汪洋，楊蘭杰

1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江杭州 310018；2.浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司,浙江杭州 310018

0 引言

汽車碳纖維材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)是一種用于汽車車身和零配件的新型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。它具有強(qiáng)度高、抗沖擊強(qiáng)、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于新能源汽車行業(yè)，可以減輕車輛自重，減少能源消耗，提高汽車的動(dòng)力利用率[1]。在實(shí)際生產(chǎn)工藝中，CFRP材料通常由成型壓制而成，但往往無法滿足裝配要求，因而需要對(duì)其進(jìn)行二次機(jī)械加工,特別是與其他零件裝配時(shí)需要進(jìn)行大量的鉆孔加工[2]。

1 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與鉆孔難點(diǎn)

不同于金屬材料，碳纖維復(fù)合材料具有各向異性和層間強(qiáng)度低的特點(diǎn)[3]。如圖1所示，碳纖維復(fù)合材料由多層碳纖維層組成，層與層間的纖維呈90°垂直相交[4]。在鉆孔過程中，鉆頭刃口對(duì)材料的切削作用既有纖維層與纖維層之間的縱向分離和撕裂，又有對(duì)纖維自身的橫向拉扯和割斷。在這種復(fù)雜的切削加工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)材料層分離[5-6]、刀具快速磨損、孔內(nèi)表層加工質(zhì)量較差等相關(guān)問題[7]。鉆頭設(shè)計(jì)參數(shù)既要考慮刃口鋒利性，提高鉆孔速度，讓纖維順利地被割斷以保證材料層不分離，提高孔壁加工質(zhì)量；又要平衡刃口的耐磨性，提高鉆頭的使用壽命。而在刀具的設(shè)計(jì)過程中，使用壽命和加工速度是一個(gè)天平的兩端，是一對(duì)矛盾體，提高加工速度往往需要犧牲使用壽命，因此需要更科學(xué)的方法來平衡這兩個(gè)性能需求，獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

圖1 碳纖維復(fù)合材料層間結(jié)構(gòu)

2 新型鉆頭設(shè)計(jì)特征

新設(shè)計(jì)的鉆頭采用多個(gè)硬質(zhì)合金刀頭通過焊接的方式鑲嵌在高碳鋼材質(zhì)的鉆體上。合金刀頭齒形為組合型齒形，如圖2所示。這種齒形既考慮到刀頭的鋒利性，又考慮到刀頭的耐磨性。在鉆孔時(shí)，多個(gè)刀頭參與加工，對(duì)纖維材料既有銑削也有鋸切。鉆頭性能目標(biāo)以鉆孔個(gè)數(shù)(使用壽命)和完成第一孔的鉆孔時(shí)間(鉆孔速度)來表征。在前期的研究中，選擇了一種耐磨損、抗高溫的硬質(zhì)合金作為刀頭材料。而影響性能的主要設(shè)計(jì)因子為刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角，這也將作為DOE設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。

圖2 新型鉆頭刀齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀齒角度示意如圖3所示。

圖3 刀齒角度示意

3 DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文DOE試驗(yàn)因子共有3個(gè)，分別為刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角，且每個(gè)因子分別具有3個(gè)水平，具體見表1。

表1 因子與水平設(shè)計(jì)

采用MINITAB分析軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，并利用回歸分析和響應(yīng)優(yōu)化獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)果預(yù)期。為便于分析，本文將水平1設(shè)置為低水平，水平2設(shè)置為高水平，水平3設(shè)置為中心點(diǎn)。在試驗(yàn)方案中設(shè)置4個(gè)中心點(diǎn)，得到的DOE試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，共得到12組設(shè)計(jì)方案。通過樣品測(cè)試(每個(gè)設(shè)計(jì)方案10支樣品)得到各設(shè)計(jì)方案的測(cè)試數(shù)據(jù)，其中鉆孔個(gè)數(shù)(Y1)與第一孔鉆孔時(shí)間(Y2)的數(shù)據(jù)為10支樣品的測(cè)試平均數(shù)據(jù)[8-9]。

表2 DOE試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 鉆孔個(gè)數(shù)Y1影響分析

第一次全項(xiàng)目建模的刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角的與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值見表3。

表3 第一次全項(xiàng)目建模的刀頭齒數(shù)、刀齒前角和后角與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值

由表3可知，因子B的P值為0.028，交互因子B×C的P值為0.023，均小于0.050;對(duì)Y1為顯著因子;而齒數(shù)A的P值為0.696,大于0.050，對(duì)Y1為非顯著因子。Y1標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正態(tài)圖如圖4所示。

