关于切削参数的正交试验法优化案例

1、课 程 名 称：试验设计与数据处理题 目 名 称：关于切削参数的正交试验法优化案例专 业：机械工程学 生 姓 名：班 级：学 号：关于切削参数的正交试验法优化案例随着科技的不断发展生产生活中对加工件的精度要求越来越高特别是军事领域中。要提高加工件的精度使其达到应用要求就要选择合适的机床和刀具材料使用合适的工艺、正确的刀具几何形状和切削参数。但是在机械切削加工过程中影响加工质量的因素很多而且因素之间也是相互影响、相互制约的。特别是切削三要素其对零件表面质量、加工效率的影响很大。由于正交试验法操作简单即对试验进行审计安排使得试验次数尽量少而且可以通过对试验结果的分析得到优化的参数。因此作者采用用正

2、交试验法对切削三要素进行分析。1 正交试验法正交试验法是一种使用数学统计原理进行最优选择的方法。正交试验设计是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散齐整可比”的特点。正交试验设计是分析因式设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。正交试验设计又叫正交设计、正交试验法 简称正交法。它利用正交表作为工具，多组试验可同时进行，故有利于缩短试验周期，直接比较各个因素及考察各因素间交互作用对指标的影响，是一种科学的优选法。正交法有3条基本原则 即正交分解、综合可比、均衡搭配。这是正交法的统计分析、直观分析和试验模型的理论基础。在多因素优化试验

3、时利用数理统计学与正交性原理从大量的试验点中挑选有代表性和典型性的点应用 “正交表 ”科学合理地安排试验从而用尽量少的试验次数得到最优的试验结果。正交表也叫做正交阵列是试验设计的基本工具其是根据均衡分布的思想运用组合数学理论构造的一类数学表格表示方法为 ,其中L表示正交表 a表示试验次数也就是表的行数 b表示因素的水平数 c表示因素的个数。如是一张最简单的正交表。使用正交试验首先需要根据试验要求确定试验指标;其次根据试验指标的特征性质从已知量中确定影响因素;然后确定试验因素的典型值的个数即因素水平。至此需要确定一个合适正交表根据正交表的组合关系将各个因素及其水平填写进正交表中就可以得到一个正交

4、试验安排。2 工艺设计在此作者主要针对某壳体零件的加工进行研究，所用材料为LY12,弹性模量为70 GPa ,泊松比为013,密度约为217 g / 。根据基准选择原则选取工件外侧面为定位基准。考虑到加工零件为薄壁箱体类型加工中容易发生塑形变形而影响加工精度使用有限元分析软件进行了工件装夹变形分析得到适合该工件的装夹方案如图1和图2所示。根据得到的装夹方案、工件性质以及材料属性选择螺旋夹紧结构夹紧工件。具体的装夹设计如图3所示。3 切削三要素正交试验设计现在要得到影响零件表面质量的切削三要素即进给量、背吃刀量、主轴转速的最优组合。这就确定了试验的因素为3个即进给量、背吃刀量、主轴转速指标为加工

5、零件表面粗糙度。工装夹具根据试验水平一般以24为合适以尽量减少试验次数的选择原则选择试验因素水平为3。根据实际的加工工艺可以在切削三要素经验值范围内选择三因素的水平如表1所示。图1 ANSYS分析装夹方案图2 装夹变形分析结果进给量（A）背吃刀量（B）主轴转速（C）水平一（1）80023000水平二（2）100014000水平三（3）15000.55000表1 因素水平表图3试验数因素进给量背吃刀量主轴转速误差粗糙度（y-5）(y-5)218002300016.31.31.6928001400024.2-0.80.6438000.5500033.3-1.72.89410002400036.41

6、.41.96510001500015.60.60.36610000.5300024.8-0.20.04710002500026.71.72.89810001300035.80.80.64910000.5400014.9-0.10.01311.15表2 正交试验分析对试验所得的数据结果进行分析计算:(1)计算出每个因素不同水平的水平均值、以及对应的平方值、。(2)计算出各个因素的极差此处使用公式(3)计算总偏差平方S和及列偏差平方和,计算方法如下:令 则S = W P 通过计算得到的方差处理结果如表3所示。ABCD-1.24.41.91.81.80.60.50.72.4-20.60.51.22.

7、130.470.431.4419.363.613.243.240.360.250.495.7640.360.253.487.911.411.332.486.910.410.33表3 方差分析法处理数据4 试验结果分析从极差角度看为2.13 > 1.2 > 0.47,即因素的主次关系为背吃刀量>进给量>主轴转速。从方差分析出发列偏差平方和计算结果如表3所示。总偏差平方和的自由度:f = a - 1第j列的偏差平方和的自由度:= b - 1在计算出的偏差平方和中空列属于误差列而主轴转速列的偏差平方和很小所以也列在误差列中。进行方差分析必须进行显著性试检验以确定影响系数分析结

8、果如表4所示。方差来源偏差平方和自由度均方和显著性水平进给量=2.4821.246.70.1背吃刀量=6.9123.45518.780.01误差=0.742+20.185总和10.158 表4 方差分析表5 结论通过该正交试验分析确定适合零件表面质量的切削三要素即进给量、背吃刀量、主轴转速的最优组合得出如下结论:(1)背吃刀量的显著性系数是0.01,对表面粗糙度影响最显著其次是进给量其显著性系数为0.1,主轴转速的影响相对于背吃刀量和进给量就差很多属于不显著因素。(2)指标为表面粗糙度其值越小越好。单考虑进给量时进给量越小表面粗糙度越小;单考虑背吃刀量时背吃刀量越小粗糙度越小质量越好;单考虑主轴转速时其变化对表面粗糙度的影响不大。(3)通过试验得到最优的组合是。在实际生产中在保证加工质量的前提下为了提高效率可参考上述结论同时应结合加工的实际条件选择具体的主轴转速、进给量和背吃刀量。6 参考文献:【1】任露泉.试验优化设计与分析M .长春:吉林科学技术出版社 2001.【2】杨子青.正交表的构造M .济南:山东人民出版社1975.【3】于骏一邹青.机械制造技术基础M .北京:机械工业出版社 2014.【4】李兵何正嘉陈雪峰. ANSYS Workbench设计、仿真与优化