正交试验法优化设计不锈钢深孔缸体珩磨工艺参数 - 文章

正交试验法优化设计不锈钢深孔缸体珩磨工艺参数

作者：桂林橡胶机械厂

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1 问题的提出和试验目的

我厂生产的硫化机上有一个主要零件──不锈钢深孔缸体，其加工质量的优劣直接影响产品使用性能和可靠性。不锈钢深孔缸体因其材质、结构、精度等技术性能要求高，加工难度较大。在整个加工工序中，珩磨光整工序既是重要工序，又是最后一道工序。缸体加工质量由珩磨时磨杆转速、磨杆往复速度、机床主轴转速、油石粒度和切削力等一系列工艺参数确定，在深孔珩磨时，这些参数是互相关联而又互相制约的。若按传统选择方法，先固定一个参数，优选一个参数，这种选择方法带有一定的偶然性，既费事，又得不到满意结果。用正交试验法确定珩磨工艺参数，可以缩短试验周期，节约时间、资金。

本文重点介绍用正交试验法优化设计不锈钢深孔缸体珩磨工艺参数应用实例。

2 现状分析

2.1 零件结构分析

缸体的内表面要求有较高的加工精度和较低的表面粗糙度值，尺寸精度为φ100+0.015，表面粗糙度为Ra0.8m m，长度为1750mm，长径比L/D=17.5，材质2Cr13，属于高精度不锈钢深孔缸体，见图1。

2.2 材质分析缸体材质为2Cr13。众所周知，在现场生产中，不锈钢磨削因其本身韧性大，在磨削时切屑不易被切离，产生大量的切削热不易被切屑带走，为此我们进行珩磨系统设计。设计制造专用珩磨头，用定压弹簧扩张支撑油石作进给完成切削导向任务；设计制造专用磨杆与机床进给箱刚性联结后，由进给机构传递动力完成切削运动。但采用上述方法生产效率低，产品质量不稳定，无法进行批量生产，因此急需设计一组不锈钢深孔缸体珩磨工艺参数。为了使试验结果能直观表达，用内径偏差值E表示试验结果特征值，并把孔径表面粗糙度值作为定性指标值加工考核（E值计算方法见表3）。

2.3 工序处理

由于工件材质及其结构特殊，在工序安排上作了相应处理，见表1。

表1 不锈钢深孔缸体加工工序

序号	工序名称	工序内容
1	热	坯料调值HB240
2	车	坯料两端切长配车法兰子口及工艺外圆。
3	钳焊	①按图纸要求组焊法兰； ②点焊工艺圈（焊在内侧）。
4	车	粗车内孔至Φ97mm
5	热	稳定化处理
6	镗	①半精镗内孔，孔径尺寸为Φ99.3^±0.03，粗糙度R_a1.6mm； ②精镗内孔孔径尺寸为Φ100^-0.05，粗糙度R_a1.6mm。
7	珩磨	①粗精磨内孔孔径尺寸达图纸要求； ②无切削修光粗糙度达R_a0.8mm。

3 试验分析及因素水平测定

3.1 切削力分析

珩磨切削力通常是由三个分力组成，即径向力，切向力及往复轴向力。通过理论计算与试验证明，三个分力中径向力是主要切削力，并占切削力90%。

(1)在深孔珩磨中采用定压径向进给切削。这种稳定性切削加工对薄壁深孔零件的尺寸精度、质量的稳定是个必要条件。

(2)切向力与珩磨杆的刚性浮动环节有关。设计珩磨杆时对其刚性已作校核，在珩磨系统采用二个浮动环节，对其精度影响不大，切向力不作试验要求。

(3)往复轴向压力只是在珩磨头换向时油石受力。但是我们设计珩磨头时结构上已经设有限止油石轴向窜动措施。而且轴向力仅仅只影响两端的尺寸精度，影响甚微，所以在试验阶段中往复轴向力不作试验要求。

3.2 因素水平选择原则

根据分析，在制定因素水平时必须遵守以下原则。

(1)由于零件系薄壁缸体，切削热对其精度变形影响很大，故而因素水平选择时一定要使其热效同各因素之间反应效果良好，散热，快。

(2)选择因素水平时使其在定压扩张径向进给切削状态下工作，切削振动趋向于小值，保证质量稳定。

3.3 制定因素水平表

根据上述选择原则及结合我厂多年加工2Cr13不锈钢材质经验，在珩磨时影响零件质量的主要因素为：①珩磨杆转速；②珩磨杆往复速度；③工件转速；④径向切削力；⑤油石个数。每个因数取二个水平制定出因素水平表。见表2。

