伍c u l tc o m p a r e dt oo t h e rm a t 嘶a l s ，d i 伍c u l t i e si no b t a i n i n ga s t a b l e g r i n d i n gq u a l i t y t h i sa r t i c l ew i l le x p l o r em ep c d t o o ls h 泖e 1 1 i n gt h ei n n u e n c eo fp r o c e s s p a r a m e t e r so nt h ep r o c e s so b j e c t i v e sa n dt h eo p t i m i z a t i o no fm u l t i - p r o c e s st a r g e t u n i f o r md e s i g nm e t h o di no r d e rt of a c i l i t a t em ea i l a l y s i s ，t h ef i r s tt e s t ，t oo b t a i n e x p 嘶m e n t a ld a t a ，u s i n gr e 铲e s s i o na n a l y s i st oa 1 1 a l y z et h et e s td a t at oe s t a b l i s ht h en o n 一1 i n e a r r e 伊e s s i o ne q u a t i o nb e t w e e nt h ep r o c e s sp a r 锄e t e r sa s s o c i a t e d w i t he a c hp r o c e s st a r g e t ， a c c o r d i n gt ot h er e 铲e s s i o na n a l y s i st od r a w 伊印h sa 1 1 dt h e e d i m e n s i o n a ld i a g r a m ；s e c o n d ， t h eu s eo fm a t l a bf o rt h es i n g l e o b j e c t i v eo p t i m i z 撕o n ；t h i r d ，t h ee s t a b l i s h m e n to fm e p c dt o o ls h a r p e n i n gp r o c e s so fb pn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e l f i n a l l y ， t h e e s t a b l i s h m e n to fas p e c i f i cm a t l l e m a t i c a lm o d e l ，b a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ko nt e s td a t af o r m u l t i o b je c t i v e 叩t i m i z a t i o n t h er e 伊e s s i o n e q u a t i o n r e v e a l st h e p r o c e s sp a r 锄e t e r s a n dt 1 1 em a t h e m a t i c a l r e l a t i o n s h i p o fa s i n 9 1 ep r o c e s st a r g e t sr e v e a l e d 恤o u 曲 i n t u i t i v e 伊a p h s a n d t h r e e d i m e n s i o n a ld i a 莎a m u s i n gm a t l a bf o ras i n 舀ep r o c e s st a r g e to p t i m i z a t i o no b t a i n e d t h eb e s tc o m b i n a t i o n so fp r o c e s sp a r 锄e t e r st oo b t a i nt h eo p t i m a ls i n 9 1 e p r o c e s so b j e c t i v e s b pn e u r a ln e 觚o r km o d e la b l et of o r e