基于稳健设计理论的深孔加工孔直线度研究

    0 引言

    BTA 深孔振动钻削是一种复杂的加工过程, 加工孔的长径比大 (L/D>5～20)。在加工中, 由于控制因素 ( 刀具直径、刀杆长度、进给量、主轴转速等) 的变化, 从而导致被加工孔的中心线产生偏移, 孔直线度误差增大。在深孔振动切削加工中, 不同的加工因素对加工质量的影响在文献 [1] 中已经进行了研究。稳键设计方法为稳定产品的质量提供了很好帮助[2,3]。本文将稳键设计理论应用于分析相关六个控制因素对 BTA 深孔加工中孔直线度的影响。相关加工参数包括刀具直径、刀杆长度、辅助支撑间隔距离、进给速度、转速、加工件数。这六种因素可以设计成 L8(26) 正交实验表。采用方差分析确定相关加工参数的影响程度, 并且由信噪比函数优化六种控制因素的合理配置。

    1 试验系统设计

    试验选用的设备是自主开发的专用铜冷却壁深孔加工钻床, 该加工设备采用 BTA 刀具, 如图 1 所示。试验 工 件 为 扎 制 紫 铜 板 , 铜 板 长 约 为 4000mm、 宽1400mm、厚 120mm 左右, 沿长度方向在铜板本体上加工出深度为 2000mm 的单孔。孔偏斜量是用超声波测厚仪测量孔壁相对基准表面来得到。

    2 稳键设计

    2.1 正交试验设计

    表 1 列出了试验的控制因素 ( 其中包括五个加工因素和一个噪声因素) 和两个选择水平。试验水平是在试验设备加工条件下随机的选择。表 2 给出了正交试验测得数据, 两个工件在同一测量位置上的孔直线度误差不同, 这主要是因为钻孔加工是一个动态过程。

    2.2 信噪比

    在稳健设计理论中, 运用信噪比 (S/N) 函数来表征产品质量的平均值和其波动情况。本文的研究对象是孔直线度误差, 误差值应当越小越好, 因此选择的信噪比函数是望小特性函数。其表达式为[2]:

    其中 N—测量的次数 ( 在本文中, N=4) ; yi—孔直线度误差。由式 (1) 可以计算出信噪比, 依据计算结果, 们可以清楚地发现, 如果加工孔直线度误差小,则计算出的信噪比较大。通过直线度误差的信噪比表,可以分析每一个控制因素对直线度误差的影响。控制因素的影响程度是由其水平均值差来决定的。控制因素水平均值差越大, 则该因素对孔直线度误差的影响就越大。因素水平均值和水平均值差的计算方法如下:

    其中: Rip—p 因素的水平 i 均值; SNpi—p 因素的水平i 信噪比值。本文 p 取值为 A~N; i 取值为 1～2。根据式(1)、(2)、(3), 我们可以计算出因素水平均值和水平均值差, 如表 3 所示。从表 3 可以看出, 对信噪比 S/N 影响程度由大到小的控制因素依次为辅助支撑间隔、刀杆长度、刀具直径、主轴转速、进给量。然而, 控制因素对信噪比却非常小。通过试验因素对质量指标影响的趋势图如图2,