3.4 正交试验表选择

这次试验有五个因素，二个水平，根据正交试验的规律，选用L8(2)7正交表安排8次试验，见表3。

4 试验程序制定及记录

表3中8次试验分别用试验号表示；5个因素分别用A、B、C、D、E符号表示；水平用1和2表示。按上述试验顺序号，认真操作，将试验结果记录于表3。

5 试验结果分析

5.1 直观分析

通过8次试验的结果，在表3中直观第4号试验孔径偏差值最小，为0.015mm，但它只是8次试验结果最好的一次，是否就是最佳工艺参数还需进行计算分析。

5.2 极差计算

可以算出

Ri各值。从表3极差Ri的计算中可以看出，A因素用水平1，2各做4次试验则A1的偏差值小于A2，B因素中的B1的偏差值小于B2，C因素中C2偏差值小于C1，D因素中D2偏差值小于D1，E因素中E2偏差值小于E1。各因素试验后指标值会影响Ri极差值的大小，极差值的大小反映一个因素在水平1、2不同值时其试验结果的差异。极差越大表明该因素水平的改变对试验结果影响就越大，因素所处的位置也就愈重要，从表3中计算极差值大小排列顺序为RA>RD>Rc>RB>RE。这次试验因素主次顺序为A→D→C→B→E。

5.3 作趋势图

因素的主次已知后，为了更清楚地展示各因素水平改变时对偏差值影响的程度，作出以之值为纵坐标，五个因素、两个不同水平值为横坐标的水平与偏差值的趋势图。

5.4 初选水平配合

通过趋势图，直观地看出A、B、C、D、E各因素中，较优水平为珩磨杆转速A1=33r/min，珩磨杆往复速度B1=3m/min，工件转速C2=40r/min，径向切削力D2=0.4MPa，油石个数E2=4。

5.5 确定最优水平配合

根据试验数据，通过计算求出水平数值，并进行水平对比后，初选出来的A1、B1、C2、D2、E2，这组参数是各因素最优水平组合。可以讲是一组较好的工艺方案。但因我们加工的材质是2Cr13不锈钢。由于材质的难于切削，降低表面粗糙度值有一定的难度。珩磨是最后一道光整加工工序。提高尺寸精度，降低表面粗糙度值是我们的目的。为了要达到设计要求粗糙度值Ra0.8m m，对有些因素水平值需要进行修正。

(1)从表3中看到，C因素水平1和水平2所做的8次试验，经过极差计算两个水平值各做4次试验对其孔径偏差较小，而对表面粗糙度影响就大。用水平1做4次试验得到3次表面粗糙度值为Ra0.8m m。用水平2做4次试验，仅得到1次Ra0.8m m 。为了使磨削交叉网纹搭接不宜过长，要提高工件转速，所以将C因素用水平2修改为取水平1。即工件转速为52r/min

(2)在表3中看到D因素用水平2做的4次试验，经过计算孔径偏差值是小，但其表面粗糙度极不理想，4次试验中只有二次得到Ra0.8mm，其后2次为Ra1.6m m ， Ra3.2m m 。在深孔珩磨加工中其切削力大小对于精度的控制，质量的稳定性是个重要因素，使之油石与工件表面相吻合完成切削导向任务是切削力，所以切削力小不能起到支撑油石完成切削，切削力过大产生大量的切削热烧伤工作表面，影响表面粗糙度。通过试验数据分析，D因素水平2虽然对孔径偏差指标值偏小，但其参数对深孔珩磨不利。而用水平l做的试验孔径偏差值相对于水平2是大一些，但没有超过技术指标，现既要符合定量指标值又要达到定性指标数，而D因素修改为选用水平1，即径向切削力为0.2MPa。

通过上述的综合分析及极差计算，珩磨参数为A1、B1、C1、D1、E2。即：

珩磨杆转速A=33r/min
珩磨杆往复速度B=3m/min
工件转速C=52r/min
径向切削力D=0.2Mpa
油石个数E=4

6 结束语

在这次工艺性试验中，应用正交试验法，实践证明是一种极好的工艺性试验手段。用较少的试验次数就能取得多因素多水平试验结果，设计人员能用较短时间设计出一套完整工艺参数，节省了人力、物力、经济效益明显。自1990年开始采用A1、B1、C1、D1、E2作为优化设计工艺参数珩磨不锈钢深孔缸体，缸体合格率为100%，达到了试验目的。实践证明，正交试验法是一种值得推广的工艺参数优选法。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/25/2005)


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