正交試驗法優化設計不銹鋼深孔缸體珩磨工藝參數

1問題的提出和試驗目的我廠生產的硫化機上有一個主要零件──不銹鋼深孔缸體，其加工質量的優劣直接影響產品使用性能和可靠性。不銹鋼深孔缸體因其材質、結構、精度等技術性能要求高，加工難度較大。在整個加工工序中，珩磨光整工序既是重要工序，又是最后一道工序。缸體加工質量由珩磨時磨桿轉速、磨桿往復速度、機床主軸轉速、油石粒度和切削力等一系列工藝參數確定，在深孔珩磨時，這些參數是互相關聯而又互相制約的。若按傳統選擇方法，先固定一個參數，優選一個參數，這種選擇方法帶有一定的偶然性，既費事，又得不到滿意結果。用正交試驗法確定珩磨工藝參數，可以縮短試驗周期，節約時間、資金。本文重點介紹用正交試驗法優化設計不銹鋼深孔缸體珩磨工藝參數應用實例。

　　2現狀分析

　　2.1零件結構分析缸體的內表面要求有較高的加工精度和較低的表面粗糙度值，尺寸精度為φ100+0.015，表面粗糙度為Ra0.8mm，長度為1750mm，長徑比L/D=17.5，材質2Cr13，屬于高精度不銹鋼深孔缸體。

　　2.2材質分析缸體材質為2Cr13。眾所周知，在現場生產中，不銹鋼磨削因其本身韌性大，在磨削時切屑不易被切離，產生大量的切削熱不易被切屑帶走，為此我們進行珩磨系統設計。設計制造專用珩磨頭，用定壓彈簧擴張支撐油石作進給完成切削導向任務；設計制造專用磨桿與機床進給箱剛性聯結后，由進給機構傳遞動力完成切削運動。但采用上述方法生產效率低，產品質量不穩定，無法進行批量生產，因此急需設計一組不銹鋼深孔缸體珩磨工藝參數。為了使試驗結果能直觀表達，用內徑偏差值E表示試驗結果特征值，并把孔徑表面粗糙度值作為定性指標值加工考核（E值計算方法見表3）。

　　2.3工序處理由于工件材質及其結構特殊，在工序安排上作了相應處理，見表1。表1不銹鋼深孔缸體加工工序序號工序名稱工序內容1熱坯料調值HB2402車坯料兩端切長配車法蘭子口及工藝外圓。3鉗焊①按圖紙要求組焊法蘭；②點焊工藝圈（焊在內側）。4車粗車內孔至Φ97mm5熱穩定化處理6鏜①半精鏜內孔，孔徑尺寸為Φ99.3±0.03，粗糙度Ra1.6mm；②精鏜內孔孔徑尺寸為Φ100-0.05，粗糙度Ra1.6mm。7珩磨①粗精磨內孔孔徑尺寸達圖紙要求；②無切削修光粗糙度達Ra0.8mm。3試驗分析及因素水平測定3.1切削力分析珩磨切削力通常是由三個分力組成，即徑向力，切向力及往復軸向力。通過理論計算與試驗證明，三個分力中徑向力是主要切削力，并占切削力90%。(1)在深孔珩磨中采用定壓徑向進給切削。這種穩定性切削加工對薄壁深孔零件的尺寸精度、質量的穩定是個必要條件。(2)切向力與珩磨桿的剛性浮動環節有關。設計珩磨桿時對其剛性已作校核，在珩磨系統采用二個浮動環節，對其精度影響不大，切向力不作試驗要求。(3)往復軸向壓力只是在珩磨頭換向時油石受力。但是我們設計珩磨頭時結構上已經設有限止油石軸向竄動措施。而且軸向力僅僅只影響兩端的尺寸精度，影響甚微，所以在試驗階段中往復軸向力不作試驗要求。

　　3.2因素水平選擇原則根據分析，在制定因素水平時必須遵守以下原則。(1)由于零件系薄壁缸體，切削熱對其精度變形影響很大，故而因素水平選擇時一定要使其熱效同各因素之間反應效果良好，散熱，快。(2)選擇因素水平時使其在定壓擴張徑向進給切削狀態下工作，切削振動趨向于小值，保證質量穩定。3.3制定因素水平表根據上述選擇原則及結合我廠多年加工2Cr13不銹鋼材質經驗，在珩磨時影響零件質量的主要因素為：①珩磨桿轉速；②珩磨桿往復速度；③工件轉速；④徑向切削力；⑤油石個數。每個因數取二個水平制定出因素水平表。見表2。