圖4 Y1標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)正態(tài)圖

去除非顯著因子進(jìn)行第二次優(yōu)化建模， 優(yōu)化建模刀齒前角和后角與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值見表4。

表4 優(yōu)化建模的刀齒前角和后角與鉆孔個(gè)數(shù)的回歸方程參數(shù)值

優(yōu)化建模后，模型主效應(yīng)P值為0.003，小于0.050。由表5可知，優(yōu)化后回歸方程的標(biāo)準(zhǔn)誤差S值減少，R2(調(diào)整)值增大，證明優(yōu)化后的模型更好。

表5 兩次模型效果比較

由表5的數(shù)據(jù)可得到鉆孔個(gè)數(shù)Y1的回歸方程式(1)、前角、后角與鉆孔個(gè)數(shù)的等值效應(yīng)和各因子對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)Y1的效應(yīng)如圖5至圖7所示。通過分析，齒數(shù)對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)沒有顯著影響(圖6)，前角以及前角與后角的交互作用對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)有顯著影響(圖7)，圖5可以更直觀地看出前角與后角對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)的影響趨勢(shì)。

Y1=16.00+4.00B+1.25C+4.25B×C

(1)

圖5 前角、后角與鉆孔個(gè)數(shù)的等值效應(yīng)

圖6 各因子對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)Y1的主效應(yīng)

圖7 交互因子對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)Y1的效應(yīng)

3.3 第一孔鉆孔時(shí)間(Y2)影響分析

各因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間的回歸方程參數(shù)值見表6，回歸方程見式(2)。各因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2的主效應(yīng)如圖8所示，交互因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2的效應(yīng)如圖9所示。由表6可知，擬定的回歸方程中，齒數(shù)、前角和后角的P值均小于0.050，說明這3個(gè)因子對(duì)第一孔的鉆孔時(shí)間Y2都有顯著影響;由圖8可以更直觀地看到各因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2的影響趨勢(shì)。而圖9可以直觀地看出齒數(shù)與前角的交互作用對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2沒有顯著影響;表6中的P值為0.119，大于0.050，也證明了齒數(shù)與前角的交互作用對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2沒有顯著影響。而從表6的P值和圖9中都可以直觀地反映齒數(shù)與后角的交互作用以及后角與前角的交互作用都對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2有顯著影響。

Y2=85.88+14.88A-18.62B-8.13C-3.12A×B-

8.12A×C-9.12B×C

(2)

表6 各因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間的回歸方程參數(shù)值

圖8 各因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2的主效應(yīng)

圖9 交互因子對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間Y2的效應(yīng)

3.4 響應(yīng)優(yōu)化

通過MINITAB的優(yōu)化響應(yīng)器對(duì)Y1、Y2進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)Y1設(shè)置為望大，而Y2設(shè)置為望小，并預(yù)測(cè)結(jié)果。置信區(qū)間為95%的預(yù)測(cè)結(jié)果見表7。最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)為齒數(shù)4個(gè)、前角5°、后角65°。預(yù)測(cè)到鉆孔個(gè)數(shù)為25.75個(gè)，第一孔鉆孔時(shí)間為46.375s。

表7 置信區(qū)間為95%的預(yù)測(cè)結(jié)果

3.5 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

選取最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)齒數(shù)4個(gè)、前角5°、后角65°的樣品共20支進(jìn)行實(shí)際加工測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)見表8。通過驗(yàn)證結(jié)果分析滿足95%置信區(qū)間預(yù)測(cè)區(qū)間，說明最優(yōu)值的設(shè)置是合理的。

表8 優(yōu)化驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)通過DOE分析齒數(shù)、前角和后角對(duì)鉆頭鉆孔個(gè)數(shù)和第一孔鉆孔時(shí)間的影響。結(jié)果表明，齒數(shù)和后角對(duì)鉆孔個(gè)數(shù)及鉆頭壽命影響不顯著，前角對(duì)鉆頭壽命有顯著影響，后角與前角的交互作用對(duì)鉆頭壽命也是有顯著影響。

(2)DOE分析結(jié)果表明，齒數(shù)、前角和后角對(duì)第一孔鉆孔時(shí)間及鉆孔速度有顯著影響，齒數(shù)與后角的交互作用以及前角與后角的交互作用對(duì)鉆孔速度有顯著影響。

(3)針對(duì)齒數(shù)、前角和后角等3個(gè)因子評(píng)價(jià)優(yōu)化得到的參數(shù)為齒數(shù)4個(gè)、前角5°、后角65°。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用DOE全因子試驗(yàn)并利用響應(yīng)優(yōu)化獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)是可行的。