c a s tf o rag i v e np r o c e s sp a r 锄e t e r sa n dp r o c e s st a r g e t t h em u l t i o b j e c t i v eo p t i 工r l i z a t i o no f 鲥n d i n gp a r 锄e t e r si nm eg o a lo fc o n s i d e r i n gm u l t i p l e p r o c e s sb a s e do n b pn e u r a ln e t w o r kp r o v i d e p r o 铲锄s o fo p t i m i z a t i o n m a t l a b s i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na 1 1 db pn e u r a ln e t w o r k - b a s e dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nc a n i m p r o v er e f - e r e n c eo nt h ea c t u a lp r o d u c t i o no fp c dt h e 鲥n d i n gw h e e lp c d t 0 0 1s h a 印e n i n g q u a l i t y k e yw o r d s ： p c dt 0 0 1 s h 唧e n i n gp r o c e s s ； u n i f o m d e s i g n ；r e 伊e s s i o na n a l y s i s ； m a t l a b s i i l g l e o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n ；b pn e u r a ln e t w o r km u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i i 西华大学硕士学位论文 1绪论 近年来，随着切削加工工件材料的不断发展，尤其是一些难加工材料的出现，超硬 材料刀具得到了越来越广泛的应用，国内超硬材料刀具制造商的数量、规模和制造水平 都在迅速提高。以聚晶金刚石( p 0 1 y c q s t a l l i n ed i a m o n d ，p c d ) 和立方氮化硼( c b n ) 为代表的超硬材料刀具则迅速占领这个市场。其中p c d 具有极高的硬度和耐磨性，其 硬度可达1 0 0 0 0 h v ，是自然界中已知最硬的材料，热稳定性可达7 0 0 8 0 0 。而立 方氮化硼的硬度仅次于金刚石( 可达8 0 0 0 h v 9 0 0 0 h v ) ，并且热稳定性更高( 达1 2 5 0 1 3 5 0 ) 1 1 。 国内外p c d 刀具发展非常迅速。p c d 刀具的刃磨主要是用p c d 砂轮磨削来完成。 由于两者在硬度和耐磨性上的差别不大，使得p c d 刀具在刃磨时难度加大，磨除率较 低，难以有效控制刃磨后刃口锯齿度和刀具后刀面粗糙度，阻碍了p c d 刀具的进一步 发展【2 弓】。因此，有必要研究p c d 砂轮磨削p c d 刀具的特点，以便选择合理的工艺参数， 得到更好的刃口质量。这样，既可以加速p c d 刀具的普及，又能提高机械加工行业的 生产效率，大大降低生产成本，现实意义重大。 1 1p c d 刀具 1 1 1p c d 材料发展 二十世纪五十年代美国g e 公司的科学家成功地人工合成了重量约合1 克拉的珠宝 级金刚石，其物理特性也是目前最好的【4 。这种金刚石的组成部分中9 9 9 是碳的同位 素c 1 2 ，其导热性能比天然金刚石好5 0 ，比铜快8 5 0 倍。然而，人工合成的金刚石成 本更高，同时，由于其物理特性良好，所以更适用于技术领域。 从1 9 5 8 年起，人们已经开始使用6 0 至7 0 千帕的高压和1 2 0 0 至1 5 0 0 摄氏度的高 温将石墨转化成金刚石。这种合成工艺在随后的数年中得到了不断的改进。 今天，人造金刚石切削工具在制造技术领域已不可缺少。在初期，人们主要是致力 于研发高效率的研磨材料。大约在1 9 7 2 年，美国公司采用特殊工艺，成功的生产出了 由微米级大小的金刚石晶体组成的聚晶金刚石刀具。 金刚石是已知自然界中最硬的材料，采用特殊的高温高压工艺，可以在硬质合金基 体上粘结一层紧密的聚晶金刚石层。