基于正交试验设计的压缩机曲轴电化学抛光工艺参数优选

时君丽， 王雅君， 孙秋花， 樊双姣， 曲洪伟

（1.大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连 116034；2.大连三洋压缩机有限公司，辽宁 大连 116600）

0 引 言

不断提高压缩机的能效比是当前制冷压缩机技术领域研究的热点，其技术手段之一就是降低压缩机的摩擦损失提高机械效率，而曲轴是压缩机中最重要的运动部件，它与上支撑、下支撑、动涡旋形成3个滑动副，以某品牌5马力涡旋压缩机为例，此3个滑动副摩擦损耗可达400W，占压缩机输入功率10%以上，因此降低曲轴的表面粗糙度会大大降低压缩机的摩擦损耗，所以研究降低曲轴表面粗糙度的工艺方法对提高压缩机的能效比具有非常重要的意义。

电化学抛光是指在一定电解液中金属工件作为阳极溶解，使其表面粗糙度下降、光亮度提高，并产生一定金属光泽的表面光整技术［1－3］。目前，该技术已在零部件精加工、零部件样品制备及需要控制表面质量与粗糙度的零件上获得广泛的应用。

影响曲轴粗糙度的工艺参数包括电解液种类、电解液浓度、电解液温度、抛光时间、电流密度、电极极间间隙、砂带粒度、工件转速等，而且这些参数相互影响、相互作用。若8个参数各选3个水平进行全面试验，需要付出大量的时间和试验资源。本文通过正交试验设计方法，与电化学抛光技术相结合，利用最少的试验次数获得了较理想的工艺参数组合，通过进一步的试验验证证明试验结果达到了较高的要求。

1 试 验

1.1 试验条件

试验机床：CDL6136高速卧式车床；电源：SMD－300D型数控脉冲电镀电源；砂带装置：布基、氧化物堆积磨料、粘接接头的优质砂带；检测仪器：RA200粗糙度仪；试验样件：45钢的压缩机曲轴，轴承部位长度Lr＝40mm，直径Φ＝40mm。选取18试件，每个试件选择2个粗糙度检测取样位置，检测位置如图1所示，分别是标注的位置1和位置2，两位置的粗糙度初始数据见表1。

图1 曲轴检测位置Fig.1 Crankshaft measurement position

1.2 试验方案设计

1.2.1 制定因素水平表

经过分析筛选，确定抛光时间、电解液种类、电解液浓度、电解液温度、电流密度、电极间隙、砂带粒度和工件转速8个因素。这8个因素均可以取相应的水平，并可以形成多种组合，考虑到工件抛光时间的变化对超精加工效率影响较小，选2个水平，其他因素则根据以往的经验，确定3个水平。影响曲轴电化学抛光效果的因素水平组合见表2。

表1 试件初始粗糙度数据Tab.1 Initial roughness data of sample

表2 电化学抛光影响因素及水平Tab.2 Electrochemical polishing influencing factors and levels

1.2.2 试验安排

据因素水平表选用L18（21×37）正交表，该表恰好能安排1个2水平的因素和7个3水平因素，共需做18次试验［4］。试验安排及曲轴位置1和位置2的粗糙度见表3。

1.3 试验结果分析

利用极差分析法对曲轴电化学抛光实验结果进行分析［5］，如表4所示。表中 K1、K2、K3、分别表示各因素对应相同水平粗糙度检测结果之和，R 为K1、K2、K3的极差。

1.3.1 确定因素的重要度

根据极差R的大小确定关键、重要、一般、次要因素的原则，对于位置1来说，8个因素的极差R从大到小的顺序为：A、F、D、B、C、E、H、G，因此，得出对于位置1粗糙度关键因素：A，重要因素：F、D，一般因素：B、C、E、H，次要因素 G。同样，对于位置2，关键因素：D，重要因素：A、E，一般因素：B、C、F、G，次要因素：H。

1.3.2 确定因素的水平

由于曲轴的表面粗糙度越小越好，从表4中K1、K2、K3显示的结果可以看出，对于位置1，因素A的K1值最小，因素B的K1值最小，因素C的K1值最小，因素D的K3值最小，因素E的K1值最小，因素F的K3值最小，因素G的K1值最小，因素H的K1值最小，因此，最优方案组合是A1B1C1D3E1F3G1H1。同样，对于位置2可知最优方案组合是A1B1C1D2E2F2G1H1。那么，综合来说，8因素可能选择的最佳水平如表5所示。

