数控加工中切削参数对加工表面质量影响的析因实验设计
江苏省技工院校2012年度机械专业中心教研组优秀教研成果
数控加工中切削参数对加工表面质量影响的析因实验设计
摘 要：析因设计是一种多因素多水平交叉分组进行全面试验的设计方法,它可以研究两个或两个以上因素的主效应以及各因素间的交互作用，而且通过比较各种组合，可以找出最佳组合。它是一种全面的高效率的统计设计,因此也称为析因试验设计。实验通过用析因表安排数控加工中的切削参数进行实验，确定切削速度、进给量、切削深度对加工表面质量（表面粗糙度）的影响。在切削参数中，有切削速度、进给量、切削深度对加工表面质量有影响，加工速度和进给量分别取3个水平吃刀量取2个水平做实验，可以得到18组实验数据。然后将实验数据代入双向表通过方差分析得到3个影响表面粗糙度的因素中，进给量的影响最大，切削速度次之，切削深度的影响最小。
关键词：析因实验；主效应；交互作应；表面粗糙度
一、引言
理工科各领域科技工作者的一项共同的工作就是做实验，实验设计就是讲述如何科学有效地安排实验并分析实验数据的学科。一个好的实验设计可以用少量的实验次数获得有效的实验信息。
二战后，日本工业高速发展的奥妙之一就是实验设计。近年来，在美国对实验设计的兴趣又重新流行起来，因为很多工业界发现，他们的海外竞争者已经应用实验设计很多年，并且这是他们竞争成功的一个重要因素。所有工程师接受实验设计的正规训练作为他们大学教育的一部分的日子已经为期不远。实验设计在工程专业上的成功积累是美国工业基础未来竞争的关键因素。
实验设计课程是统计学与工程技术结合的学科，包括两部分内容，第一是对实验进行科学有效的设计，第二是对实验数据进行正确的统计分析，两者相比前者更为重要。首先科学有效的设计是进行正确统计的前提，面对一大堆无效的实验数据，最高明的统计科学家也会束手无策。反之，用科学的实验设计方法得到的实验数据，往往只需要简单的统计分析方法就可以获得有效的信息。百分之九十以上的实验设计问题的统计分析都可以使用常规的统计分析方法解决。即使实验人员没有掌握全部的统计分析方法，但是只要实验设计是科学的，实验设计是科学的，实验数据是有效的，还可以与他人合作共同分析实验数据。从20世纪20年代，英国学者费希尔就在农业生产领域使用试验设计的方法以来，实验设计就得到了广泛的发展与完善，统计学家与各领域的科学工作者共同发现了很多非常有效的实验设计，实验设计在众多的领域发挥了不可替代的作用。一个科学而完善的实验设计能够合理地安排各种实验因素严格地控制实验误差，并且能够有效地分析试验数据，从而减少人力、物力、和时间，最大限度地获得丰富而可靠的资料。反之，如果实验设计存在缺点，就必然造成不应有的浪费，减损研究结果的价值。
费希尔在农业实验中运用均蘅排列的拉丁方，解决了长期未解决的实验条件不均衡的问题，提出了方差分析的方法，创立了实验设计。随后，试验设计方法大量应用于农业和生物科学，从20世纪30年代起，英国的纺织业中也应用了实验设计。第二次世界大战中，美国的军工企业也开始使用实验设计方法。二战以后美国和西欧的化工、电子、机械制造等众多行业都纷纷使用实验设计，实验设计已经成为理工各领域的通用技术。根据实验设计的内容的不同，可分为专业设计和统计设实验的统计设计使得试验数据具有良好的统计性质，由此可对实验数据作所需要的统计分析。实验设计和实验结果的统计分析密切相关，只有按照科学的统计设计方法得到的实验数据才能进行科学的统计分析，得到客观有效的分析结论
实验设计的三个基本原理是重复，随机化，以及区组化。所谓重复是
基本实验的重复进行。重复有两条重要的性质。第一，允许实验者得到实验误差的一个估计量。这个误差的估计量成为确定数据的观察差是否是统计上的实际差的基本度量单位。第二，如果样本均值作为实验中一个因素的效应的估计量，则重复允许实验者求得这一效应的更为精确的估计量。随机化是实验设计使用统计方法的基石。所谓随机化就是实验材料的分配和实验的各个试验进行的次序都是随机地确定。区组化是用来提高实验的精确度的一种方法,一个区组就是实验的一部分。
数控加工技术的产生是市场经济全球化和各种先进技术发展的综合结果。由于数控加工能够获得很高的加工效率.加工精度和表面质量，所以受到制造业的普遍重视。其应用已遍及汽车、空航天、具和精密机械行业。其中零件的表面粗糙度是衡量零件加工质量的一个重要指标，数控加工中切削参数的选择是决定加工零件精度和表面质量的关键因素，因此必须对加工参数的选择进行优化。
析因设计是指在实验的每一次完全试验或每次重复中，试验所有可能的水平组合都被研究到。当因素A有a个水平因素B有b个水平时，则每次重复都包含全体ab个处理组合。当这些因素被安排在析因设计中时，常称之为交叉。一个因素的效应定义为当这一因素的水平改变时所产生效应的变化，这种效应称之为主效应，它是由实验中的基本因素引起的。交叉作用：在一些实验中我们会发现一个因素的水平间的响应随着其它因素的水平的不同而不同，当这种情况出现时因素之间就存在交叉作用。主效应和交互作用都是影响观察值的原因，即引起变异的原因统称为变因。
二、正文
1、表面粗糙度测量图