p c d 刀片可用于切削加工非铁的其他金属如铝合 金和铜合金以及非金属如纤维增强塑料( g f k 和c f k ) ，硬质橡胶，木材，纤维板，三 聚氰胺树脂聚合材料和纤维增强金属( m m c ) 。使用p c d 材料制成的切削工具，可以 获得更快的切削速度和更长的刀具使用寿命，被加工材料的表面质量和加工精度也会更 高。 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 1 1 2p c d 刀具制造技术 p c d 刀具制造过程主要包括两个阶段 5 ：p c d 复合片制造：p c d 复合片由一定 比例的天然或人工合成金刚石粉末与结合剂( 其含钴、镍等金属) 在高温( 1 0 0 0 2 0 0 0 ) 、高压( 5 1 0 万个大气压) 下烧结而成。烧结过程，由于结合剂加入，使金刚石晶 体间形成以t i c 、s i c 、f e 、c o 、n i 等为主要成分结合桥，金刚石晶体以共价键形式镶 嵌于结合桥骨架。通常将复合片制成圆盘状，直径通常有0 5 、1 、2 、3 、4 英寸，其厚 度约为0 3 1 0 m m 。p c d 刀片加工：p c d 刀片加工主要包括复合片切割、刀片焊接、 刀片刃磨等步骤。p c d 刀具制造技术的关键之一是切削刃的刃磨。 1 p c d 复合片制造【6 1 目前最主要的p c d 产品即是p c d 复合片( p c d 烧结体) ，将其切割成我们需要的 特定形状小片，成为p c d 刀具的刀头。p c d 复合片的制造工艺如图1 1 所示。 图1 1p c d 复合片的制造流程 f i g u r e1 1 t 1 1 ep c dc o m p o s i t ef i l mm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 2 p c d 刀片加工 p c d 刀具的制造工艺流程如图1 2 所示，一般包括切割、抛光、焊接、刃磨等。 2 西华大学硕士学位论文 p c 喹台片 刃磨 图1 2p c d 刀具制造流程 f i g u r e1 2p c dc u 仕i n gt o o lm a l l u f a c n j r i n gp r o c e s s p c d 复合片的切割方法主要有：电火花线切割、激光加工、超声波加工、高压水射 流等。这些方法中，电火花线切割效果最好。实验表明，电火花切割的实际效果要受到 切削速度、p c d 粒度、层厚和电极质量等因素的影响，期中切削速度的合理选择尤为重 要。p c d 复合片表面一般较粗糙( r a 2 1 0um ) 不能直接用于制作刀具，需经研磨抛光 使其表面达到镜面( r a 0 0 1 0 1um ) 。复合片的抛光使用专门的抛光机，其原理如图 1 所示其原理如图1 3 所示。一方面砂轮高速旋转做主运动，同时被抛光的刀片低速转 动。一般抛光一块片子的时间为1 5 2 小时。为了增加效率，抛光机上有多个保持盘， 每个保持盘可夹持多个刀片，从而实现几十片刀片同时抛光。 匮一 图1 3p c d 复合片专用抛光机 f i g u r e1 3 t 1 1 ep c dc o m p o u n dp i e c ed e d i c a t e dp o l i s h i n gm a c h i n e 3 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 再对刀片和基体焊接面进行机械和化学处理，然后再将刀片固接于基体上。p c d 刀片与刀体的固接一般采用焊接方式。焊接方法主要有激光焊接、真空扩散焊接、 真空钎焊、高频感应钎焊等。目前，应用最多的时高频感应加热钎焊。最后，经金 刚石砂轮刃磨。 1 1 3p c d 刀具的应用 p c d 刀具主要适用于加工有色金属如铝、镁、铜、铁及其合金，特别是高硅铝合金 等，还能用于加工硬质合金、陶瓷和水泥制品，对于非金属材料，如掺有磨料的硬橡胶、 碳及石墨制品、木材、塑料、玻璃、碳素纤维、环氧树脂复合材料等效果都很显著。p c d 刀具切削速度可比硬质合金高一个数量级，刀具寿命可比硬质合金高几十甚至几百倍。 目前p c d 刀具可以分为车刀、铣刀、钻头、镗刀、铰刀、锯刀、冲头、镂刀等多类形【7 j 。 本文主要研究的是p c d 车刀，如图1 4 所示。 图1 4p c d 车刀 f i g u 1 4 m ep c d n 【r n i n gt 0 0 1 1 2p c d 刀具刃磨研究 1 2 1p c d 刀具刃磨机理 在国内，许多大学对这方面做了研究。