基于SPSS软件的消失模表面质量数控切削工艺优化分析

左健民，周少龙，汪木兰，陈建

(1.常州大学机械工程学院，江苏常州213016;2.江苏理工学院，江苏常州213001;3.南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏南京211167)

SPSS 软件(Statistical Product and Service Solutions，统计产品与服务解决方案)是一种集数据整理功能和分析功能于一身的数据处理软件，它能以图表的形式详细地分析二次正交试验中单个因素对试验结果的影响比重，并能计算各因素的影响系数。采用数控切削技术对消失模进行直接加工的方法已经被广泛应用于消失模模具生产领域［1］。消失模是用大量的高聚苯乙烯颗粒粘结而成的泡沫材料［2－5］，当采用数控机床对消失模模具进行切削加工时，没有被完全切削的泡沫颗粒容易被刀具整体带出而使切削表面形成颗粒凹陷。经试验证实，消失模模具的表面总颗粒凹陷面积同切削面积的百分比f 是衡量消失模表面切削质量的一个重要指标。利用SPSS 软件中的二次正交组合设计方法对切削质量参数f 进行研究，分析了主轴转速、轴向进给量、径向进给量和切削速度对f 的影响规律，并提出最优的切削参数组合，为预测消失模切削表面质量提供了合理选择参数的方法。

1 实验方案

1.1 实验装置

某型号的数字化无模精密成形机如图1所示。

刀具选择直径为8 mm 的硬质合金双刃立铣刀，实验材料选择密度为18 kg/m3的高聚苯乙烯消失模材料。

图像处理设备主要技术指标包括:分辨率为780 ×520，帆数为50，像素尺寸为8.3 ×8.3。

图1 数字化无模铸造精密成形机

1.2 实验条件设定

确定影响因素的变化范围:主轴转速1 500 ～3 000 r/min，轴向进给量1 ～3 mm，切削宽度2 ～4 mm，切削速度200 ～300 mm/mim。

确定影响因素的上、下水平、变化间距以及对因子进行编码，然后根据相应的公式z0j=(z2j+z1j)/2，Δj=z1j+z0j计算出各因素的零水平和各因素变化间距，从而得到表1。

表1 实验数据选取表

其中，Z2j为上水平，即各实验因素取值最高的那个水平;Z1j为下水平，即各实验因素取值最低的那个水平;Z0j为零水平，即上下水平的平均数;+γ为参数上限;－γ 为参数下限。

按照SPSS 软件中二次回归正交组合设计的方法，将表1 中的数据输入SPSS 软件中，并把实验结果通过数据对应起来，如图2所示。

图2 SPSS 软件数据处理系统

为了能够量化各参数对切削表面质量的影响情况，引入信噪比实验检验方法。信噪比实验设计法是一种将不可控的因素对实验按结果的影响程度变换成特性值，并寻求其最小分布的强健设计方法［6］。因为期望表面凹陷量小，因而用极小特性来计算特性值信噪比。现将实验数据代入信噪比实验公式:

ηj=－lgy2

ηz(－1)=(η9+η10+…+η16)/8 =－26.18

ηz(0)=(η19+η20+…+η27)/9 =－25.78

ηz(1)=(η1+η2+…+η8)/8 =－26.28

其中:ηj为信噪比;y 为试验结果。

根据信噪比公式计算得到结果见表2。

表2 各因数影响水平表

其中:z1为主轴转速;z2为轴向进给量;z3为径向进给量;z4为切削速度。

从表2 中可以看出，对切削表面质量影响最大的是径向进给量，其影响比重占40%，其次是轴向进给量、切削速度及主轴转速。从表2 所得到的数据来看最优的切削参数组合是:z1(0)、z2(－1)、z3(－1)和z4(－1)，即主轴转速为2 250 r/min，轴向进给量为1.4 mm，进给宽度为3 mm，进给速度为218 mm/min。

