1、1正交试验设计法在生产中的应用与实践张翼飞 施 晶 邬振美航天科工哈尔滨 XX 风华有限公司摘要：本文结合在机械加工中的实际生产过程，通过运用科学的正交试验设计方法，有效解决难加工材料在加工中专用刀具研制的技术难题，通过实例的阐述，进一步论述正交试验设计法在生产过程的应用与实践，将这种试验设计法的科学性、实用性、创造性进行详实的介绍。关键词：正交试验 难加工材料 专用刀具一、引言试验设计是数理统计中的一个较大的分支，是用于决定数据收集的方法，讨论如何合理地安排试验以及试验所得的数据如何分析等，它的内容十分丰富。常用的试验设计方法有：正交试验设计法、均匀试验设计法、单纯形优化法、双水平单纯形优化
2、法、回归正交设计法、序贯试验设计法等。可供选择的试验方法很多，各种试验设计方法都有其一定的特点。所面对的任务与要解决的问题不同，选择的试验设计方法也应有所不同。正交试验设计法是通过认真分析产品各方面特性，选择影响其加工效果的重要因素，利用“正交表”进行科学地安排与分析多因素试验的方法。其主要优点是有很强的针对性，能在多种的试验方案中优选出具有代表性强的少数几个实用试验方案，并且通过优选后的这少数试验方案的试验结果进行分析，推断出最优方案，同时还可以作进一步的分析，得到对所加工产品更多的相关各因素的信息。这是目前比较科学，效果显著的试验设计方法之一，是提高产品质量，提高加效率的最佳途径。二、正交
3、试验设计法在难加工材料专用刀具研发制造中的应用与实践在公司科研生产中就加工钛合金专用刀具研制实例，来进一步对正交试验法在刀具方面的应用与实践进行阐述和分析。（一）现状情况分析钛合金整体闭式叶轮是我公司重点的科研项目，其加工难度大，技术含量高。其产品材料为难加工材料钛合金，切削性能不好，对刀具的技术要求非常高，要想加工出该产品，就需要研制出适合加工钛合金材料的专用的刀具来保障生产，没有相应的专用刀具就很难完成这项高科技科研项目。我公司数控车间 2007 年开始试制加工钛合金整体闭式叶轮，生产情况如下：刀具名称 使用数量 使用时间 刀具耐用度3 平刀 4 支 120 分钟 60 分钟支2.5 合金
4、钻头 1 支 60 分钟 60 分钟支3 球刀 8 支 240 分钟 30 分钟支2.4 球刀 20 支 1200 分钟 60 分钟支2调查 2007 年整体闭式叶轮加工所用刀具情况调查表序号 工序名称 所用刀具 用刀数量 加工时间1 粗铣 3 平刀 2 1 小时2 钻孔 2.5 钻头 1 1 小时3 前缘精铣 1 3 球刀 4 3.5 小时4 前缘精铣 2 3 球刀 4 3.5 小时5 半精铣 3 平刀 2 1 小时6 背弧精铣 1 2.4 球刀 4 4 小时7 内弧精铣 1 2.4 球刀 4 4 小时8 背弧精铣 2 2.4 球刀 4 4 小时9 内弧精铣 2 2.4 球刀 4 4 小时1
5、0 侧壁精铣 2.4 球刀 4 4 小时通过对 2007 年整体闭式叶轮加工所用刀具情况调查表可以看出，2.4 球刀刀具所用数量最多，刀具耐用度直接影响加工效率，所以我们就 2.4 球刀进行正交试验。有针对性的进行“钛合金叶轮专用刀具”进行研制，通过运用科学的正交试验设计法，针对钛合金这种难加工材料，对影响加工效率最为主要的因素“刀具耐用度”进行科学的正交试验，通过试验数据结果优化刀具几何参数，使刀具在相同的切削条件下，通过使用优选的刀具几何参数来获得最理想的切削效果从而达到最佳的刀具耐用度。同时根据车间要求，2008 年整体闭式叶轮刀具的整体耐用度必须提高 20，达到 66分钟支，这样才能满
6、足批生产的要求，要想满足生产需要，故我们应将目标定为：刀具的耐用度要提高 30 ，达到 71.5 分钟支。00.511.522.533.544.5粗 铣 钻 孔前 缘精 铣前 缘精 铣2半 精铣背 弧精 铣内 弧精 铣背 弧精 铣2内 弧精 铣2侧 壁精 铣加 工 时 间刀 具 数 量刀 具 耐 用 度3（二）材料分析钛合金是航空航天工业中应用广泛的一种难加工材料。因其导热系数小、化学活性高、加工硬化强烈、微观组织中存在硬质相等特点，使得钛合金材料在加工时，切削温度高、单位切削力大、刀具磨损严重等，从而影响了钛合金的加工效率。1、TC6的组织特点TC6(TI-6Al-2.5Mo-2.0Cr-0
