左健民，周少龍，汪木蘭，陳建

(1.常州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇常州213016;2.江蘇理工學(xué)院，江蘇常州213001;3.南京工程學(xué)院先進數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點建設(shè)實驗室，江蘇南京211167)

SPSS 軟件(Statistical Product and Service Solutions，統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案)是一種集數(shù)據(jù)整理功能和分析功能于一身的數(shù)據(jù)處理軟件，它能以圖表的形式詳細地分析二次正交試驗中單個因素對試驗結(jié)果的影響比重，并能計算各因素的影響系數(shù)。采用數(shù)控切削技術(shù)對消失模進行直接加工的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消失模模具生產(chǎn)領(lǐng)域［1］。消失模是用大量的高聚苯乙烯顆粒粘結(jié)而成的泡沫材料［2－5］，當(dāng)采用數(shù)控機床對消失模模具進行切削加工時，沒有被完全切削的泡沫顆粒容易被刀具整體帶出而使切削表面形成顆粒凹陷。經(jīng)試驗證實，消失模模具的表面總顆粒凹陷面積同切削面積的百分比f 是衡量消失模表面切削質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。利用SPSS 軟件中的二次正交組合設(shè)計方法對切削質(zhì)量參數(shù)f 進行研究，分析了主軸轉(zhuǎn)速、軸向進給量、徑向進給量和切削速度對f 的影響規(guī)律，并提出最優(yōu)的切削參數(shù)組合，為預(yù)測消失模切削表面質(zhì)量提供了合理選擇參數(shù)的方法。

1 實驗方案

1.1 實驗裝置

某型號的數(shù)字化無模精密成形機如圖1所示。

刀具選擇直徑為8 mm 的硬質(zhì)合金雙刃立銑刀，實驗材料選擇密度為18 kg/m3的高聚苯乙烯消失模材料。

圖像處理設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)包括:分辨率為780 ×520，帆數(shù)為50，像素尺寸為8.3 ×8.3。

圖1 數(shù)字化無模鑄造精密成形機

1.2 實驗條件設(shè)定

確定影響因素的變化范圍:主軸轉(zhuǎn)速1 500 ～3 000 r/min，軸向進給量1 ～3 mm，切削寬度2 ～4 mm，切削速度200 ～300 mm/mim。

確定影響因素的上、下水平、變化間距以及對因子進行編碼，然后根據(jù)相應(yīng)的公式z0j=(z2j+z1j)/2，Δj=z1j+z0j計算出各因素的零水平和各因素變化間距，從而得到表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)選取表

其中，Z2j為上水平，即各實驗因素取值最高的那個水平;Z1j為下水平，即各實驗因素取值最低的那個水平;Z0j為零水平，即上下水平的平均數(shù);+γ為參數(shù)上限;－γ 為參數(shù)下限。

按照SPSS 軟件中二次回歸正交組合設(shè)計的方法，將表1 中的數(shù)據(jù)輸入SPSS 軟件中，并把實驗結(jié)果通過數(shù)據(jù)對應(yīng)起來，如圖2所示。

圖2 SPSS 軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

為了能夠量化各參數(shù)對切削表面質(zhì)量的影響情況，引入信噪比實驗檢驗方法。信噪比實驗設(shè)計法是一種將不可控的因素對實驗按結(jié)果的影響程度變換成特性值，并尋求其最小分布的強健設(shè)計方法［6］。因為期望表面凹陷量小，因而用極小特性來計算特性值信噪比?，F(xiàn)將實驗數(shù)據(jù)代入信噪比實驗公式:

ηj=－lgy2

ηz(－1)=(η9+η10+…+η16)/8 =－26.18

ηz(0)=(η19+η20+…+η27)/9 =－25.78

ηz(1)=(η1+η2+…+η8)/8 =－26.28

其中:ηj為信噪比;y 為試驗結(jié)果。

根據(jù)信噪比公式計算得到結(jié)果見表2。

表2 各因數(shù)影響水平表

其中:z1為主軸轉(zhuǎn)速;z2為軸向進給量;z3為徑向進給量;z4為切削速度。

從表2 中可以看出，對切削表面質(zhì)量影響最大的是徑向進給量，其影響比重占40%，其次是軸向進給量、切削速度及主軸轉(zhuǎn)速。從表2 所得到的數(shù)據(jù)來看最優(yōu)的切削參數(shù)組合是:z1(0)、z2(－1)、z3(－1)和z4(－1)，即主軸轉(zhuǎn)速為2 250 r/min，軸向進給量為1.4 mm，進給寬度為3 mm，進給速度為218 mm/min。

為了更加直接地看出各影響因素對表面質(zhì)量的影響程度，利用SPSS 軟件中的圖像處理功能分別對主軸轉(zhuǎn)速、軸向進給量和徑向進給量3 個因素進行分析。

