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试验设计与分析结课论文论 文 名 称： 水射流钻头喷嘴电火花线切割加工工艺正交优化试验 姓 名： 李西洋 学 号： 2009092749 院系专业班级： 机电学院09工业1班 任 课 教 师： 梅卫江 2012年 5月5日水射流钻头喷嘴电火花线切割加工工艺正交优化试验摘 要 针对水射流钻头喷嘴制造过程 中存在 的问题，试验采用正交优化试验方法，通过极差分析和方差分析，研究了电火花线切割脉冲电流、脉冲宽度和脉冲间隔等工艺参数对射流钻头喷嘴孔口表面粗糙度的影响，确定了因素的最佳水平组合和因素的主次顺序及线切割 的最佳工艺参数。试验结果表明，当采用脉冲电流 1.6A、脉冲宽度 8s和脉冲间隔40s的参数组合时，喷嘴孔口表面质量较高，其表面粗糙度小于2.4m。研究结果可为选择水射流喷嘴电火花线切割加工工艺制定提供试验依据。 关键词 铣削加工；正交优化试验；MINITAB正 文 高压水射流技术是近 20年来发展起来的一门新技术，已被广泛应用于煤炭、石油化工、交通运输、钢铁、机械等行业。高压水射流基本原理是利用高压水发生设备产生高压，通过喷嘴将压力能转变为高度聚集的水射流动能，可用这种射流对物料进行切割、破碎和清洗。 喷嘴是高压水射流钻头的重要部件，其加工质量 (表面质量 、形状和尺寸精度)的好坏直接影响到切割效果。电火花线切割加工方法可以加工出精密细小、形状复杂的零件，完全能满足水射流钻头喷嘴加工的技术要求。 电火花线切割加工质量受到多种因素影响，而脉冲电流、脉冲宽度和脉冲间隔等工艺参数等加工参数是影响加工质量的关键因素，若加工参数选择不当，会引起加工过程的不稳定，直接地影响加工后的加工质量。因此 ，该试验采用正交试验方法，对电火花线切割加工工艺参数进行优化，获得最佳组合工艺参数 ，为制造高质量的水射流钻头喷嘴提供试验依据。1. 试验原理、目的及条件 正交试验设计是研究多因素多水平的一种高效率、快速、经济的试验设计方法。它用正交表来安排试验 ，能以较少的试验次数、较短的试验周期，用极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试 验结果进行分析，迅速找出影响指标的主要因素，进而找到较优的工艺参数。正交试验包括制定正交因素表、安排试验、计算和结果分析等几个部分。 试验的主要目的是：应用极差分析法确定水射流钻头喷嘴 电火花切割加工中脉冲电流 IN(A)、脉冲宽度T1(s)和脉冲间隔T2(s)等因素主次和各试验因素的最佳水平；应用方差分析法判断各因素的主次和显著性；依据试验因素主次、显著性综合平衡得出各因素在试验范围内的最佳组合。 试验的水射流钻头喷嘴的材料为YG3硬质合金，在 CNC-W5精密型中走丝线切割机床上进行加工试验。在线切割加工喷嘴过程中，表面粗糙度即是评价加工质量的重要指标之一，同时也是影响水射流钻头切割效率的重要参数，因此该试验以喷嘴的表面粗糙度作为评判水射流钻头喷嘴线切割质量的标准。 2. 正交试验方案设计与因素选择在喷嘴孔口线切割加工过程中，影响加工质量的工艺参数主要包括：脉冲电流 I (A)、脉冲宽度T1(s)和脉冲间隔T2(s)，故选用这3个因素作为研究对象。每个试验因素取 3个水平，即该试验是3因素3水平的正交试验设计，选用正交表设计试验方案，共需要 9次数值模拟试验(而全面试验需要 27次)。正交试验设计因素水平如表 1所示。表1 因素水平表水平因素A：脉冲电流IN/AB：脉冲宽度T1/sC：脉冲间隔T2/s10.681621.6163232.824403. 正交试验分析3.1 选择统计 DOE 因子 创建田口设计：3.2 在田口设计中选择3水平设计，因子数为4：3.3 在田口设计中选择设计，如下所示，在对话框中单击确定：3.4 在田口设计中选择因子，如下所示，点击确定：3.5 在田口设计中点击确定后，如下图所示：3.6 在C5列输入如下值：3.7选择统计 DOE 因子 分析田口设计。如下图所示：3.8 点击分析田口设计中的分析，如下图所示，点击确定：3.9 选择上图中的选项，如下图所示，点击确定：3.10 点击分析田口设计中的确定，出现如下所示：图1 因素水平对表面粗糙度的影响趋势图：图 1所示为各因素指标对水射流钻头喷嘴线切割加工表面粗糙度影响的变化趋势图。从图可以看出，喷嘴的表面粗糙度随脉冲电流、脉冲宽度的增加而显著增加，而随着随脉冲间隔的增大，喷嘴的表面粗糙度变化很小。因此，在实际生产中，制定喷嘴的线切割工艺规范时，要着重考虑脉冲电流和脉冲宽度的选取范围，以求效果达到最优。表2极差分析表水 平A：脉冲电流IN/AB：脉冲宽度T1/sC：脉冲间隔T2/sD：误差估计表面粗糙度Ra/m11(0.6)1(8)1(16)11.8212(16)2(32)22.7313(24)3(40)34.142(1.6)1232.4522313.5623124.373(2.8)1323.0832134.7933215.2K12.8672.4003.6003.500K23.4003.6333.4333.333K34.3004.5333.5333.733极差1.4332.1330.1670.400影响排名2143根据试验获得的结果 (见表 2)，通过计算得到各因素的试验指标和各因素的极差。 