7、.3Si-0.5Fe)含1520%稳定化元素，属耐热钛合金，工作温度350450。TC6 合金规定性能室 温 性 能 高 温 性 能b KMPa MJm -2温度 b 100 MPa MPa 931 10 23 0.3 450 588 5392、TC6材料切削加工特点切削刃负荷重。切削钛合金时切屑变形系数小，按近或小于1,切屑与刀具前面的接触长度很短，只有切钢时的1314。虽然切削力切钢时约小20%，但却集中在切削刃附近， 容易造成刀具的崩刃。切削温度高,由于钛合金导热性很差，且切屑接触长度很短，不利于切削热的导出，致使切削刃区温度较高，实验指出，切削钛合金的切削温度比切削45钢时约高一倍以上
8、。刀具磨损严重，切削钛合金时刀具容易磨损，除了切削温度高这个原因外，在切削过程中钛合金很容易与空气中的氮和氧化合形成硬脆的表层，使刀具磨料磨损加剧，另外钛合金与刀具材料的化学亲合性强，容易和刀具材料中的Ti、Co、Cr等元素粘结，加重了刀具的粘结磨损程度。以上钛合金材料特点是造成了钛合金切削困难，刀具磨损比较严重，切削效率低的主要原因。（三）刀具几何角度分析55分 钟 支 66分 钟 支71.5分 钟 支02040608007年 刀 具 耐 用 度 08年 车 间 要 求 08年 目 标4刀具的切削性能如何直接关系到其耐用度，取决于很多因素的变化，如刀具几何参数、切削用量、刀具材料、机床刚性、
9、冷却条件等等。在机床、冷却等条件固定不变，在切削用量和刀具材质合理的情况下，优化几何参数是改变刀具切削性能提高耐用度的最佳途径。刀具几何参数中，影响切削的最直接因素是前角、后角、螺旋角这三个主要因素。1、刀具几何参数的的选择原则（1）前角的是刀具重要组成部分之一。前角对切削力、切屑排出、刀具耐用度等影响都非常大。切削硬材料时，需切削刃强度大，以适应断续切削或切削含黑皮表面层的加工条件等的材料，一般要选择小的正前角，甚至选择负前角；切削软质材料、易切削材料或被加工材料及机床刚性差的材料，选择大的正前角。比如，切削一般钢件，选择小的正前角；切削铝、铜、钛合金等软性材料，选择大的正前角815度之间。
10、（）刀具后角的选取会影响刀具刚性和工件的表面质量。增大后角可以减少后刀面与切削表面间摩擦，减小切削刃钝圆弧半径，提高表面质量；但同时会使散热条件变差，刀齿强度降低。因此，铣刀通常采用双倒棱后角（第一、第二后角） ，在增大后角的同时可以保证刀齿的刚性。加工硬度高的脆性材料时后角应适当减小。其选择原则是在不产生较大摩擦的条件下，尽量减小后角。加工较软的钛合金塑性材料时，可采用大后角1220度之间。 （3）螺旋角在铣刀中主要起到刃倾角的作用。螺旋角参数主要包括螺旋角的旋向和大小。螺旋角的旋向目前主要以右螺旋为主。螺旋角越小，刀强度大，所受抗折力越大，切削力越大；螺旋角越大，增大了实际工作前角，同时单
11、位接触面积较大，切削力较小，排屑顺畅。但螺旋角越大，刀强度就越小。加工一般钢件，选择30度；加工铝、铜、钛合金等相对较软的材料时，一般选择大螺旋角3540 度左右。2、刀具几何角度对切削的影响（1）前角对切削力的影响图 3-1 前角对切削力的影响 由图 3-1 可知随着刀具前角的增大，切削力总体变化的趋势是减小的。X，Y 方向切削力变化基本符合传统工艺特点，Z 向变化不很明显。钛合金塑性较低，切屑与前刀面的接触长度较短，考虑到散热条件，切削刃强度等情况时。前角的选择应当适中。5（2）前角对振动的影响a) =8 ， =9 ， =30 b) =10 ， =12 ， =3500 00图 3-2 不同
12、试验下响应信号 （3）后角对切削力的影响图 3-3 后角对切削力的影响 由图 3-3 可以看出，X，Y，Z 三个方向的切削力都随着后角的增大而减小。后角主要作用是为了减小刀具在切削过程中后刀面与加工表面的摩擦，并且使切削刃锋利和减小切削刃口对工件的挤压。因此从提高刀具寿命和切削加工的表面质量考虑，钛合金加工应尽可能选大的后角。（4）后角对振动的影响选取第 4 个实验和第 7 个实验，从图 3-4 中可以看出，由于后角的变化范围较小，所以都对振动产生了影响，但不是很明显。（5）螺旋角对切削力的影响球头铣刀的螺旋角对刀具的切削性能和寿命有一定的影响。较大的螺旋角可以增加同时工作的齿数，减少铣削过程