從圖3 可以看出:如果主軸轉(zhuǎn)速過高，高速旋轉(zhuǎn)的主軸在主軸附近產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，泡沫顆粒容易吸附在主軸刀刃表面，從而影響到切削表面的質(zhì)量。另外，過高的主軸轉(zhuǎn)速還會增加機床的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生振動，從而影響到消失模的表面切削質(zhì)量。當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 800 r/min 時，在多種參數(shù)共同作用下過低的主軸轉(zhuǎn)速不利切削泡沫顆粒，會在工件表面形成顆粒凹陷，從而影響到工件表面的切削質(zhì)量。從圖3 還可以看出:當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在1 600 r/min 時雖然能夠獲得較高的表面切削質(zhì)量，但是需要較小軸向進給量和切削寬度作為配合，這樣會降低綜合加工效率。總之，在多因素共同作用下，主軸轉(zhuǎn)速為2 200 r/min 時，消失模的表面切削質(zhì)量最優(yōu)。

當(dāng)泡沫顆粒的粒徑為1 ～2 mm，軸向進給量越小，切削消失模顆粒的阻力就越小，泡沫顆粒就越不容易被刀具整體帶出。從圖4 可以看出:軸向進給量越小，則切削的表面質(zhì)量越好，但是消耗的工時也就越長。實驗證明，當(dāng)軸向進給量大于2.5 mm 時，消失模表面會產(chǎn)生大量未經(jīng)切削泡沫顆粒，切削表面也會產(chǎn)生大量顆粒凹陷。

徑向進給量是影響消失模數(shù)控加工工時的一個重要因素。當(dāng)切削徑向進給量小于消失模的粒徑時，盡管能得到較高的切削質(zhì)量，但在實際生產(chǎn)過程中需要大量工時。當(dāng)切削徑向進給量大于粒徑時，不僅能夠大量縮短加工工時，而且加工表面質(zhì)量能夠滿足消失模鑄造的要求。從圖5 可以看出:在各切削參數(shù)共同作用下，消失模切削表面質(zhì)量參數(shù)f 是隨著徑向進給量的增加而增大。

利用SPSS 軟件自動生成各參數(shù)的系數(shù)，從而得到參數(shù)多項式來驗證SPSS 軟件在此次數(shù)據(jù)處理中的可靠性。

表3 為SPSS 軟件自動生成的各參數(shù)的系數(shù)表，由系數(shù)表中各因數(shù)的參數(shù)可得到式(1):

現(xiàn)將因數(shù)和切削參數(shù)的關(guān)系式代入式(1)，從而得到切削表面質(zhì)量與各參數(shù)的多項式:

現(xiàn)將實驗數(shù)據(jù)代入式(2)，驗證此次SPSS 軟件數(shù)據(jù)處理的可靠性。經(jīng)過比較表明，計算結(jié)果同實驗結(jié)果誤差在1%范圍之內(nèi)，因此此次實驗得到的數(shù)據(jù)分析是可靠的。

表3 切削因數(shù)參數(shù)表

2 結(jié)論

利用SPSS 軟件的正交回歸試驗設(shè)計功能，對消失模數(shù)控銑削表面工藝進行分析和研究，可以得到如下結(jié)論:

(1)對加工表面質(zhì)量影響最顯著的是徑向進給量，其影響比重在40% 左右，其次是軸向進給量、切削速度和徑向進給量;

(2)軸向進給量和徑向進給量對切削表面加工質(zhì)量的影響趨勢相同，呈現(xiàn)上升趨勢。同時，在實際加工過程中，應(yīng)該綜合考慮工時和工件對表面質(zhì)量的雙重影響，既要盡量縮短工時，又要滿足工件表面的加工質(zhì)量要求。

(3)在多因素的共同影響下，主軸轉(zhuǎn)速對消失模表面切削質(zhì)量的影響并不是呈遞增或遞減趨勢，較低的主軸轉(zhuǎn)速盡管能得到較高的消失模表面加工質(zhì)量，但其同時需要較低的軸向進給量和徑向進給量相互配合，這樣會增加加工工時。較高的主軸轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致機床本身不穩(wěn)定，而且形成高速漩渦流使泡沫碎屑吸附在刀刃表面，從而影響到消失模加工表面質(zhì)量。

【1】呂竹清，王華昌，李志剛.基于UG 的消失模泡沫模樣數(shù)控刀路優(yōu)化算法研究［J］.鍛壓技術(shù)，2010(6):137－141.

【2】黃天佑，黃乃瑜，呂志剛.消失模鑄造技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:17－76.

【3】利于三，章舟.消失模白模發(fā)泡成型設(shè)備及模具［J］.鑄造設(shè)備研究，2007(6):60－63.

【4】趙忠，樊自田，成平，等.Al-Si7-Mg 消失模振動凝固組織半固態(tài)熱處理［J］.金屬熱處理，2010(1):57－62.

【5】吳淑寶，方亮，董志根，等.可用于消失模模樣制造的EPS 快速成型系統(tǒng)［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新，2011(3):173－145.

【6】楊德.實驗設(shè)計與分析［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2002:60－85.

【7】王頡.實驗設(shè)計與SPSS 應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:165－200.

【8】DONG H Y，HUANG P J，BI Y B.Study on the Orthogonal Cutting Process of Al7050t7451 with Uncoated and Coated Tools［J］.Key Engineering Materials，2009，392/393/394:990－995.