劉堯

摘 要：為提升陶瓷機(jī)械的使用壽命、加工效率和車削性能，文章基于表面響應(yīng)法對陶瓷機(jī)械的車削參數(shù)優(yōu)化展開研究，通過表面響應(yīng)法的二階響應(yīng)面模型，篩選出最優(yōu)參數(shù)值，并使用Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計方法設(shè)計出陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化試驗，文章詳細(xì)地闡述了陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化過程，優(yōu)化結(jié)果顯示最佳車削參數(shù)取值為：切削速度20.87m/min、切削深度0.139mm、進(jìn)給量0.174mm/r、綜合變量極大值1.559。

關(guān)鍵詞：表面響應(yīng)法；陶瓷機(jī)械；車削參數(shù)優(yōu)化

1 前 言

陶瓷機(jī)械具有耐腐蝕、抗氧化、使用壽命長、加工性能好的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工、醫(yī)療用具生產(chǎn)、汽車零部件生產(chǎn)等多個領(lǐng)域。所以對陶瓷機(jī)械進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義，高奇[1]基于小波變換對陶瓷機(jī)械齒輪傳動噪聲消除方法展開研究，通過降低信號中干擾頻率的響應(yīng)值，改變小波濾波器的頻率，并在其中增加連續(xù)和離散小波分析算法，基于小波變換消除陶瓷機(jī)械齒輪傳動產(chǎn)生的噪聲，實驗表明：使用小波變換在進(jìn)行噪聲消除時平均耗時只有1.23s，比傳統(tǒng)方法消除噪聲的3.27s要快，并且準(zhǔn)確率也可以達(dá)到95.26％；顧峰、沈悅、郭敏等[2]對氣氛燒結(jié)對95氧化鋁陶瓷機(jī)械性能影響展開研究，著重研究了不同的合成溫度、燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度對陶瓷機(jī)械性能和顯微結(jié)構(gòu)的影響，并對其機(jī)理進(jìn)行了初步的探討，研究表明在氫氣氛中1350℃2 h燒成的樣品的體積密度達(dá)3.95 g/cm3，表面洛氏硬度為92（HR 15 N），抗折強(qiáng)度大于200MPa，表面光潔度為 11；龔濤、鄧康、趙寶榮等[3]對鎳離子注入對Al2O3陶瓷機(jī)械性能改善展開研究，在不同工藝條件下，觀察Al2O3陶瓷表面注入鎳離子后機(jī)械性能的變化，發(fā)現(xiàn)最佳注入離子劑量5×1016con·cm-2時機(jī)械性能有很大改善.結(jié)合應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)陶瓷表面壓應(yīng)力對機(jī)械性能的改善有很大貢獻(xiàn)。以上研究雖然能夠從多方面改善陶瓷機(jī)械的應(yīng)用性能，但缺少對陶瓷機(jī)械車削參數(shù)的優(yōu)化研究?；诖?，文章基于表面響應(yīng)法，設(shè)計出Box-Behnken中心組合試驗，對陶瓷機(jī)械的車削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化試驗

2.1表面響應(yīng)法

表面響應(yīng)法（Response Surface Methodology，RSM）[4]是一種能夠解決多變量問題的穩(wěn)健設(shè)計方法，利用合理的試驗設(shè)計，采用回歸方程擬合試驗因素和響應(yīng)面之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析獲取最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。本文在應(yīng)用表面響應(yīng)法時，首先根據(jù)試驗因素和陶瓷機(jī)械水平，建立因子試驗，并根據(jù)因子實驗數(shù)據(jù)獲取影響陶瓷機(jī)械車削的綜合變量值，再根據(jù)綜合變量值建立回歸模型，通過回歸模型計算分析影響綜合變量值的主要因素[5]。最后根據(jù)綜合變量值主要影響因素尋找模型最大值，進(jìn)而獲取最大值位置的最優(yōu)陶瓷機(jī)械車削參數(shù)[6]。

2.2試驗設(shè)計

根據(jù)表面響應(yīng)法中二階響應(yīng)面模型提供的最佳變量組合，將切削速度、切削深度和進(jìn)給量三項陶瓷機(jī)械車削參數(shù)作為試驗因素，將陶瓷機(jī)械作業(yè)水平設(shè)置為水平-1、水平0和水平1。加工工藝參數(shù)水平表如表1所示。

