游米蘭 吳世應

（1.湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，湖南株洲 412001；2.中車制動系統(tǒng)有限公司株洲分公司，湖南株洲 412001）

0 引言

灰鐵件由于材料來源豐富、制造成本低、鑄造過程容易融化、鑄造性能好、耐磨性好等優(yōu)點而普遍應用于電機端蓋的制造加工。對于灰鐵件來說，表面粗糙度不僅直接影響鑄件的外觀是否精美，而且也會影響灰鐵件的使用壽命[1]。

端蓋是電機的重要零件，其軸承室的表面粗糙度是衡量端蓋質量的一項重要指標，直接影響其與軸承的配合性、耐磨性、摩擦系數(shù)、疲勞強度和使用壽命等。對于電機端蓋來說，端蓋軸承室表面粗糙度值越大，對軸承的摩擦磨損也越大，不僅在增加動力消耗的同時導致軸承發(fā)熱，還降低了軸承的接觸剛度和定位精度；并且會增加應力集中，導致軸承疲勞強度顯著降低。

在車削加工工藝中，影響表面粗糙度的主要因素有工件材料、車削速度、進給量、切削深度、機床性能、刀具類型等[2]。本文主要研究刀具類型和車削參數(shù)（切削線速度、切削深度、進給量）對HT200端蓋的軸承室加工表面質量的影響，旨在提升其表面粗糙度，滿足產(chǎn)品質量要求。

1 試驗思路

在灰鐵件加工過程中，機床剛性、切削刀具以及切削幾何參數(shù)選擇等因素，均會影響灰鐵件加工的表面粗糙度[3]。為提高產(chǎn)品加工質量，以同一批HT200端蓋為研究對象，采用正交試驗法和多參數(shù)單變量試驗法對端蓋軸承室加工表面質量進行試驗，端蓋經(jīng)過粗加工、人工時效處理，通過變更精加工切削刀具類型以及車削參數(shù)，檢測端蓋軸承室表面粗糙度值變化。通過試驗數(shù)據(jù)分析，研究刀具類型和車削參數(shù)（切削線速度、切削深度、進給量）對端蓋軸承室表面粗糙度的影響，從而獲得既滿足設計要求又使加工成本較低的最優(yōu)組合，再進行該最優(yōu)組合的重復性試驗，驗證其可操作性和可重復性。

2 正交試驗的特點和優(yōu)點

正交試驗設計是多因素多水平研究的一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設計方法，它是一種分式析因方法，是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備“均勻分散，齊整可比”的特點。日本著名的統(tǒng)計學家田口玄一將正交試驗選擇的水平組合列成表格，稱為正交表。在生產(chǎn)和科研中，為研制新產(chǎn)品、改良工藝方法、尋求優(yōu)良的生產(chǎn)條件，需要做大量的試驗。如果沒有正確的試驗設計方法，將使試驗次數(shù)繁多，且得出的試驗數(shù)據(jù)不一定能全面揭示事物內在的規(guī)律，從而無法達到試驗效果，不能很好地指導產(chǎn)品的生產(chǎn)加工。正交試驗設計和分析方法是目前最常用的工藝優(yōu)化試驗設計和分析方法之一，是部分因子設計的主要方法。正交試驗以概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗為基礎，利用標準化正交表格來合理地安排試驗方法，并利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的原理科學地對試驗結果進行計算分析，最終高效、快速、經(jīng)濟地找到優(yōu)化方案。這種方法的優(yōu)點在于，能通過代表性很強的少數(shù)次試驗，分析各個因素對試驗指標的影響情況，確定影響因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)參數(shù)組合。

3 正交試驗設計方法

合理設計正交表是正交試驗設計的基礎。正交試驗的設計和驗證要點主要有以下幾點：

1）明確試驗目的，確定試驗考核的指標。首先需明確通過正交試驗想要解決什么問題，確定用來衡量試驗效果的評價指標，并確定評價指標的標準及檢測方法。本文試驗的目的為：通過研究刀具類型和車削參數(shù)（切削線速度、切削深度、進給量）對端蓋軸承室表面粗糙度的影響，分析各個因素對試驗指標的影響情況，確定影響因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)參數(shù)組合。評價指標為刀具加工后的表面粗糙度值，檢測方法為使用專用粗糙度儀檢測。

2）挑選因素，選水平。有依據(jù)地選擇導致評價指標變化的影響因素，因素在試驗中的各種狀態(tài)稱為因素的水平，應選擇適于控制和調節(jié)的影響因素，列出因素水平表。一般先通過單因素試驗確定正交試驗中選擇的因素和水平，再做正交試驗考察因素間的交互作用。