提出了金刚石砂轮刃磨p c d 刀具精磨和粗 磨两种磨削方式下的刃磨机理。刃磨机理可以分为六大类：微细破碎、沿晶破碎、疲劳 去除、刻划作用、滑擦作用及机械热化学去除，这六种刃磨机理会在不同情况下产生作 用。例如，在精磨时，磨除率较低，滑擦作用和机械热化学去除是主要的去除方式，沿 晶破碎和疲劳去除也会起一定作用；在粗磨过程中，磨除率较高，起主要作用的是微细 破碎；p c d 复合片的化学成分决定了是否会有机械热化学去除。 4 西华大学硕士学位论文 在国外，德国m k e n t e r 和d 咖等学者使用金刚石砂轮对p c d 刀具刃磨做了大量 研究，并在电子显微镜下观察了刃磨后的p c d 刀片。他认为金刚石砂轮磨削p c d 刀具 时发生了滑动和刻划作用。在一般情况下，p c d 材料是以疲劳破损和微观脆性破碎为主。 当磨削进行到一定程度，p c d 表面会产生一定裂纹，随着温度的升高，p c d 刀具会逐 渐石墨化并产生其它的化学反应，裂纹会再磨削压力和热应力的作用下扩展，最终脱落 8 1 6 】 o 1 2 2 p c d 刀具后刀面及刃口质量对已加工表面质量的影响 由于刃磨、研磨等加工条件以及刀具材料性能自身的限制，刀具的刃口不可能绝对 锋利，刀尖部分由圆弧部分及附近的主、副切削刃组成并且存在大小不一的锯齿等缺陷。 在切削过程中，刀具的主后刀面、副后刀面分别同工件的切削表面、已加工表面发 生接触。主后刀面和副后刀面粗糙越大，切削刃刃口圆弧部分表面粗糙度也越大，切削 时刀具与切削表面和切屑的摩擦也越严重，这会增大切削力并影响切屑的去除，增大工 件切削表面和已加工表面的塑性变形，从而影响已加工表面质量。刀具后刀面粗糙度对 工件己加工表面粗糙度的影响如图1 5 所示。 已加工表面 r 2 ( u m ) 0 7 0 8 0 91 0 1 1 1 2 1 3 p c d 后刀表面 r 2 ( u m ) 图1 5 后刀面粗糙度对已加工表面粗糙度影响 f i g u r e1 5 n a n ka 恐c tt h er o u 9 1 1 1 1 e s so ft h em a c h i n e ds u m c e r o u g h n e s s 刃口质量对已加工表面质量的影响如图1 6 所示。 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 已加工表面 r a ( u m ) 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 图1 6 刃口锯齿度对已加工表面粗糙度的影响 f i g u r e1 6e d g es e r r a t e dd e g r e eo fs u r f - a c er o u g l l l l e s s p c d 刀片刃口 锯齿度( 砌) 由此看来，提高p c d 刀具的切削质量应该从提高p c d 刀具的后刀面质量及其刃口 质量( 刃口锯齿度、刃口圆弧半径) 入手。 1 2 3p c d 刀具刃磨工艺 一、刃磨方法【1 7 之l j 由于p c d 材料自身的特性，使得p c d 刀具刃磨很困难。刃磨的工艺问题已经阻碍 了其发展。因此，如何解决p c d 刀具的刃磨问题显得尤为重要。p c d 刀具的刃磨一般 要求主切削刃应具有一定的直线度，不能出现太大的锯齿状或崩刃；其次，刀具前刀面 和后刀面要有一定的表面光洁度，这样使切屑沿前刀面容易流动、降低工件材料粘附刀 刃。 p c d 高硬度使其材料去除率极低( 甚至只有硬质合金去除率万分之一) 。目前，p c d 刀具的刃磨技术主要有：电火花刃磨技术，复合刃磨加工，金属结合剂超硬磨料砂轮在 线电解修整( e l i d ) 刃磨，金刚石砂轮机械刃磨技术。其中，金刚石砂轮机械刃磨技术在 众多的刃磨方法中最为成熟、有效的。它与电火花及其它刃磨方法相比，能获得良好的 刀具刃口质量和完整光洁的后刀面。金刚石砂轮机械刃磨过程如图1 7 所示。在国内外 对此方法的研究主要集中在刃磨效率和砂轮的磨耗比研究工作上，而磨削工艺参数对磨 削后p c d 刀片的刃口质量及后刀面光洁度的影响及优化研究较少。 西华大学硕士学位论文 图1 7 金刚石砂轮磨削p c d 刀片后刀面 f i g 珈陀1 7 d i 锄o n dw h e e lg r i n d i n gp c di i l s e i t sn a n k 二、刃磨工艺研究 m k e n t 一2 2 之4 1 为了研究金刚石砂轮机械刃磨p c d 的工艺参数对磨除率以及磨耗比 的影响。