石 江，楊學軍，王福杰

(1.中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

磨削參數(shù)對端蓋軸承室表面粗糙度影響的研究

石 江1，楊學軍1，王福杰2

(1.中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

針對磨削參數(shù)對軸承室的表面粗糙度的影響進行研究，分析了砂輪粒度、砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等4個因素，合理選取各因素及因素水平，利用單因數(shù)的影響分析，結(jié)合科學的正交試驗法，按照四因素三水平在數(shù)控立式磨床上系統(tǒng)展開試驗，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行科學分析，找出數(shù)控立式磨床上各參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，以及各參數(shù)對表面粗糙度影響的主次順序與交互影響的情況，確定降低表面粗糙度的磨削參數(shù)優(yōu)化組合，對現(xiàn)場端蓋軸承室立式磨削表面粗糙度經(jīng)濟型實現(xiàn)有著重要的指導意義。

軸承室；磨削；正交試驗；表面粗糙度

隨著科學技術(shù)水平的提高，對機器及儀器零件的精度及表面粗糙度要求也越來越高。在磨削加工中，工藝參數(shù)的設(shè)計直接關(guān)系到零件的生產(chǎn)率和表面質(zhì)量、磨削力、砂輪耐用度等結(jié)果的優(yōu)劣，因此應(yīng)對其進行優(yōu)化設(shè)計[1]。

目前，磨削加工工件表面粗糙度的測量仍然采用離線的測量方法[2]。為防止加工過程中表面粗糙度惡化造成報廢，軸承室的表面粗糙度要求為Ra0.8 μm。

本文通過用棕剛玉砂輪磨削加工動車牽引電動機端蓋軸承室，研究砂輪粒度、砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等因素及不同因素的搭配對軸承室表面粗糙度的影響，采用正交試驗方法，尋找砂輪粒度及磨削參數(shù)的合理組合，提供合理選用砂輪粒度與磨削參數(shù)用量的規(guī)律。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗條件及固定因素

1.1.1 試驗條件

試件采用某動車牽引電動機傳動端端蓋半精車毛坯，材料為35鍛鋼，其內(nèi)徑尺寸為130M5 mm。所用設(shè)備為TAIYO KOKI NVGⅡ-8數(shù)控立式磨床。

砂輪直徑為100 mm，砂輪材料為棕剛玉。磨削加工中使用水基磨削液。試驗后，以mitutoyo手持式粗糙度儀測量的表面粗糙度值作為其評定參數(shù)。

1.1.2 固定因素

試驗選擇中碳鋼磨削中應(yīng)用最廣的棕剛玉砂輪。本文不分析砂輪硬度對表面粗糙度的影響。

1.2 試驗因素和因素水平

試驗采用的單因素有砂輪粒度、砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磨削深度等4個，各因素取3個水平。

1)砂輪粒度。粒度是砂輪特性最重要的因素，砂輪粒度越細，單位面積上的磨粒越多，則在表面上的刻痕密而細，表面粗糙度低；但粒度過細時，切削容易堵塞砂輪，使得工件表面溫度升高，塑性變形加大，表面粗糙度反而增加[3]。試驗方案中粒度因素用代號A表示，本試驗選用中碳鋼磨削中比較有代表性的砂輪粒度45#、60#、80#和100#[4]作為研究對象，首先進行單因素分析。其中，砂輪轉(zhuǎn)速為24 m/s，工件轉(zhuǎn)速為21 m/min，磨削深度分別為0.003和0.005 mm。做了2組單因素試驗，其砂輪粒度與表面粗糙度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 同一參數(shù)不同砂輪粒度對樣件表面粗糙度的影響

從單因素的指標變化來看，在砂輪粒度增加到100#時，其表面粗糙度值開始上升，因此本次正交試驗所取粒度因素3個水平為45#、60#和80#。

2)砂輪轉(zhuǎn)速。中碳鋼磨削加工時，常用的砂輪轉(zhuǎn)速為17～35 m/s。本試驗在低速、中速和高速段各選取1種，分別取18、24和32 m/s作為砂輪轉(zhuǎn)速的3個水平。試驗方案中砂輪轉(zhuǎn)速用代號B表示。

3)工件轉(zhuǎn)速。根據(jù)中碳鋼磨削，常用的工件轉(zhuǎn)速為14～28 m/min。考慮到試驗為內(nèi)圓精磨時可適當提高，本試驗選用15、21和27 m/min作為工件轉(zhuǎn)速的3個水平。試驗方案中工件轉(zhuǎn)速用代號C表示。