3）選擇合適的正交表。在能夠安排下試驗因素和交互作用的前提下，盡可能選用較小的正交表，以減少試驗次數(shù)和成本的消耗，本文試驗選用L9（34）正交表。

4）正交試驗表頭設計。表頭設計即將試驗因素安排到所選正交表的各列中去的過程。正交表中任意一列的位置是一樣的，可任意變換。因此，不考慮交互作用的情況下可直接將所有因素安排在任意一列；如果考慮交互作用，則必須按照交互作用表的規(guī)定進行配列，重點考察的因素、涉及交互作用較多的因素應優(yōu)先安排。

5）試驗方案。表頭設計完成后，將所選正交表中各列的不同數(shù)字換成對應的水平，形成試驗方案。試驗方案中的試驗號一般同時進行，為排除外界環(huán)境干涉，應使試驗序號隨機化。

6）開始正交試驗、記錄結果。按照隨機試驗順序進行試驗，記錄測量結果，填入表中。

7）正交試驗結果統(tǒng)計分析。正交設計的試驗結果分析主要有極差分析法（也稱“直觀分析法”）和方差分析法。前者只考慮因素間的影響，不考慮試驗誤差，后者是一種精細化分析方法。本文采用直觀分析法（極差分析法）。

8）試驗總結。

4 正交試驗設計及數(shù)據(jù)分析

按照正交表安排的試驗方案進行隨機試驗，將試驗數(shù)據(jù)置于正交表中即可進行分析。一般正交試驗采用極差分析和方差分析方法，以確定各因素水平的影響程度，最終找出最優(yōu)因素組合。極差分析的優(yōu)點是簡單易行、直觀易懂，本文采用極差分析評價各因素對精加工后表面粗糙度的影響。

4.1 正交試驗設計

正交試驗設計的步驟如下：

1）明確試驗指標和影響因素，制定因素水平表。

試驗指標：表面粗糙度。

試驗因素：A—刀具類型、B—切削線速度、C—切削深度、D—進給量。

2）選擇正交表，設計表頭。

正交表是一整套規(guī)格的設計表格，L為正交表代號，n為試驗次數(shù)，t為水平數(shù)，c為列數(shù)（即可安排的最多因素個數(shù)）。正交表構造需要用到組合數(shù)學和概率學知識，現(xiàn)在廣泛使用的Ln（tc）類型正交表構造思想比較成熟。試驗選用L9（34）正交表，主要研究刀具類型、切削線速度、切削深度、進給量這4個因素，每個因素各選取3個水平進行試驗，因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