根据极差分析原理可知，极差的大小说明各 因素对试验结果影响的主次，极差最大的因素，说明该因素的水平改变时对试验指标 的影响最大。从表2极差分析计算结果可知，RB RA RC，表明B (脉冲宽度)因素对水射流钻头喷嘴线切割加工表面粗糙度的影响最大；因素 A (脉冲 电流)影响次之；因素 C (脉冲间隔)影响最小。而该试验中因素的水平的最小值为该 因素的最优水平，各因素的最优水平的组合为最优生产条件。从表 2中可以得知 ，各因素的最优水平分别是 Al 、Bl 、Cl ，因此最佳组合是 BlAlCl。 3.11 建立三维表面图 (1) 选择图表 3D曲面图 ，如下图所示：(2) 选择图表 3D曲面图 3D曲面图 - 曲面，如下图所示：(3) 点击上图“确定”，得到3D曲面图：图2 表面粗糙度与各因素的曲面图3.12 建立轮廓图（等高线）(1) 选择图表 等值线图，如下图所示：(3) 点击上图“确定”，得到等值线图：图3 表面粗糙度与各因素的等值线图4. 方差分析(1) 选择统计 方差分析 一般线性模型，如下图所示：(2) 点击上图“确定”，得到各因素的方差分析，如下图所示：表3 方差分析结果来 源自由度误差平方和SS调整后的SS调整后的均方MSFPA：脉冲电流IN/A23.14993.1499 1.574413.000.071B：脉冲宽度T1/s26.8822 6.8822 3.441128.410.034C：脉冲间隔T2/s20.0422 0.0422 0.02110.170.652误 差20.2422 0.24220.1211合 计810.3156 在表3中，通过比较各因素的均方和与误差的均方和的比值F的大小，可知FB FA FC。由于FB F0.05 (2，2)=19，表明因素B (脉冲宽度)影响显著。而FA FC (2，2)=9，表明因素 A (脉冲电流)对喷嘴表面粗糙度的影响较显著。由于FC与FA、FB相比很小，所以脉冲间隔对喷嘴表面粗糙度的影响可以近似忽略。试验数据的方差分析结果与极差分析结果相符。 5. 最佳工艺参数的确定 在确定水射流钻头喷嘴最佳线切割工艺时，必须选取显著 因素的优水平 的优搭配来保证加工质量，但同时也应考虑线切割工艺参数对加工稳定性和加工效率的影响。由表2、表3及图1可知，水射流钻头喷嘴线切割工艺参数的最佳组合是 A1 B1 C1，即采用脉冲电流06A、脉冲宽度8s和脉冲间隔16s的参数组合，可获得较低的表面粗糙度。但从喷嘴线切割加工的稳定性等因素综合考虑，脉冲电流过小将不能产生放电火花，会降低切割效率和电弧的稳定性，因此可以 当的增加脉冲电流。再由图1 (a)可知，当脉冲电流从 06A增加到16A时，水射流钻头喷嘴的表面粗糙度增加比较缓慢，因此A因素中应选择A2作为最优水平。而水射流钻头喷嘴的表面粗糙度随脉冲宽度的增加显著增加，虽然此时脉冲宽度较小：切割效率下降，但加工质量高，因此B因素中应选择B1作为最优水平合适 。从图1 (c)和表5可知，脉冲间隔对喷嘴表面粗糙度的影响不显著，但脉冲间隔过小易产生短路 ，不利于冷却和电蚀物的排出，因此适当加大脉冲间隔以充分消除放电产物，形成稳定切割 ，因而C因素中应选择C3作为最优水平。通过以上综合分析，最终确定各因素的最佳组合应为A2B1C3，即在该试验条件下，水射流钻头喷嘴的最佳线切割工艺应为脉冲电流16A、脉冲宽度8s和脉冲间隔 40s。6. 试验验证在试验数据的极差分析中，认为最好是试验条件为A1 B1 C1；通过方差分析后，对显著因素的比较，在考虑保证加工稳定性和加工效率的前提下，又确定为A2B1C3。对于后者是否真的符合要求，必须通过试验验证。 对A2B1C3条件，重复进行3次试验，喷嘴的表面粗糙度分别为235、22、238m，平均值为231m，精度均高于表3中相近因素水平的试验数据，并且能够满足钻井工程的使用性能要求，可确定为水射流钻头喷嘴的线切割加工工艺的最佳工艺参数。 7. 结 论 1)通过正交试验法，采取正交表对水射流钻头喷嘴线切割工艺参数进行了优化试验；通过极差分析，确定了主次因素是B (脉冲宽度)A (脉冲电流)C (脉冲间隔)，得出其线切割 的最佳工艺参数是A2B1C3，即脉冲电流16A、脉冲宽度 8s和脉冲间隔 40s。2)正交试验的方差分析表明，所考虑的3个因素 (脉冲宽度、脉冲电流和脉冲间隔)对水射流钻头喷嘴的表面粗粗度均有影响，而脉冲宽度对喷嘴的表面粗糙度影响最为显著，其次是脉冲电流，再次是脉冲间隔。在实际工程中，分清主次因素和影响的显著性对工程质量具有重要意义 。 3)验证试验表明，试验结果与预测的最佳工艺参数相符 ，在脉冲电流 16A、脉冲宽度 8s和脉冲间隔40s的最佳