根據(jù)表1中的加工工藝參數(shù)水平表，文章使用Box-Behnken中心組合方法進(jìn)行試驗設(shè)計。Box-Behnken中心組合方法通常與表面響應(yīng)法共同使用，能夠為表面響應(yīng)法獲取的最佳變量組合提供等精確度的估計。試驗共設(shè)計15個點，其中12個為因子點、3個為零點（中心點），因子點與零點等距，并且可以圍繞零點旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域為研究區(qū)域，15個試驗點對應(yīng)編號1-15，具體試驗條件設(shè)計表如表2所示。

3陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化過程

根據(jù)表2中的試驗設(shè)計參數(shù)，文章以切削力和材料去除率兩項指標(biāo)作為陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化的響應(yīng)值，判斷參數(shù)優(yōu)化的有效性。當(dāng)期望響應(yīng)值較大時，最優(yōu)響應(yīng)值被稱為望大特性值；當(dāng)期望響應(yīng)值較小時，最優(yōu)響應(yīng)值被稱為望小特性值。由此可以計算出不同期望下的陶瓷機(jī)械信噪比，設(shè)第i個響應(yīng)值在第j次試驗條件下的測量值為Xij，第i個響應(yīng)值在第j次試驗條件下的信噪比為Yij，那么望小特性值信噪比計算公式如公式（1），望大特性值信噪比計算公式如公式（2）：

通過公式（1）和公式（2）獲取的信噪比為初始狀態(tài)下的信噪比，需要對使用公式（3）進(jìn)行信噪比規(guī)范化變換：

使用矩陣Z形式表示公式（3）中的規(guī)范化信噪比如公式（4）所示：

將矩陣Z中的響應(yīng)值進(jìn)行加權(quán)求和計算，能夠得到綜合變量K，K中同時包括切削力和材料去除率兩項響應(yīng)值指標(biāo)。K值越大，陶瓷機(jī)械的切削力越小、材料去除率越高，優(yōu)化效果越理想。計算公式如公式（5）所示：

公式（5）中，代表第一個響應(yīng)值的權(quán)重向量；代表第p個響應(yīng)值的權(quán)重向量，計算后的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

將表3中的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，代入公式（4）中進(jìn)行矩陣規(guī)范化處理，可以得到和。

Z1j=[0.669，0.786，0.919，1，0.555，0.584，0.921，0.832，0.047，0，0.079，0.117，0.719，0.692，0.722]

Z2j=[0.618，0.619，0.118，0.118，1，10.51，0.51，0，0.993，0.997，0.587，0.484，0.639，0.639，0.639]

將和代入公式（5）進(jìn)行加權(quán)求和計算，能夠得到綜合變量值K。

K=[1.296，1.394，1.126，1.118，1.555，1.43，0.932，1.039，0.997，0.575，0.588，1.347，1.318，1.448]

4優(yōu)化結(jié)果

基于上述陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化獲取的綜合變量值K，文章使用回歸模型方差的方法獲取最優(yōu)車削參數(shù)?；貧w模型計算項共計分為一次項、二次項、交叉項、總模型、總誤差五項，F(xiàn)代表回歸模型的總回歸值，回歸模型方差分析結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4可以得知，該回歸模型的一次項、二次項F檢驗的顯著水平值均小于0.01，代表一次項、二次項對綜合變量值K具有直接影響，交叉項的F檢驗的顯著水平值大于0.01，說明交叉項對綜合變量值的影響較小。由此根據(jù)回歸模型尋找一次項、二次項的模型極大值點，極大值點的車削加工工藝參數(shù)就是最優(yōu)車削參數(shù)。具體參數(shù)為切削速度20.87m/min、切削深度0.139mm、進(jìn)給量0.174mm/r、綜合變量極大值1.559。

5總結(jié)

綜上所述，文章基于表面響應(yīng)法對陶瓷機(jī)械的車削參數(shù)優(yōu)化展開研究，通過表面響應(yīng)法的二階響應(yīng)面模型，篩選出最優(yōu)參數(shù)值，并使用Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計方法設(shè)計出陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化試驗，文章詳細(xì)地闡述了陶瓷機(jī)械車削參數(shù)優(yōu)化過程，優(yōu)化結(jié)果顯示最佳車削參數(shù)取值為：切削速度20.87m/min、切削深度0.139mm、進(jìn)給量0.174mm/r、綜合變量極大值1.559。

參考文獻(xiàn)

[1]高奇. 基于小波變換的陶瓷機(jī)械齒輪傳動噪聲消除方法[J]. 佛山陶瓷，2022，32（9）：55-57.

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