设计了磨削试验，他的试验条件如表1 1 。 表1 1 试验条件 t a b l e1 1t e s tc o n d i t i o n s s y n d i t e0 0 2 p c d l 工件 s y n d i t e0 1 0 p c d 2 s y n d i t e0 2 5 p c d 3 工件尺寸( l w h ) 2 5 9 3 m m p c d 层厚度 0 7 5 m m 金刚石刃磨砂轮 6 a 21 2 5 2 0 4d 4 6 m 7 5 砂轮转速v c = 2 0 l s 恒定压力f a = 2 5 0 n 恒定压强f a = 3 7 5 n m m 2 单件刃磨时间t s = 1 5 s 砂轮修锐时间 t d 一1 0 s 整个刃磨时间 t sg e s 2 1 8 0 s 砂轮摆动频率 n 。z _ 4 3 u m i i l 砂轮摆动幅度s m = 1 2 m m 冷却液压强高压冷却液p r - 1 0 b a r 通过实验，他得出了三个结论： 7 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 1 金刚石砂轮是否磨损均匀跟砂轮的摆动频率有关。根据图1 8 中为三种p c d 刀 片在砂轮上留下的磨痕可以看出，当重合度u 。大一等于1 时，则能使金刚石砂轮均匀 磨损。砂轮摆动频率可根据公式1 1 算出。 晦2 警2 焘釜熏 ( 1 - 1 ) 其中，s 为砂轮转一周的摆动位移，w 为p c d 工件宽度，v 。为砂轮转速，d 。为砂轮 直径( 外径) ，b 。为砂轮金刚石层宽度，v o s z 为摆动速度( 其决定于摆动幅值和摆动频 率) 。 砂 周 彦啦鳘 ( q ) 图1 8p c d 刀片在砂轮上的磨痕 f i g u r e1 8 m ep c db l a d eg r i n d i n gm a r k so nm ew h e e l 石层 2 磨除率和磨耗比均随着砂轮旋转速度v c 、恒定压力f 。和p c d 粒度增大而增大。 由于这三个参数对磨除率和磨耗比影响最大，因此可以通过改变其大小来提高刃磨效率 和降低刃磨成本。 3 金刚石浓度、砂轮粒度、结合剂种类及冷却液浓度等都对磨耗比和磨除率有一 定的影响。 在国内，大连理工大学进一步研究了磨削参数对刃磨质量的影响。通过实验，然后 在显微镜下观察，得出了以下结论【2 纠： ( 1 ) 当滑擦作用成为主要的去除方式时，磨削液对磨削表面的粗糙度影响并不大。 当主要去除机理为微细破碎和刻划作用时( 如粗砂轮低速磨削) ，干磨可以明显地改善 磨削表面的粗糙度。在同样的磨削条件下，湿磨时的刀具刃口锯齿度比干磨时要大。 ( 2 ) 磨削速度在砂轮粒度很小时，对磨削后p c d 刀具后刀面表面质量不明显。磨削 p c d 刀具时，中等转速相对于高速和低速获得的p c d 后刀面表面质量和刃口质量要好。 ( 3 ) 磨削压力只有在采用粗粒度砂轮时对磨削后p c d 刀具后刀面质量影响才明显， 且随着磨削压力增大，p c d 刀具后刀面质量会变差。与此同时，在任何磨削条件下，磨 削后的刃口锯齿度都会随磨削压力的增大而增大。 西华大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究工作 综上所述，前人已经对p c d 刀具刃磨机理做了大量研究，探讨了金刚石砂轮磨削 p c d 刀片整个过程中的磨削机理，总结了一套比较完善的理论。而对于p c d 刀具的刃 磨工艺的研究主要集中于磨削参数对磨除率及磨耗比的影响，缺少对刃磨质量及其工艺 参数优化设计方面的实验研究。本课题即是基于此基础上，以成都锋宜工具股份有限责 任公司的实际生产需要为背景，对磨削参数对刃磨后p c d 刀具刃口质量及后刀面表面 质量的影响做了具体研究。主要做了以下工作： 1 为了研究磨削各个参数对p c d 刀具刃口及后刀面表面质量的影响，选定试验方 法，按照均匀试验法设计试验； 2 对试验数据进行回归分析，并建立回归数学模型，对回归方程进行f 检验和残 差分析。根据回归分析结果绘制曲线图和立体图，分析工艺参数对工艺目标的影响； 3 基于回归方程，运用m a t l a b 完成对磨削单工艺目标的优化； 4 使用m a t l a b 建立b p 神经网络模型，预测给定工艺参数情况下的工艺目标值。 5 运用b p 神经非线性多目标优化方法对磨削参数进行优化设计，得出最优参数组 合。 9 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 2 p c d 刀具刃磨试验设计 试验设计来源于农业试验，它属于统计学中的一门分枝学科。