　　3.4正交試驗表選擇這次試驗有五個因素，二個水平，根據正交試驗的規律，選用L8(2)7正交表安排8次試驗。4試驗程序制定及記錄表3中8次試驗分別用試驗號表示；5個因素分別用A、B、C、D、E符號表示；水平用1和2表示。按上述試驗順序號，認真操作，將試驗結果記錄于表3。5試驗結果分析5.1直觀分析通過8次試驗的結果，在表3中直觀第4號試驗孔徑偏差值最小，為0.015mm，但它只是8次試驗結果最好的一次，是否就是最佳工藝參數還需進行計算分析。5.2極差計算可以算出Ri各值。從表3極差Ri的計算中可以看出，A因素用水平1，2各做4次試驗則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。各因素試驗后指標值會影響Ri極差值的大小，極差值的大小反映一個因素在水平1、2不同值時其試驗結果的差異。

　　極差越大表明該因素水平的改變對試驗結果影響就越大，因素所處的位置也就愈重要，從表3中計算極差值大小排列順序為RA>RD>Rc>RB>RE。這次試驗因素主次順序為A→D→C→B→E。5.3作趨勢圖因素的主次已知后，為了更清楚地展示各因素水平改變時對偏差值影響的程度，作出以之值為縱坐標，五個因素、兩個不同水平值為橫坐標的水平與偏差值的趨勢圖。5.4初選水平配合通過趨勢圖，直觀地看出A、B、C、D、E各因素中，較優水平為珩磨桿轉速A1=33r/min，珩磨桿往復速度B1=3m/min，工件轉速C2=40r/min，徑向切削力D2=0.4MPa，油石個數E2=4。5.5確定最優水平配合根據試驗數據，通過計算求出水平數值，并進行水平對比后，初選出來的A1、B1、C2、D2、E2，這組參數是各因素最優水平組合。可以講是一組較好的工藝方案。但因我們加工的材質是2Cr13不銹鋼。

　　由于材質的難于切削，降低表面粗糙度值有一定的難度。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們的目的。為了要達到設計要求粗糙度值Ra0.8mm，對有些因素水平值需要進行修正。(1)從表3中看到，C因素水平1和水平2所做的8次試驗，經過極差計算兩個水平值各做4次試驗對其孔徑偏差較小，而對表面粗糙度影響就大。用水平1做4次試驗得到3次表面粗糙度值為Ra0.8mm。

　　用水平2做4次試驗，僅得到1次Ra0.8mm。為了使磨削交叉網紋搭接不宜過長，要提高工件轉速，所以將C因素用水平2修改為取水平1。即工件轉速為52r/min(2)在表3中看到D因素用水平2做的4次試驗，經過計算孔徑偏差值是小，但其表面粗糙度極不理想，4次試驗中只有二次得到Ra0.8mm，其后2次為Ra1.6mm，Ra3.2mm。

　　在深孔珩磨加工中其切削力大小對于精度的控制，質量的穩定性是個重要因素，使之油石與工件表面相吻合完成切削導向任務是切削力，所以切削力小不能起到支撐油石完成切削，切削力過大產生大量的切削熱燒傷工作表面，影響表面粗糙度。通過試驗數據分析，D因素水平2雖然對孔徑偏差指標值偏小，但其參數對深孔珩磨不利。

　　而用水平l做的試驗孔徑偏差值相對于水平2是大一些，但沒有超過技術指標，現既要符合定量指標值又要達到定性指標數，而D因素修改為選用水平1，即徑向切削力為0.2MPa。通過上述的綜合分析及極差計算，珩磨參數為A1、B1、C1、D1、E2。即：珩磨桿轉速A=33r/min珩磨桿往復速度B=3m/min工件轉速C=52r/min徑向切削力D=0.2Mpa油石個數E=46結束語在這次工藝性試驗中，應用正交試驗法，實踐證明是一種極好的工藝性試驗手段。

　　用較少的試驗次數就能取得多因素多水平試驗結果，設計人員能用較短時間設計出一套完整工藝參數，節省了人力、物力、經濟效益明顯。自1990年開始采用A1、B1、C1、D1、E2作為優化設計工藝參數珩磨不銹鋼深孔缸體，缸體合格率為100%，達到了試驗目的。實踐證明，正交試驗法是一種值得推廣的工藝參數優選法。