3）按照正交表設計試驗方案。

按照正交表L9（34）的內容及設計的表頭確定試驗方案。

4）按照正交表中的方案進行試驗。

根據(jù)L9（34）正交表實施具體試驗方案，按照隨機順序進行試驗，記錄測量的粗糙度值結果，填入表中并記錄，如表2所示。

5）正交試驗數(shù)據(jù)計算。

按照正交試驗表進行計算。

（1）各水平平均和計算：分別對4個因素水平的試驗結果求和，計算結果如表3所示。

表3 因素水平偏差和計算

因素A的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.73+1.550+1.76=5.04。

因素A的第二水平試驗結果求和Ⅱj：2.245+2.088+1.896=6.229。

因素A的第三水平試驗結果求和Ⅲj：2.321+2.115+1.863=6.299。

因素B的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.73+2.245+2.321=6.296。

因素B的第二水平試驗結果求和Ⅱj：1.550+2.088+2.115=5.753。

因素B的第三水平試驗結果求和Ⅲj：1.760+1.896+1.863=5.519。

因素C的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.730+1.896+2.115=5.741。

因素C的第二水平試驗結果求和Ⅱj：1.550+2.245+1.863=5.658。

因素C的第三水平試驗結果求和Ⅲj：1.760+2.088+2.321=6.169。

因素D的第一水平試驗結果求和Ⅰj：1.730+2.088+1.863=5.681。

因素D的第二水平試驗結果求和Ⅱj：1.550+1.896+2.321=5.767。

因素D的第三水平試驗結果求和Ⅲj：1.760+2.245+2.115=6.120。

（2）各因素水平求和結果的均值計算：分別求出各因素各水平結果求和的平均值即Ⅰj/3、Ⅱj/3、Ⅲj/3，計算結果如表4所示。

表4 四因素三水平試驗偏差平均值計算

因素A的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：5.040/3=1.680。

因素A的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：6.229/3≈2.076。

因素A的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：6.299/3≈2.100。

因素B的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：6.296/3≈2.099。

因素B的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：5.753/3≈1.918。

因素B的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：5.519/3≈1.840。

因素C的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：5.741/3≈1.914。

因素C的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：5.658/3=1.886。

因素C的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：6.169/3≈2.056。

因素D的第一水平試驗結果求和的平均值Ⅰj/3：5.681/3≈1.894。

因素D的第二水平試驗結果求和的平均值Ⅱj/3：5.767/3≈1.922。

因素D的第三水平試驗結果求和的平均值Ⅲj/3：6.120/3=2.040。

（3）極差計算：分別求出各因素的平均值的差值（極差），如果是三個以上水平則要找出平均值的最大值和最小值之間的差值Rj，計算結果如表5所示。

表5 四因素三水平試驗極差分析表

因素A水平試驗結果的極差Rj：Ⅱj/3-Ⅰj/3=2.100-1.680=0.420。

因素B水平試驗結果的極差Rj：Ⅰj/3-Ⅲj/3=2.099-1.840=0.259。

因素C水平試驗結果的極差Rj：Ⅲj/3-Ⅱj/3=2.056-1.886=0.170。

因素D水平試驗結果的極差Rj：Ⅲj/3-Ⅰj/3=2.040-1.894=0.146。

（4）采用專用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件復檢計算結果，如圖1所示。

圖1 正交試驗設計助手極差分析表

4.2 正交試驗數(shù)據(jù)分析

4.2.1 直接分析

由數(shù)據(jù)結果可以直接看出，表面粗糙度值比較：試驗2（Ra1.55 μm）＜試驗1（Ra1.73 μm）＜試驗3（Ra1.76μm）＜試驗9（Ra1.863μm）＜試驗6（Ra1.896μm）＜試驗5（Ra2.088 μm）＜試驗8（Ra2.115 μm）＜試驗4（Ra2.245 μm）＜試驗7（Ra2.321 μm）。在2號試驗（A1B2C2D2）的工藝條件下，加工出來的表面粗糙度Ra1.55 μm最光滑。但這種條件是否就是因素水平的最優(yōu)方案，在9種方案之外是否還有更好的水平搭配，還需通過進一步計算分析確定。

4.2.2 極差分析

極差分析是通過簡單計算判斷各因素水平對試驗結果的影響，再通過計算極差（找出最大值和最小值之差），最終確定水平搭配的最優(yōu)方案。偏差平均值越小，說明該因素水平下的效果越好，極差越大，所對應的因素越重要。

4.2.3 最優(yōu)水平搭配組合分析

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)結果可知，A水平極差平均值A1（Ra5.040 μm）＜A2（Ra6.229 μm）、A3（Ra6.299 μm），B水平極差平均值B3（Ra5.519μm）＜B2（Ra5.753μm）＜B1（Ra6.296 μm），C水平極差平均值C2（Ra5.658 μm）＜C1（Ra5.741 μm）＜C3（Ra6.169 μm），D水平極差平均值D1（Ra5.681μm）＜D2（Ra5.767μm）＜C3（Ra6.120μm）。

偏差平均值越小，說明該因素水平下的效果越好。根據(jù)比較結果，取最小值，可判斷A1為A因素的最優(yōu)水平，B3為B因素的最優(yōu)水平，C2為C因素的最優(yōu)水平，D1為D因素的最優(yōu)水平，所以最優(yōu)水平搭配組合為A1B3C2D1，即刀具類型為鉆石YBD152、切削線速度v=200 m/min、切削深度ap=0.2 mm、進給量f=0.10 mm/r為生產(chǎn)工藝加工的最優(yōu)組合，即在該水平條件下加工的產(chǎn)品表面粗糙度最好。

4.2.4 試驗因素影響主次順序分析

根據(jù)極差數(shù)值的大小，可以判斷各因素影響的大小。極差越大，所對應的因素越重要，對結果的影響越大。由表5試驗結果可知，極差值D（Ra0.146 μm）＜C（Ra0.170 μm）＜B（Ra0.259 μm）＜A（Ra0.42 μm）。故試驗因素對試驗結果影響的主次順序為A（刀具類型）＞B（切削線速度）＞C（切削深度）＞D（進給量），即刀具類型對試驗結果的影響最大，其次為切削線速度，再次為切削深度，最后為進給量。

5 研究結論

HT200端蓋軸承室加工的最優(yōu)參數(shù)組合為：

刀具類型選擇：鉆石刀具YBD152；

線速度選擇：v=200 m/min；

切削深度選擇：ap=0.2 mm；

進給量選擇：f=0.10 mm/r。

此時，加工的產(chǎn)品表面粗糙度最好。影響HT200端蓋軸承室加工的因素主次順序為：刀具類型選擇對試驗結果的影響最大，其次為切削線速度選擇，再次為切削深度選擇，最后為進給量選擇。