13、中的冲击和增加其平稳性，并使立铣刀刀刃锋利、实际前角增大。图 3-5 所示，随着螺旋角增加，X，Y 方向铣削力逐渐减小。由于切向切削阻力随螺旋角的增大而减小，而轴向切削阻力随螺旋角的增大而增大，所以，当螺旋角 35 切削力有缓慢增加的趋势。6=10 ， =12 ， =35 =12 ， =15 ， =350000图 3-4 不同试验下响应信号 图 3-5 螺旋角对切削力的影响（6）螺旋角对振动的影响图 3-6 根据通过试验测得的数据，绘制的加速度信号幅值随螺旋角变化的曲线。从图中可以看出，加速度信号幅值的变化趋势逐渐降低，说明随着螺旋角的增大切削实际前角增大，切削力减低，振动减弱。图 3-6 螺
14、旋角对振动影响（四）确定正交试验设计方案1、试验设计方法各项指标的确定试验指标：指作为试验研究过程的因变量，常为试验结果特征的量。试验指标确定为刀具耐用度。因素：指作试验研究过程的自变量，常常是造成试验指标按某种规律发生变化的那些原因。确定刀具几何角度为前角（） 、后角（） 、螺旋角（ ） 。7水平：指试验中因素所处的具体状态或情况，又称为等级。如例 1 的温度有 3 个水平。温度用 T 表示，下标 1、2、3 表示因素的不同水平，分别记为1、 2、3。通过以上的分析，我们挑选了关键因素，制定了此次试验的各项条件，确定正交试验设计方案。2、试验设计方法试验条件的确定经过研究确定了试验的相关数据
15、，并决定运用极差分析法进行数据处理，试验条件如下：（1）试验指标：刀具耐用度；（2）因素：以前角（0） 、后角（0） 、螺旋角（）这 3 个最主要的参数做为因素；（3）水平：每个因素选取 3 个水平，前角（）1、 2、3；后角（）1、23；螺旋角（） 1、2、3。各水平均从切削手册及实际加工经验中的选取角度；（4）刀具加工设备：选用德国进口的高精度五轴数控工具磨床，精度符合加工要求，因此可以避免加工误差对试验结果造成的不良影响；（5）试验的切削参数:主轴转速:S 4000 r.p.m；进给速度f140mmmin；ap0.3mm；试验方案：本次试验根据相关分析确定影响刀具耐用的的主要因素为三个，
16、所以正交表选用 L9（3 4） ，试验安排见表 4-1（五）试验过程与分析1、正交试验表表 5.1 钛合金叶轮刀具正交试验表序号 前角0 后角0 螺旋角12345671 ( 1)1 ( 1)1 ( 1)2 ( 2)2 ( 2)2 ( 2)3 ( 3)1 ( 1)2 ( 2)3 ( 3)1 ( 1)2 ( 2)3 ( 2)1 ( 1)1 ( 1)2 ( 2)3 ( 3)2 ( 2)3 ( 3)1 ( 1)3 ( 3)表 41 因素水平 L9(34)水平因素 前角 后角 螺旋角符号 1231 231231238893 ( 3)3 ( 3)2 ( 2)3 ( 3)1 ( 1)2 ( 2)2、试验结果
17、：见表5.2。表5.2 试验结果序号 刀具编号 试验结果(后刀面磨损值)1 1# 30 分后磨损 0.15mm，33 分时破损2 2# 30 分后磨损 0.05mm，33 时破损3 3# 6 分后三刀齿均破损4 4# 30 分磨损 0.1mm，32 分后破损5 5# 15 分后破损6 6# 6 分后刀齿破损7 7# 32 分后磨损 0.05mm8 8# 30 分后破损9 9# 6 分后破损3、对试验结果进行极差分析： （1） 、根据以上分析，结合实际试验结果进行极差分析与方差分析由于试验结果不便于分析，因此需要对其进行量化处理。经研究，对试验结果的量化标准如下:在20分内破损=0分在30分钟内