正确的试验设计乃是 科学试验成功的必备条件，而优良的设计方法及分析技术可保证试验结果和推断的可靠 性及科学性 2 6 】。 试验设计的主要作用是降低试验误差，提高试验精确度。它使研究人员从试验结果 中获得无偏的处理效应及试验误差的估计，进行正确而有效的比较。为了控制干扰因子 引起的差异，降低试验误差，在试验设计中要遵循重复、随机化和区域控制三条基本原 理，它们之间的关系如图2 1 。 重复i 八。 随机化 区域控制 、r 0 v 、r 减少误差的减少试 有效估计验误差 图2 1试验设计基本原理 f i g u r e2 1e x p e r i m e n t a ld e s i g no fm e b a s i cp r i n c i p l e so f 2 1 试验设计方法 2 1 1 试验设计方法分类 试验设计阮2 7 2 8 ，2 9 均种类可以这样来划分： 厂单因子试验 根据试验中处理因子的多少可分为一 l 多因子试验 r 单方向控制( 如随即区组设计) 根据试验中环境控制因子的数目可分为_ 两方向控制( 如拉丁方设计) l 多方向控制( 如希腊拉丁方设计) 广完全区组设计 根据区组中包含处理数目的不同可分为 只( m ，n m 一1 ) ，则总体回归效果显著。此外，因变量与自变量的相关系数 r 也是衡量回归效果的重要指标，尺2 = u ( q + u ) 越接近1 表示因变量与自变量 的相关性越密切。 一、对于y ，( 锯齿度) ，根据均匀设计软件分析得到其方差分析表3 1 。 表3 1y l 方差分析表 1 a b l e3 1y 1a n a l y s i so f v 撕a n c et a b l e 方差来源平方和自由度均方 fp 回归s r 0 0 5 3 81 10 0 0 5 33 4 0 0 5 8 3 00 0 0 0 0 0 7 残差s e 0 0 0 0 030 0 0 0 0 综合s t 0 0 5 3 81 4 运用e x c e l 中函数f i n v r t ( p r o b a b i l i t y ，d e g _ 行e e d o m l ，d e g - 仔e e d o m 2 ) ，即f 概率分布 的反函数，给定显著水平为o 0 5 ，可以查得f o 0 5 ( 1 1 ，3 ) = 8 7 6 3 ，而表3 1 中得到的 f = 3 4 0 0 5 8 3 f o 0 5 ( 1 1 ，3 ) ，所以，y l 的回归方程回归效果显著。根据均匀设计软件分析得 出r 2 = 0 9 9 9 9 ，跟1 很接近，表面y 1 与各个自变量之间的相关性关系很密切。 二、y 2 ( 磨削深度) ，根据均匀设计软件分析得到其方差分析表3 2 。 2 6 西华大学硕士学位论文 表3 2y 2 方差分析表 t a b l e3 2 y 2a n a l y s i so fv a r i a i l c et a b l e 方差来源 平方和 自由度 均方 f p 回归s r 0 0 0 7 81 20 0 0 0 76 3 3 1 1 4 90 0 0 1 5 7 8 残差s e 0 0 0 0 020 0 0 0 0 综合s t o 0 0 7 81 4 同上，给定显著水平为0 0 5 ，通过e x c e l 中函数f 烈v r t ，可以查得 f o 0 5 ( 1 2 ，2 ) = 1 9 4 1 3 ，而表3 3 中得到的f = 6 3 3 1 1 4 9 f 0 0 5 ( 1 1 ，3 ) ，所以，y 2 的回归方程回 归效果显著。根据均匀设计软件分析得出r 2 = o 9 9 9 7 ，跟l 很接近，表面y 2 与各个自变 量之间的相关性关系很密切。 三、 y 3 ( 圆弧半径) 表3 3y 3 方差分析表 t a b l e3 3y 3a 1 1 a l y s i so fv 撕a n c et a b l e 方差来源平方和自由度均方 fp 回归s r 7 8 7 4 8 71 07 8 7 4 910 0 5 7 3 8 0 0 0 0 0 0 0 2 残差s e 0 0 3 1 3 4 0 0 0 7 8 综合s t7 8 7 8 0 0 1 4 同上，给定显著水平为o 0 5 ，表3 4 中f = l 0 0 5 。7 3 8 f o 0 5 ( 1 0 ，4 ) = 5 9 6 4 ，所以，y 3 的回归方程回归效果显著。根据均匀设计软件分析得出r 2 = 0 9 9 9 6 ，跟1 很接近，表面 y 3 与各个自变量之间的相关性关系很密切。 