4)磨削深度。減小磨削深度可以減輕工件材料本身的切削塑性變形，從而減小表面粗糙度值；但同時會降低生產(chǎn)率。根據(jù)數(shù)控立式磨床在中碳鋼磨削中的情況，其磨削深度在0.000 5～0.006 mm中取值。本次試驗中取3種有代表性的磨削深度(0.001、0.003和0.005 mm)作為D因素的3個水平。

綜上所述確定正交試驗中四因素三水平見表1。

表1 磨削試驗因素水平表

1.3 交互作用

因磨削加工中，試驗考察的4個因素不是孤立的，一個因素對指標(表面粗糙度)的影響與另一個因素取什么水平也有關(guān)系，也就是說因素間有交互作用。根據(jù)經(jīng)驗可知，砂輪粒度與其他各因素的交互作用較強，因而首先著重考察砂輪粒度與磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速之間的交互作用，試驗方案中分別用A*D、A*B和A*C表示；其次考察磨削深度與砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速之間的交互作用，以及砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速的交互作用，試驗方案中分別用B*D、C*D和B*C表示。

1.4 試驗方案

經(jīng)分析，交互作用的四因素三水平能安排下來的正交表是L27(313)。為了盡可能地避免混雜，各因素所在列進行了選擇性地安排，其試驗因素及交互在正交表中的排列見表2。表2中，括號內(nèi)因素表示與此列混雜的因素和交互。試驗方案共計13列，表2中從左至右，1～13列順序排列。

表2 試驗因素及交互在正交表中的排列

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)

表面粗糙度試驗數(shù)據(jù)見表3。表3中，第1列中的1、2、3分別代表砂輪粒度45#、60#和80#；第2列中的1、2、3分別代表砂輪速度18、24和32 m/s；第5列中的1、2、3分別代表工件轉(zhuǎn)速15、21和27 m/min，第9列中的1、2、3分別代表磨削深度0.001、0.003和0.005 mm；交互列中的數(shù)字沒有真實意義，只在計算Ki和極差Ri時使用。

表3 表面粗糙度試驗數(shù)據(jù)表

2.2 表面粗糙度試驗結(jié)果分析

按照正交試驗的計算規(guī)則，對試驗結(jié)果進行計算，所計算的試驗數(shù)據(jù)見表4，其中Ki為處于某列的因素或交互第i水平的試驗結(jié)果之和，ki為第i水平因素影響表面粗糙度Ra的效價值，ki=Ki(第j列)/第j列中i的重復次數(shù)，極差R(第j列)=第j列中k1、k2、k3中最大值與最小值之差；第3列中A*B和C*D混雜，第6列中A*C和B*D混雜，第8列B*C和A*D混雜，把數(shù)據(jù)列出僅作參考。

表4 表面粗糙度Ra試驗結(jié)果分析表

2.3 主要影響因素與試驗指標(表面粗糙度)的關(guān)系

1)根據(jù)極差分析，從Rj值的大小可以看出，各因素對考核指標(表面粗糙度)影響的主次順序為A、D、B、C，且A因素影響程度最大，C因素影響最小，僅為0.031。

2)各因素的較優(yōu)位級組合由表4中K1j、K2j和K3j的大小可以看出，各因素較優(yōu)的位級組合為A3B3C2D3。

3)考核指標變化繪制趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，考核指標隨因素A、D的變化較為顯著，因素B、C影響相對較小。

圖2 考核指標(表面粗糙度)變化趨勢

2.4 主要交互的平均效價

平均效價反映交互對試驗結(jié)果的影響程度，因篇幅有限，本文只列舉6組交互(A*B、C*D、A*C、A*D、B*C和B*D)中對Rj影響最大的一組的平均效價(見表5)。

表5 A*C搭配表

由表5可見，A3C2的搭配最好，與因素位級組合吻合，為減少試驗中某一種異常數(shù)據(jù)的影響，按照A*C的9種搭配重新做了3次試驗，把每種搭配的3個試驗結(jié)果求和再取平均，其結(jié)果仍然是A3C2最優(yōu)。

3 優(yōu)化參數(shù)的現(xiàn)場驗證

磨削工序(參數(shù))優(yōu)化的目的是通過比較成本的大小來確定最佳工藝參數(shù)[5]。為有效保證動車軸承室表面粗糙度Ra0.8 μm，同時滿足較好的效率需求，根據(jù)單因素及四因素三水平正交試驗確定的最優(yōu)參數(shù)組合A3B3C2D3，通過生產(chǎn)批量驗證，不僅獲得的表面粗糙度值較小，而且還能較好地穩(wěn)定在Ra0.46～Ra0.50 μm。

