基于正交试验的切削参数优化研究

金建国，王 冬

JIN Jian-guo1，WANG Dong2

（1.天津理工大学 海运学院，天津 300000；2.天津大学 机械学院，天津 300000）

0 引言

伴随着数控加工技术的高速发展，数控加工工艺也正变的越来越复杂，工艺参数也越来越多。同时数控机床性能也更加强大。在生产中凭经验或参考切削用量手册来选择切削用量，加工参数值往往出于安全性考虑过于保守，既不能充分发挥现代高性能机床的优势，也达不到切削用量的最优选择。另一方面，针对某些加工变量，比如切削方式、冷却方式，传统方式根本无法预测其对具体加工过程的影响规律，无法保证加工生产效率、精度。

提高加工工件质量、提高机床使用效率、降低生产成本、提高生产效率是企业提高竞争力的重要途径。而切削参数优化是保证以上要求的关键技术。目前，国内外利用各种现代优化算法，例如，蚁群算法、人工神经网络、粒子群算法[1]等，对切削参数进行优化。还有学者运用计算机仿真技术构建智能优化切削用量动态加工仿真系统[2,3]，在计算机上模拟优化切削用量切削加工，也达到了优化切削参数的目的。

但各种智能优化算法计算量大、理论深度较高，不便于在实际加工中进行推广。本文基于正交试验进行切削参数优化研究，计算量小，同时在一定程度上能够满足优化的精度要求，易在实际加工中进行广泛推广，真正保证理论与实际的相结合，提高企业的加工生产效率。

1 列因素水平表

1.1 选因素

综合考虑国内外切削参数优化相关研究以及本课题研究所需，本文选择进给速度、切削模式、冷却方式三个影响因素，考察其对钢件加工表面质量[4]的影响。原因有以下四个方面：1）考察所有研究切削三要素对加工工件表面粗糙度的文献，可以得出结论：切削深度越大，表面质量越差；切削速度越大，表面质量越好。2）本文不再考虑以上两个因素的影响，只针对进给速度进行考察。进给速度越小，钢材质在切削加工时容易产生“黏刀”现象，表面质量越差；进给速度过大，对机床的动态特性要求便较高，也不利于表面质量的提高。故不同特性的机床，进给速度的最佳值亦有所区别。3）SOLIDCAM中平面加工最常用的三种模式（如图1所示）：单一路径、剖面和外型，经过实际加工发现，其对表面质量的影响较大且研究甚少，本文予以研究。4）对于不同的刀具、毛坯材料，气冷与水冷对加工表面质量的影响是不同的，本文予以研究。

1.2 定水平

因素的水平需考虑机床实际情况而定，本文对每个因素选取三个水平进行研究。其中，冷却方式选为水冷时分为雾状式与流状式。具体水平值如表1所示。

图1 SOLIDCAM平面加工三种常用方式

表1 因素水平表

2 选择正交表

正交表格是数学家预先编制好的一系列表格，它是进行正交试验的基本工具。正交表格的常用记号格式为LN(qs)，其中：L为正交表的代号，N为正交表的行数（即：需要做的试验次数），S为正交表的列数（最多能安排的因素个数，包含误差），q为因素的水平数。常用的正交表有二水平正交表L8(27)、L12(211)、L16(215)，三水平正交表L9(34)、L18(37)、L27(313)，四水平正交表

L16(45)、L32(49)、L64(421)。

选正交表的原则是正交表的总自由度要大于等于要考察的因素的自由度，因素的自由度记为

fA、fB、fC。

故本文中的正交试验应至少安排2×3+1=7次试验，即N≥7。在正交试验中为保证试验的精确度，在安排正交表列数的时候应至少单独留有1列空列，作为实验误差以衡量试验的可靠性，即S≥4，根据以上论述，正交表选择为L9(34)最为合适。

3 试验表头设计及试验方案编制

表头设计，顾名思义，就是把试验因素安排到正交表的各列中去的过程。表头设计对于不考察交互作用的正交试验较为简单，各因素可随机安排在各列中。

对于试验方案，当正交表确定以后，方案便随之确定。考虑实际情况所需，本研究在进行结果分析时，只进行极差分析，没有误差分析，故D列仅为保留正交表的完整性，不再具有上文所提到的误差列意义。正交表最终设计如表2所示。