18、磨损0.12以上=1分在30分钟内磨损0.12以内=2分在30分钟内磨损0.05以内=3分根据以上标准，进行极差分析，结果见表5.6。表5.4 试验结果的极差分析序号 前角0 后角0 螺旋角 结果y12341 ( 1)1 ( 1)1 ( 1)2 ( 2)1 ( 1)2 ( 2)3 ( 3)1 ( 1)1 ( 1)2 ( 2)3 ( 3)2 ( 2)1(分)3(分)0(分)2(分)9567892 ( 2)2 ( 2)3 ( 3)3 ( 3)3 ( 3)2 ( 2)3 ( 2)1 ( 1)2 ( 2)3 ( 3)3 ( 3)1 ( 1)3 ( 3)1 ( 1)2 ( 2)0(分)0(分)3(分)1
19、(分)0(分)jjjkjj/kjj/kjj/kjDj42431.3330.6671.3330.666640321.3330225330.6671.66711=10以第二列为例说明其计算过程：后角为1时，即2=1+2+3=6，kj=3，平均值2/3=6/3=2；后角为2时，即2=3+0+1=4，kj=3，平均值2/3=4/3=1.333；后角为3时，即2= 0+0+0=0，kj=3，平均值2/3=0/3=0；极差D2=2-0=2；通过试验结果的极差分析,可以看出：后角为1时，刀具的耐用度最高。同理可得：前角为 1或2时、螺旋角为 2时刀具耐用度最高。因此，刀具耐用度最高时的角度组合为 01或2、
20、 0 1、2，其中前角应取 2，因为大前角可以增加刀具的锋利程度，降低工件表面粗糙度。通过分析还可以看出，由于极差值最大的为后角，说明后角对试验的影响略大于其他因素。（六） 、试验数据分析 试验结果出来后,就该进行数据处理了。正交试验方法之所以能得到科技工作者的重视并在实践中得到广泛的应用，其原因不仅在于能使试验的次数减少，而且能够用相应的方法对试验结果进行分析并引出许多有价值的结论。因此，有正交试验法进行实验，如果不对试验结果进行认真的分析，并引出应该引出的结论，那就失去用正交试验法的意义和价niy110值。从表 5.4 的计算结果可知，用极差法分析正交试验结果可引出以下几个结论：1在试验范
21、围内，各列对试验指标的影响从大到小的排队。某列的极差最大，则表示该列的数值在试验范围内变化时，试验指标数值的变化最大，说明该列对试验指标影响程度最大。因此，如果将各列极差值 D 的数值从大到小的排队，就相当于将各列对试验指标的影响程度从大到小排列；2试验指标随各因素的变化趋势。为了能更直观地看到变化趋势，常将计算结果绘制成图；3可找出使试验指标最适宜的工艺条件。通过计算，找出各列中试验指标平均值最大时所对应的水平值，说明在该水平条件下，试验指标达到了最佳状态。因此，可以找出最适宜的因素水平搭配；4可对所得结论和进一步的研究方向进行讨论。5、可引出的结论与极差法相比，方差分析方法可以多引出一个结
22、论：各列对试验指标的影响是否显著，在什么水平上显著。在数理统计上，这是一个很重要的问题。显著性检验强调试验在分析每列对指标影响中所起的作用。如果某列对指标影响不显著，那么，讨论试验指标随它的变化趋势是毫无意义的。因为在某列对指标的影响不显著时，即使从表中的数据可以看出该列水平变化时，对应的试验指标的数值与在以某种“规律”发生变化，但那很可能是由于实验误差所致，将它作为客观规律是不可靠的。有了各列的显著性检验之后，最后应将影响不显著的交互作用列与原来的“误差列”合并起来。组成新的“误差列” ，重新检验各列的显著性。(七)、正交试验结果在实际生产中的应用与成果通过试验结果的分析，可以看出磨损最小，
23、切削性能最好、耐用度最高的刀具的几何参数为： 前角 0 后角 0 螺旋角 2 1 2将此刀具几何参数应用于生产中，并通过对其它刀具也进行了正交试验，提高了钛合金整体闭式叶轮整体刀具耐用度，其加工情况如下：2008 年 7 月-9 月刀具耐用度统计表：月份 7 8 9 平均耐用度 74 分钟 75 分钟 73 分钟 74 分钟通过效果检查,刀具耐用度提高到目标值以上,极大的提高了生产效率，取得了较为可观的经济效益，刀具耐用度相对比 2007 年提高了 34.5.证明实施后效果明显,超过了预期目标。55分 钟71.5分 钟 74分 钟020406080刀具耐用度试 验 前 试 验 目 标 试 验 后试 验 前 、 后 刀 具 耐 用 度 对 照 图