在工件加工结束后将工件表面的切削液和铝屑擦拭掉，将工件放至于接触式表面粗糙，然后通过调节按扭移动测量触杆使其与工件接触，接触式表面粗糙度测量仪就会自动测出工件的表面粗糙度，下图就是所得的测量图。
表面粗糙度波形图
表面粗糙度波形图
表面粗糙度波形图
表面粗糙度波形图
表面粗糙度波形图
表面粗糙度波形图
表面粗糙度实验方差分析表
表面粗糙度实验方差分析表
方差分析表明进给量是影响表面粗糙度的最大影响因素，当进给量和切削深度同时增加时进给量对表面粗糙度的影响要远远大于切削深度对表面粗糙度的影响，根据进给量的推算公式：可得当进给量不变时转速增大时可以使每齿进给量减少，同样也可以获得比较好得表面粗糙度。
在表面粗糙度析因实验中，如果只有主效应显著，那么因素之间的最佳水平组合就是最好的处理，如果交互作应显著就必须从处理的比较上寻优，在本次析因实验中，由于、、的交互作应不显著，值并不在＜≤，也不在＞，可以得到因素之间的最佳水平组合就是最好的组合。即在数控加工铣削平面时为了获得好的表面粗糙度和提高工作效率可用较高的转速，小的进给量和采用比较深的切削深度。分析结果与实际加工所得的结论符合。
传统的切削理论认为获得低粗糙度的最佳切削用量范围应是：高转速、小进给量及小切削深度。因为切削加工中切削参数变量对表面粗糙度的影响因素是多方面的，但是由于切削参数的综合效应对粗糙度的影响规律很难得出定量分析的结论所以到目前探讨切削加工中切削参数变量与表面粗糙度的关系的文献很多但其研究对象绝大部分是垂直于z轴的平面精加工，对于内腔轮廓侧表面精加工的切削用量参数研究甚少。
铣削速度的提高可以有效地提高单位时间单位功率的金属 除率，减少积屑瘤和鳞刺及工件材料的塑性变形从而可以减小表面粗糙度。因此在切削系统许可的高速范围内切削可以提高工件表面加工质量，切削速度的提高还有利于增大剪切角、降低切削变形从理论上分析，当铣刀转速足够高时，铣刀的切削频率远离了切削振动的固有频率，从而降低了切削系统的振动，提高了工件表面的加工精度。但是与加工中心相比，经济型数控机床的主轴调速一般采用“交流电动机+带轮”的调速方式，其转速范围是相对偏小即使是乔福数控加工中心，具有良好的高速性能主轴最高转速也只能为5000转每分左右，且承载能力在转速增加时减小。
在加工铝合金时，每齿走刀量，与刀具磨损之间呈驼峰线趋势。因此，如果单纯从刀具磨损的角度来看当提高切削速度(增大转速)时可适当加大进给速度而进给速度的增大有利于迅速移开热源降低工件的温升特别是铝合金这类导热系数很大的材判，迅速移开大热源对提高加工精度是有作用的，当有切削冷却液时温度的影响则会很小。但是由于切削速度的限制以及机床刚性的原因进给速度不能提高过快，否则会引起振动。实验表明：当大于500 mm／min时，现表面振纹。低进给速度尽管对减小表面粗糙度值有利，但不利于生产率提高和成本降低，这会与选用经济型数控机床加工零件的初衷相反。
析因设计是指在实验的每一次完全试验或每次重复中，试验所有可能的水平组合都被研究到。当因素A有a个水平因素B有b个水平时，则每次重复都包含全体ab个处理组合。当这些因素被安排在一析因设计中时，常称之为交叉。一个因素的效应定义为当这一因素的水平改变时所产生效应的变化，这种效应称之为主效应，它是由实验中的基本因素引起的。交叉作用：在一些实验中我们会发现一个因素的水平间的响应随着其它因素的水平的不同而不同，当这种情况出现时因素之间就存在交叉作用。主效应和交互作用都是影响观察值的原因即引起变异的原因，统称为变因。
析因设计的优点在于与古典的回归分析相比，古典的回归分析方法只是被动地处理已有的实验数据，对实验的要求不提出任何要求后果是盲目增加实验次数，而这些实验结果还不能提供充分的信息以致在许多因子试验问题中达不到实验目的。对实验模型的合适性无法检测因此在被动处理数据时在同一实验点上不一定存在重复试验数据。为了适应寻求最佳工艺、最佳配方、建立生产过程的数据模型等的需要人们就要求以较少的试验次数获得精度较高的数据分析结果。而析因设计它比一次一因素实验效率高，当有交互作用时，析因设计能很好的处理。析因设计还容许一个因素对其它各因素的几个水平上来估计其效用所得的结论在实验的条件的范围内是有效的。
三、结论:
通过学习析因实验设计与分析等方面的知识，运用析因实验分析的三因素等重复实验表分析出加工参数中对表面加工质量影响，并分析出加工参数中加工速度（V）、进给量(F)、和吃刀深度()哪些参数对最终表面加工质量有显著影响。通过三因素重复实验的方差分析得出了数控加工中影响表面粗糙度的关键因素是进给量，当进给量和切削深度同时增加时进给量对表面粗糙度的影响要远远大于切削深度对表面粗糙度的影响，根据进给量的推算公式：可得当进给量不变时转速增大时可以使每齿进给量减少，同样也可以获得比较好得表面粗糙度。
若是加工其他形状的工件或用不同的方法加工工件时当切削参数的交互作用很明显即值并在＜≤或在＞时还可以用多重比较法：最小显著差法（LSD）或最小显著极差法（LSR）来进行多重比较，来寻求最佳的组合。
四、参考文献
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数控加工中切削参数对加工表面质量影响的析因实验设计.doc
