激光处理非光滑凹坑表面耐磨试验的均匀设计 - 文章

激光处理非光滑凹坑表面耐磨试验的均匀设计

作者：吉林大学任露泉王再宙韩志武

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摘要：本文采用试验优化技术中的均匀设计方法，实施了影响凹坑非光滑表面耐磨性的多因素复杂试验。通过用统计分析软件SPSS(Statistical Package for the Social Sicense)处理试验数据，得出了激光处理仿生非光滑凹坑表面耐磨的多因素回归方程，发现速度、负荷、时间的凹坑圆周方向的距离对耐磨性有显著影响，凹坑轴向之间的距离对耐磨性影响不大。
关键词：非光滑；均匀设计；试验；耐磨

吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室前期的究表明，仿生非光滑表面对耐磨性有影响，并且不同形态非光滑表面对耐磨性的影响是不同的。由激光处理非光表面形态滑动摩擦磨损正交试验发现凹坑对耐磨性影响较大。为进一步研究凹坑形态耐磨性的规律，进行了均设计试验研究。

1　影响磨损的因素

影响磨损的因素很多，主要包括外部条件、环境因素和材料表面各因素等。外部条件和环境因素包括温度、速度、负荷、湿度等，材料表面各因素包括试样材料、试样表面几何形状及其分布等。

试验材料的耐磨性均采用相对耐磨系数EW进行评价:EW=标样失重试样失重X100%(以重量损失计算)。所以以试样的失重作为试验指标，影响磨损的主要影响因素为试样材料、温度、速度、负荷、时间、试样表面非光滑几何结构单元的形状和分布[1-2]。

2　试样的加工

由于采用细观非光滑，传统的机械加工已不能满足，所以采用激光处理。为了保证处理后试样强度变化基本相同，所以处理时采用相同的转速、频率和脉冲大小，只是通过控制气流的方向、点阵的行间距和列间距来得到不同形态的非光滑表面形态，试件是在中科院力学所激光加工系统进行加工。

样品的材料为45#钢，加工后其尺寸为40X16X10ｍｍ，加工参数范围分别为:转速40-50rpm，脉冲8-10个，激光频率10-20kHz，激光电源电流15-20A。其表面形态通过体视彩色显微镜观察(型号为XTL-CTV)，具体如图1所示。

图1　非光滑凹坑表面形态特征

3　磨损试验的均匀设计

3.1　试验方案的选择

由于试件加工费用比较高，且该试验为损耗性试验，所以希望试验次数尽可能少，同时要求能够满足试验要求。均匀试验的最大优点就是可以节省大量的实验工作量，并且可以满足试验的一般要求，同时也能为深入研究各因素的变化规律和进一步寻优创造条件，其缺点是不能考察交互作用，也不能用来估计试验误差。

均匀试验充分利用试验点分布的均匀性，所获得的适宜条件虽然不一定是全面试验中的最优条件，但至少在某种程度上接近最优条件。均匀设计在各因素水平不小于5的前提下，可以很方便地按排试验次数n为5≤n≤25的均匀试验[3-5]。

在此，把速度、负荷、时间、以及凹坑在圆周方向之间距离和轴向方向之间的距离作为试验因素，环境温度和凹抗尺寸大小等作为条件因素。

做磨损试验时，考虑到磨损试验的条件和激光加工的条件，各试验因素和控制条件的取值按如下范围(值):凹坑的大小为200μｍ；速度为200rpm和400rpm；负荷5～30kg；时间0～60ｍｉn。

在其他条件相同的情况下，研究凹坑的圆周方向距离、轴向方向距离、速度、负荷以及时间等因素对耐磨的影响。为了寻找最优耐磨情况下的非光滑形态参数(凹坑圆周方向之间的距离以及轴向之间的距离)、速度和负荷等之间的最优组合，进行65因素试验。采用U6(6⁶)，用其部分表。分别考虑6个水平，则为65，因素水平见表1所示。