四、y 4 ( 后刀面r a ) 表3 4y 。方差分析表 t a b l e3 4y 4a n a l y s i so fv a r i a n c et a b l e 方差来源平方和自由度均方 fp 回归s r o o 0 0 41 3o 0 0 0 010 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 2 9 2 3 残差s e 0 0 0 0 010 0 0 0 0 综合s t 0 0 0 0 4 1 4 同上，给定显著水平为0 0 5 ，表3 5 中f = 1 0 0 0 0 0 0 0 0 f o 0 5 ( 1 3 ，1 ) = 2 4 4 6 9 0 ，所以， y 4 的回归方程回归效果显著。根据均匀设计软件分析得出r 2 = o 9 9 9 9 ，跟l 很接近，表 面y 4 与各个自变量之间的相关性关系很密切。 五、y 5 ( 后刀面r z ) p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 表3 5y ；方差分析表 1 曲1 e3 5y 5a n a l y s i so fv a r i a n c et a b l e 方差来源平方和自由度均方 fp 回归s r 0 0 3 9 2 1 1 o 0 0 3 68 8 8 6 4 510 0 0 0 0 5 6 残差s e 0 0 0 0 03o 0 0 0 0 综合s t 0 0 3 9 21 4 同上，给定显著水平为o 0 5 ，表3 6 中f = 8 8 8 6 4 5 l f o _ 0 5 ( 1 1 ，3 ) = 8 7 6 3 ，所以，y 5 的 回归方程回归效果显著。根据均匀设计软件分析得出r 2 = o 9 9 9 7 ，跟1 很接近，表面y 5 与各个自变量之间的相关性关系很密切。 3 2 2 残差分析 残差分析防3 5 1 是基于对通过样本数据收集而建立的回归方程建立的可靠性检验。在 实际情况中，数据可能会因为工作人员的粗心或者其他因素而产生异常。有时即使通过 f 检验也不恩呢该完全排除这种可能。残差分析的目的就在于解决这一问题。所谓残差 是指实际观察值与回归估计值的差，即e i = y ；一歹j ( i _ l ，2 ，n ) ，其中y i 为实际 观察值，歹i 为回归估计值残差与样本数据一一对应，每一个实际观察值会产生一个残差 值，残差分析就是通过对这些残差值进行分析，以确定回归估计值的可靠性，是否存在 诸如周期性，或其他干扰性因素。 可以借助于数理统计的方法找到异常数据，将这些数据剔除，用剩余的数据建立回 归方程，这样可以提高回归方程的准确性。 由数理统计方法可以证明 ( x ? 一盖) 2 ：。一 l x 。 o 2 础，= b + 字p 可以看出，残差的方差d ( e ) 与x 是成二次函数的关系。以简单得回归方程 夕：a + 妇为例，做出该方程及方程y ：少十2 厕和y ：少一2 厕作图3 2 。 2 8 + 1 一力 +。l l = 1 e 一 ，、 纱 为了uh “或 西华大学硕士学位论文 y x 图3 2 残差曲线 f i g u r e3 2p l o to fm er e s i d u a l s y 如果n 较大，且坚掣较小时，d ( e i ) 。2 ，此时图中的两条曲线近似趋近于两 l x x 条平行直线，从而有： p ( 一2 刃( e ) y 一夕 2 刃( e ) ) = 9 5 或近似地： p ( 一2 盯 y 一夕 2 仃) = 9 5 这表明，当n 较大时，y i 落在图3 5 的长条形带子中的概率约为9 5 ，只要知道o ， 就可以得到残差的置信区域。对残差在置信带以外的数据都要进行检查，以区别是否是 异常数据，如果是异常数据就要剔除掉。 在本试验中，根据试验数据和回归方程，可以得到残差表3 6 和3 7 。 表3 6 残差表一 r a b l e3 6r e s i d u a l s t f l b l eo n e y 1y 2y 3 序号拟合值残差值拟合值残差值拟合值残差值 10 9 0 0 8 2o 0 0 0 8 20 0 6 8 7 50 0 0 0 7 57 9 6 2 1 10 0 3 7 8 9 20 8 5 0 8 80 0 0 0 8 80 0 6 1 6 70 0 0 0 3 36 7 0 1 8 7一o 0 0 1 8 7 30 8 4 9 5 20 0 0 0 4 8o 0 2 9 9 3o 0 0 0 0 75 1 5 8 4 60 0 4 1 5 4 40 