表3 正交试验结果Tab.3 Result of orthogonal experiment

表4 正交试验结果分析Tab.4 Analysis of orthogonal experiment result

表5 各参数可能选择的最佳水平Tab.5 The optimal leve of each parameter may choose

1.3.3 各因素水平趋势

由于位置1和位置2实验数据的差异，不能完全获取各因素的最佳水平，因此可以画出各个影响因素的水平趋势图，辅助寻找可能更优方案［6］。用影响粗糙度各因素的水平作横坐标，粗糙度结果之和为纵坐标，在图中画出相应的点，用直线把它们依次连接起来，会形成各因素在电化学抛光时对粗糙度影响水平趋势折线。各因素在电化学抛光时对粗糙度的影响结果如图2所示。

图2 粗糙度与电化学抛光参数关系Fig.2 The relations between roughness and electrochemical polishing parameters

由水平趋势图看出，使得粗糙度最低的曲轴电化学抛光方案为A1B1C1D2E2F3G1H1。综合上述方法得到最优试验方案如表6所示，即：抛光时间180s，电解液种类NaNO3，电解液质量分数25%，电解液温度30℃，电流密度40A／cm2，电极间间隙0.3mm，砂带粒度1 200，工件转速230r／min。

表6 各参数选择的最佳水平Tab.6 The optimal level of each paramete

2 验证试验

为保证电化学抛光工艺参数的合理性和稳定性，进行如下的验证试验。

2.1 验证试验条件

试验机床、试验电源、砂带装置及检测仪器同前。

试验样件：10根45号钢的5马力涡旋压缩机曲轴，轴承部位长度Lr＝40mm，直径Φ＝40mm，试件取位置1和位置2抛光前粗糙度的平均值，如表7所示。

表7 试验验证结果Tab.7 The results of verification test

2.2 验证试验方法

采取随机抽样的方法进行试验加工，即在一批工件中随机抽取某个工件作为试件进行试验。

2.3 验证试验结果

根据正交试验方法选取的最优工艺参数对压缩机曲轴进行电化学抛光，试件位置1和位置2电化学抛光前后粗糙度平均值试验结果如表7所示，结果表明，电化学抛光后的表面粗糙度明显降低。改善百分比最高68.7%，最低40.8%，达到了预期的目标。

3 结 论

（1）项目已达到的技术指标加工直径范围为24～40mm；加工表面粗糙度改善率50%以上，其他各项精度均达到加工要求。

（2）按试验得到的最佳工艺参数对涡旋压缩机曲轴进行电化学抛光后，其表面粗糙度值及曲轴构成的摩擦损耗明显降低。

（3）正交试验与电化学抛光结合的方法对于解决机械产品零部件粗糙度工艺参数的优化提供了思路，为今后解决这一问题提供了一种方法。

（4）存在不足：由于试验是在企业现有的电化学设备和技术水平上进行的，一些因素的水平量受试验环境的约束，目前的结果可能并不是最佳组合参数。随着电化学抛光设备和技术的发展，将不断探索更合理的电化学抛光压缩机曲轴工艺参数。

［1］韦瑶，杜高昌，蓝伟强.电化学抛光工艺的研究及应用［J］.表面技术，2001，30（1）：19－24.

［2］杜炳志，漆红兰.电化学抛光技术新进展［J］.表面技术，2007，36（2）：56－58.

［3］ANDRADE L S，XAVIER S C，ROCHAFILHO R C，et al.Electro polishing of AISI－304stainless steel using an oxidizing solution originally used for electrochemical coloration［J］.Electrochimica Acta，2005，50（13）：2623－2627.

［4］李悦凤.用“正交试验法”优化精超滚锥轴承滚道的工艺参数［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（5）：74－77.

［5］赵静，孟相忠，张铜钢.连铸工艺参数正交试验模拟优化［J］.铸造技术，2010，31（7）：23－24.

［6］殷杰，胡文中，邱峰，等.第3代轮毂轴承单元轴向游隙影响因素的正交试验［J］.轴承，2011（7）：23－24.