4 結(jié)語

通過上述分析，得出如下結(jié)論。

1)各因素和交互對動車牽引電動機端蓋軸承室的表面粗糙度的影響，按主次順序排列如下：砂輪粒度→砂輪粒度和工件轉(zhuǎn)速的交互→砂輪轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速的交互→磨削深度→砂輪轉(zhuǎn)速→砂輪轉(zhuǎn)速與磨削深度的交互→砂輪粒度與磨削深度的交互、砂輪轉(zhuǎn)速與工件轉(zhuǎn)速的交互、砂輪粒度與砂輪轉(zhuǎn)速的交互→工件轉(zhuǎn)速。

2)單因素中，砂輪粒度對表面粗糙度的影響最大，磨削深度、砂輪轉(zhuǎn)速次之，工件轉(zhuǎn)速影響最小。在各因素中，砂輪的影響起主導作用，要加工表面粗糙度值低的表面時，應(yīng)先確定砂輪粒度。

a.針對動車牽引電動機端蓋，選擇砂輪粒度為80#時，獲得最低表面粗糙度的最優(yōu)組合方案為A3B3C2D3，此時砂輪轉(zhuǎn)速為最高的32 m/s，工件轉(zhuǎn)速為中速21 m/min，磨削深度為0.005 mm。

b.選擇砂輪粒度為60#時，獲得最低表面粗糙度的最優(yōu)組合方案為A2B3C2D3，此時砂輪轉(zhuǎn)速為最高的32 m/s，工件轉(zhuǎn)速為中速21 m/min，磨削深度為0.005 mm。

c.選擇砂輪粒度為45#時，獲得最低表面粗糙度的最優(yōu)組合方案為A1B1C1D1，此時砂輪轉(zhuǎn)速為18 m/s，工件轉(zhuǎn)速為最低速度15 m/min，磨削深度為0.001 mm。

d.砂輪粒度也非越大越好，從35鍛鋼材料的單因素試驗來看，其粒度為80#、100#時，因切削堵塞砂輪，工作面溫度升高，塑性變形增大，其表面粗糙度值反而增大。

3)從正交試驗結(jié)果來看，用棕鋼玉砂輪磨削中碳鋼端蓋軸承室時，磨削深度減小，表面粗糙度降低的說法不完善。

4)用棕鋼玉砂輪磨削動車牽引電動機端蓋內(nèi)孔時，不能孤立地考慮砂輪特性和磨削參數(shù)的單因素對表面粗糙度的影響，應(yīng)綜合考察砂輪粒度、砂輪轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速相互間搭配的交互影響，并按照因素間的搭配好壞確定各因素的取值。

5)就動車電動機端蓋軸承室加工來看，在TAIYO KOKI NVGⅡ-8數(shù)控立式磨床上，取得較低值的表面粗糙度、較為理想的加工效率，其較優(yōu)的參數(shù)組合為：砂輪粒度為80#，砂輪轉(zhuǎn)速為32 m/s，工件轉(zhuǎn)速為21 m/min，磨削深度為0.005 mm。

[1] 王劍彬，王勤思. 磨削加工中磨削參數(shù)的模糊優(yōu)化設(shè)計[J]. 南華大學學報：自然科學版，2005，19(1):29-31.

[2] 劉貴杰，趙雷，梅寧. 磨削粗糙度在線檢測方法的實驗研究[J]. 儀器儀表學報，2007,28(1):168-171.

[3] 韓秋實. 機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[4] 孫鳳池. 機械加工工藝手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5] 梁式. 磨削工藝參數(shù)的實用優(yōu)化方法[J]. 機械工藝師，1991(8):25-27.

責任編輯 鄭練

Study on Influence of Grinding Parameters on Surface Roughness of Bearing Chamber

SHI Jiang1, YANG XueJun1, WANG Fujie2

(1.CRRC Zhuzhou Motor Co., Ltd., Zhuzhou 412001, China; 2.CRRC Zhuzhou Locomotive Co., Ltd.,Zhuzhou 412001, China)

Mainly focus on the grinding surface roughness parameters of the bearing chamber to study the effect of the grain size, wheel speed, workpiece speed, grinding depth and four factors of the treasonable selection of each factor level and influence factors. Use the single factor analysis method combining orthogonal experiment science, according to four factors and three levels in the vertical grinder system experiment. Carry out the scientific analysis according to experimental data for vertical grinder parameters of some rules affecting the degrees of surface roughness. Find out the parameters of the sequence and interaction effect of the surface roughness effect, and reduce the grinding parameters to determine the surface roughness, the vertical bearing chamber the grinding end cap surface roughness of economical realization has the important guiding significance.

bearing chamber, grinding, orthogonal experiments, surface roughness

TM 343+.3

A

石江(1978-)，男，高級工程師，主要從事電動機工藝技術(shù)研發(fā)等方面的工作。

2016-07-08