8 0 0 2 20 0 0 0 2 20 0 1 9 5 00 0 0 0 5 05 3 9 5 9 80 0 9 5 9 8 50 9 9 9 5 5o 0 0 0 4 5o 0 8 1 9 50 0 0 0 0 59 9 1 0 5 10 0 8 9 4 9 6o 7 9 9 9 70 0 0 0 0 30 0 8 4 6 90 0 0 0 3 11 0 2 6 8 3 50 0 6 8 3 5 70 8 0 0 3 60 0 0 0 3 6o 0 4 1 9 2 0 o o 0 0 8 5 2 0 0 0 80 0 0 0 0 8 p c d 刀具刃磨工艺研究及刃磨参数优化 80 8 5 0 3 40 0 0 0 3 4o 0 6 2 4 80 0 0 0 4 86 9 6 7 7 10 0 3 2 2 9 9o 8 9 9 3 10 0 0 0 6 9o 0 5 9 5 7 0 0 0 0 4 37 5 5 3 1 10 0 5 3 1 1 1 0o 8 5 0 1 4o 0 0 0 1 40 0 4 7 5 30 0 0 0 4 76 4 1 5 2 1o 0 1 5 2 1 1 l0 7 9 8 9 60 0 0 1 0 40 0 2 8 2 20 0 0 0 2 2 9 5 1 3 0 80 0 1 3 0 8 1 2o 8 5 0 5 1o 0 0 0 510 0 2 0 5 7o 0 0 0 5 75 0 8 7 1 80 0 1 2 8 2 1 31 0 0 0 4 3o 0 0 0 4 30 0 7 5 0 00 0 0 0 0 012 9 9 6 9 5o 0 0 3 0 5 1 40 8 9 9 3 7o 0 0 0 6 3o 0 3 0 0 8o 0 0 0 0 85 4 5 8 2 90 0 4 1 7 1 1 50 8 4 9 5 90 0 0 0 4 10 0 8 5 1 30 0 0 0 1 39 4 1 1 1 20 1 1 1 2 表3 7 残差表二 t a b l e3 6r e s i d u a l s t 渺l et w o y y 5 序号拟合值残差值拟合值残差值 l0 0 5 8 0 2 0 0 0 0 0 20 5 2 1 5 5 0 0 0 1 5 5 20 0 6 0 9 9 0 0 0 0 0 10 4 4 9 1 3o 0 0 0 8 7 3o 0 5 6 0 00 0 0 0 0 0o 4 0 0 3 30 o 0 0 3 3 40 0 6 6 0 0o 0 0 0 0 0o 4 9 9 4 l0 0 0 0 5 9 5 o 0 7 0 0 10 0 0 0 010 0 5 1 0 2 5o 0 0 0 2 5 60 0 6 8 0 1 0 0 0 0 010 4 5 0 6 50 0 0 0 6 5 70 0 5 2 9 9o 0 0 0 0 1o 4 1 0 4 30 0 0 0 4 3 8o 0 6 0 0 00 o 0 0 0 00 5 0 0 3 9o 0 0 0 3 9 9o 0 6 6 9 80 0 0 0 0 20 4 7 7 9 60 0 0 2 0 4 1 0 0 0 6 5 0 1o 0 0 0 010 5 4 0 1 40 0 0 01 4 1 1 o 0 6 5 9 9o o o 0 0 10 4 9 1 4 00 0 0 1 4 0 1 20 0 5 5 9 80 0 0 0 0 2 0 3 7 9 9 30 0 0 0 0 7 1 30 0 6 6 0 0o 0 0 0 0 00 5 4 8 8 50 0 0 1 1 5 1 40 0 5 3 0 2o 0 0 0 0 2o 4 1 9 9 0o 0 0 0 1 0 1 5o 0 5 7 9 90 o 0 0 0 1o 4 2 9 6 60 0 0 0 3 4 根据残差表，可以作出各个目标函数的拟合图3 3 和残差图3 4 。 a y l 回归方程拟合图 3 0 by 2 回归方程拟合图 西华大学硕士学位论文 l j，3 囊j c 弘 i ；搿霪j 誊 镬* i ho 障 一学。j 磬i “ j _ ：= _ j 罄潮 f j表 蕾麦 i ”蝴。幅 冀。i 毯 融 8 麓 ；、i 瀵溅j i ji国 i 翥 叠辐粥鎏g 琴；矗。 t 。5 薯 懋 携篷鲤 鬯毫& l i 螽拿 n嚣一酾 麓 ，芷= x a 蹲黪麓歪裂暖 2 1 。蹦t j ，： #。 “一罩】再阻i 自鬟0 量，霹一 ip 譬 曩 5 。 ： ；| | - 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