表1　因素水平

U6(6⁶)试验方案见表2。此处:A，B，C，D，E分别占U6(6⁶)的第1，2，3，4，6列。

表2　U6(6⁶)试验方案

3.2　试验方法

试验在国产MM200型摩擦磨损试验机上进行，采用环-块配副方式，块为硬质合金，环为具有凹坑非光滑表面形态的45#钢试样。每一次试验均为一新的试样和硬质合金。磨损量采用磨损失重表示，用ＦA2004电子天平测量重量，取3个试样数据的平均值。实际试验方案如表3。

表3　均匀设计试验方案及试验结果

3 3　试验结果分析

数据处理可以采用传统的表格化处理，也可以用C语言来设计计算程序进行分析[6]。随着科学技术和计算机的发展，目前可用于试验优化的统计软件很多，无论是对试验设计、回归设计，还是对试验数据处理和试验优化成果的应用分析，都有相应的软件支撑，或是自编自用的专业软件，或是具有商业性质的统计软件包，多种多样，各具特色[3-5]。SPSS(StatisticalｐACｋAｇEfor the Social ＳCｉEnCE)for windows是一个为微机设计，用于数据处理和分析的强大的软件包。同时由于它的强大统计和数据交换以及视窗组合式功能，使其在社会科学和自然科学等方面的研究中发挥了巨大的作用，也被广泛应用于医疗卫生、经济学、生物学、商业、金融和农业等各个领域[7-9]。本文就通过计算机利用该统计软件来进行回归分析，其中用SPSS10 0统计分析软件处理的部分结果为:

3.3.1　描述统计

3.3.2　引入剔除的变量

应变量:Y凹坑

3.3.3　模型摘要

A模型:(Constant)，X5，X2，X1，X4；
B应变量:Y凹坑

3.3.4　Coefficients(系数)

应变量:Y凹坑

由处理结果可知，影响凹坑非光滑形态磨损量的线性回归方程为:

Y凹坑=-0 182+5 078E-04XX1-9 357E-05XX2+3 752E-03XX4+8 028E-04XX5　　

其中变量X3为不显著，相关系数Ｒ²=0.950，决定系数Ｒ2=0 903。

由标准回归系数(Beta)可见，自变量对因变量的影响从大到小为X1，X4，X5，X2，即速度、负荷、时间和凹坑圆周方向之间的距离，但是凹坑轴向之间的距离影响不显著。总之速度、负荷、时间和凹坑圆周方向之间的距离对耐磨性有显著影响，凹坑轴向之间的距离对耐磨性没有显著的影响。

此方程所表示的磨损规律，综合反映了非光滑形态凹坑磨损试验的结果，揭示了在其它条件相同的情况下，磨损量随速度和圆周方向距离的增加而减少，随负荷和时间的增加而增加。这与一般磨损的规律是大致相同的，从而说明了试验的准确性。

4　结　论

1 在非光滑形态凹坑表面的滑动磨损试验中，合理地运用试验优化技术中的现代设计方法-均匀设计，既可以考虑因素的作用性质和大小，也能有效地减少试验次数，提高试验效率。

2 通过对试验结果采用SPSS进行多项式逐步回归，建立了非光滑形态凹坑磨损试验的经验公式，为今后研究非光滑形态凹坑的耐磨性提供了理论的和试验的依据。

参考文献
[1]　刘家浚. 材料磨损原理及其耐磨性[M]. 北京:清华大学出版社，1993.
[2]　邵荷生，张清. 金属的磨料磨损与耐磨材料[M]. 北京:机械工业出版社，1988.
[3]　任露泉. 试验优化技术[M]. 长春:吉林科学技术出版社，2001.
[4]　刘朝荣，试验设计与分析[M]. 武汉:湖北科学技术出版社，1990年第一版.
[5]　陈魁. 试验设计与分析[M]. 北京:清华大学出版社，1996年第一版.
[6]　徐士良. C常用算法程序集[M]. 北京:清华大学出版社，1994年第一版.
[7]　李燕琛. 社会科学统计软件包SPSS[M]. 北京:中国人民出版社，1999年第一版.
[8]　苏金明，傅荣华，周建斌，等. 统计软件SPSS for Windows实用指南[M]. 北京:电子工业出版社，2000年第一版.
[9]　卢纹岱. SPSS for Windows[M]. 北京:电子工业出版社，1999年第一版.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/28/2004)


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