为了更加直接地看出各影响因素对表面质量的影响程度，利用SPSS 软件中的图像处理功能分别对主轴转速、轴向进给量和径向进给量3 个因素进行分析。

从图3 可以看出:如果主轴转速过高，高速旋转的主轴在主轴附近产生旋转气流，泡沫颗粒容易吸附在主轴刀刃表面，从而影响到切削表面的质量。另外，过高的主轴转速还会增加机床的不稳定性，容易产生振动，从而影响到消失模的表面切削质量。当转速在1 800 r/min 时，在多种参数共同作用下过低的主轴转速不利切削泡沫颗粒，会在工件表面形成颗粒凹陷，从而影响到工件表面的切削质量。从图3 还可以看出:当主轴转速在1 600 r/min 时虽然能够获得较高的表面切削质量，但是需要较小轴向进给量和切削宽度作为配合，这样会降低综合加工效率。总之，在多因素共同作用下，主轴转速为2 200 r/min 时，消失模的表面切削质量最优。

当泡沫颗粒的粒径为1 ～2 mm，轴向进给量越小，切削消失模颗粒的阻力就越小，泡沫颗粒就越不容易被刀具整体带出。从图4 可以看出:轴向进给量越小，则切削的表面质量越好，但是消耗的工时也就越长。实验证明，当轴向进给量大于2.5 mm 时，消失模表面会产生大量未经切削泡沫颗粒，切削表面也会产生大量颗粒凹陷。

径向进给量是影响消失模数控加工工时的一个重要因素。当切削径向进给量小于消失模的粒径时，尽管能得到较高的切削质量，但在实际生产过程中需要大量工时。当切削径向进给量大于粒径时，不仅能够大量缩短加工工时，而且加工表面质量能够满足消失模铸造的要求。从图5 可以看出:在各切削参数共同作用下，消失模切削表面质量参数f 是随着径向进给量的增加而增大。

利用SPSS 软件自动生成各参数的系数，从而得到参数多项式来验证SPSS 软件在此次数据处理中的可靠性。

表3 为SPSS 软件自动生成的各参数的系数表，由系数表中各因数的参数可得到式(1):

现将因数和切削参数的关系式代入式(1)，从而得到切削表面质量与各参数的多项式:

现将实验数据代入式(2)，验证此次SPSS 软件数据处理的可靠性。经过比较表明，计算结果同实验结果误差在1%范围之内，因此此次实验得到的数据分析是可靠的。

表3 切削因数参数表

2 结论

利用SPSS 软件的正交回归试验设计功能，对消失模数控铣削表面工艺进行分析和研究，可以得到如下结论:

(1)对加工表面质量影响最显著的是径向进给量，其影响比重在40% 左右，其次是轴向进给量、切削速度和径向进给量;

(2)轴向进给量和径向进给量对切削表面加工质量的影响趋势相同，呈现上升趋势。同时，在实际加工过程中，应该综合考虑工时和工件对表面质量的双重影响，既要尽量缩短工时，又要满足工件表面的加工质量要求。

(3)在多因素的共同影响下，主轴转速对消失模表面切削质量的影响并不是呈递增或递减趋势，较低的主轴转速尽管能得到较高的消失模表面加工质量，但其同时需要较低的轴向进给量和径向进给量相互配合，这样会增加加工工时。较高的主轴转速会导致机床本身不稳定，而且形成高速漩涡流使泡沫碎屑吸附在刀刃表面，从而影响到消失模加工表面质量。

【1】吕竹清，王华昌，李志刚.基于UG 的消失模泡沫模样数控刀路优化算法研究［J］.锻压技术，2010(6):137－141.

【2】黄天佑，黄乃瑜，吕志刚.消失模铸造技术［M］.北京:机械工业出版社，2004:17－76.

【3】利于三，章舟.消失模白模发泡成型设备及模具［J］.铸造设备研究，2007(6):60－63.

【4】赵忠，樊自田，成平，等.Al-Si7-Mg 消失模振动凝固组织半固态热处理［J］.金属热处理，2010(1):57－62.

【5】吴淑宝，方亮，董志根，等.可用于消失模模样制造的EPS 快速成型系统［J］.机电产品开发和创新，2011(3):173－145.

【6】杨德.实验设计与分析［M］.北京:中国农业出版社，2002:60－85.

【7】王颉.实验设计与SPSS 应用［M］.北京:化学工业出版社，2007:165－200.

【8】DONG H Y，HUANG P J，BI Y B.Study on the Orthogonal Cutting Process of Al7050t7451 with Uncoated and Coated Tools［J］.Key Engineering Materials，2009，392/393/394:990－995.