表2 正交表格

4 实际加工

本文研究特针对具有表面质量要求较高的平面特征，文章针对减速器上下箱体结合表面进行试验。

图2 减速器结合平面加工

基于表1与表2，根据表3进行试验并测量表面粗糙度。

表3 试验方案及试验结果

5 试验结果分析

极差分析计算工作量小，通俗易懂，使用非常广泛，能够非常方便的确定出试验因素的优水平和最优水平组合、确定出因素对试验指标影响的主次因素[5]。

图3 极差分析流程图

因素A、B、C、D第j（j=1,2,3）水平对应的试验指标之和分别记为KAj、KBj、KCj、KDj，试验指标的平均值分别记为故可得：

因素A、B、C的极差分别记为RA、RB、RC。

故可得：

综上，可得如表4所示结果。

表4 试验结果分析

针对本次试验所用机床的特性、试验刀具等相关实验条件，三个因素的优水平组合A1 B2 C1为本试验的最优水平组合，即加工钢材质表面时粗糙度最小时的最优工艺条件为：进给速度选为1500，切削模式为剖面式，冷却方式选为气冷。

6 验证试验

基于正交试验的切削参数优化理论要求必须对优化后的组合参数进行验证试验，以保证优化后的组合参数能够保证加工精度要求。本文优化后的组合参数为：进给速度：1500；切削模式：剖面式；冷却方式：气冷。

在CAM软件中设置“切削模式”为“剖面式”，“进给速度”设置为“1500”，“冷却方式”设置为“气冷”M07。其他设置保持不变，针对结合面再次生成程序，重新加工。最后，测得表面粗糙度的平均值为0.525，满足优化后所需表面质量[6]。

7 结论

文章对三个因素：进给速度、切削模式和冷却方式进行正交试验设计，结果表明切削速度取较小值时，表面质量较好，速度较大时，表面质量较差。由此我们可以推断出机床的动态特性较差，机床在高速运动时会出现较大的震动，柔性不好，造成工件与刀具之间的相对抖颤，影响了表面质量。且针对钢材质，其不同于铝材质，在速度较低时“黏刀”现象不明显。

冷却方式选为气冷时具有较好的表面质量，考虑本文研究所用刀具材质以及工件材质，在切削时，刀具与工件的接触区产生极高的温度，利用液体冷却会对刀具形成冷热冲击，影响刀具切削性质，会造成表面质量的下降[7]。

本文的优化目标为表面粗糙度，其优化理论过程可以进行推广。在某种场合，我们或许更加注重生产效率的提高、生产成本的降低。此时，我们可以针对不同场合研究不同的优化目标。切削参数亦可针对我们感兴趣的变量进行优化研究，考察其对目标值的影响规律。

故本研究不仅为进给速度、切削模式、冷却方式对表面质量的影响规律提供了很好的参考，其研究思路更能为相关的研究工作提供借鉴。

[1] 刘海江,黄炜.基于粒子群算法的数控加工切削参数优化[J].同济大学学报,2008,36(6):803-806.

[2] 刘强,尹力.一种面向数控工艺参数优化的铣削过程动力学仿真系统研究.中国机械工程,2005,16(13):1146-1149.

[3] MERDOL S D,ALTINTA S Y.Virtual Simulation and optimization of milling applications-part 2:Optimization and feedrate scheduling[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME,2008,130(5):0510051-05100510.

[4] Kiha Lee,David A Dornfeid. A study of Surface Roughness in the Micro-End-Milling Process[J].Laboratory for Manufacturing Automation,2004.

[5] 彭杰.田口试验设计的改进及其在钢板印刷制程中的应用[D].湖北:武汉理工大学,2008:1,4-2.

[6] 刘玉波,赵灿,冯明军.基于正交试验法的高速铣削工艺参数优化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2008(9):68-71.

[7] Chani,J. A.Choudhury, I. A.and Hassan H. H.Application of Taguchi Method in the Optimization of End Milling Parameters[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,145(1):84-92.