2007基于正交试验的PCD材料磨除率和磨耗比的研究

贾 特 李 嫚 张弘弢
(大连理工大学 机械工程学院, 大连 116023)
摘 要 通过金刚石砂 轮刃磨聚晶金刚石 ( PCD ) 材料的正交试验, 对各刃 磨工艺参数 包括砂轮 的速度 v、工 作台调定 压 力 Fa、进给量 f 对刃磨时磨除率 Q 和磨耗比 G 的影响, 做了系统的研究, 并通过回 归分析得出 了磨除率和 磨耗比的 回归 方程。试验结果表明, 进给量是对磨除率和磨耗比影响最大 的因素, 且随 着进给 量的增 大, 磨 除率和 磨耗比 都呈明显 增 大的趋势, 而砂轮的速度和工作台调定压力对磨除率及磨耗比的影响均不显 著。 关键词 正交试验; PCD; 磨除率; 磨耗比 中图分类号 TQ 164 文献标识 码 A
Investigation of rem oval rate and grinding ratio of PCD materia l based on orthogonal experim ent
Jia Te L iM an Zhang Hong tao ( Institu te of M echanical Engineering, D alian University of T echnology, Dalian 116023, China )
表 1 正交试验因素水平表
Tab. 1 Fac tor s and levels of orthogonal exper im en t
因素 水平
1 2 3
v( A )
7. 9 9. 4 12. 6
Fa ( B)
26 0 32 5 39 0
f(C)
0. 008 0. 004 0. 006
试验在台湾产 FC 200D 型 PCD& PCBN 专用工 具 磨床上进行, 使 用砂轮型 号为 6A2 150 40 15 5 W 20 M 100, 试验样品为英国 De Beers公司生产 010型 PCD复合片, 尺寸为 5. 2 mm 0. 5 mm 25 mm, 每磨 削 10 s砂轮修整一次, 总磨削时间为 60 s, 并于每次磨 削结束后, 测量 PCD 材料的磨除率 Q 和磨耗比 G。采 用日本产数显千分尺 ( 精度达 0. 001 mm ), 测量样本的 磨除厚度, 在磨床进给系统上安装定位块, 利用进给数 显系统 ( 精度达 0. 001 mm ) , 测量砂轮磨损厚度, 并通 过计算, 分别求出 PCD 材料的磨除率 Q 和磨耗比 G, 试验中冷却液为水基冷却液。
1. 0918 1. 0208
极差 R
0. 0757 0. 0734 1. 1201
0. 071
因素主 次
f v Fa
磨除率 优方案
A3 v = 12. 6
B3 Fa = 390
C1 f = 0. 008
表 4 磨耗比 G 极差分析表 Tab. 4 The range analysis of the gr ind in g ratio G
第 3期
贾 特等: 基于正交试验的 PCD 材料磨除率和磨耗比的研究
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照由小到大或者由大到小的顺序排列, 而是按照随机 化的方法处理。另外, 砂轮的摆频和摆幅也是影响磨 除率和磨耗比的工艺参数, 由于砂轮的摆幅是以磨削 过程中整个工件不脱离砂轮为依据确定, 故变化范围 不会太大, 又因试验所用专用工具磨床的摆频变化范 围较小, 故本文未对此二因素进行研究, 取砂轮的摆频 为 38次 /m in, 砂轮的摆幅为 9 mm。正交试验的因素 水平如表 1所示。
图 1 试验指标随因素变化 趋势图 F ig. 1 The expe rim en t targets change due to d ifferent fac to rs
3. 2 方差分析法 与单因素和双因素的方差分析类似, 先计算出各
因素和误差的离差平方和 SS, 然后求出自由度 df、平 均离差平方和 M S、F 值, 最后进行 F 检验, 由此得到如 表 5所示的磨除率的 Q 方差分析表。可以发现, 因素 v和 Fa所引起的离差平方和与误差平方和相差不大, 说明这两个因素对试验结果的影响较小, 可以把它们 归入误差, 就得到了新的误差平方和与新的自由度, 见 表 5中所示, 计算 F 值得到 F = 215. 399, 从 F 分布表 5 中 查 得 F0. 05 ( 2, 6 ) = 5. 143253, F 0. 01 ( 2, 6 ) = 10. 92477, 由于 F > F0. 01 ( 2, 6) , 所以因素 f 对试验结 果的影响非常显著, 也就是说, 进给量 f 是影响 PCD 材 料的磨除率最显著的 因素。在对磨 耗比的方差分 析 中, 发现三个因素所引起的离差平方和都比误差平方 和小, 说明误差在各因素影响磨耗比的试验中起了主 要作用, 对磨耗比的研究有待于进一步提高试验精度 与准确度, 争取更深入地分析影响磨耗比的主要试验 因素。
f F a v(CBA)
磨耗比 优方案
A2 v = 9. 4
B3 Fa = 390
C1 f = 0. 008
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金刚石与磨料 磨具工程
总第 159期
由磨除率和磨耗比随试验因素的变化趋势图 1可 以发现, 进给量 f 对两个试验指标的影响都很大, 随着 进给量的增大, 磨除率和磨耗比都显著增大, 另外两个 因素中, 砂轮的速度对其影响不大, 可能存在峰值, 有 一个最佳的速度值, 而工作台调定压力对两个指标的 影响相对较小。
v(A )
F a ( B)
f( C)
误差
K1
0. 0226 0. 0223 0. 0291
K2
0. 0264 0. 026 0. 0201
K3
0. 0256 0. 0263 0. 0254
0. 0177 0. 0239 0. 033
极差 R
0. 0038 0. 004
0. 009
0. Q 极差分析 表
Tab. 3 Range ana lysis of removal rate Q
v(A )
F a ( B)
f( C)
误差
K1
1. 0296 1. 0663 1. 624
1. 0613
K2
1. 039 1. 0171 0. 5039
K3
1. 1053 1. 0905 1. 046
1
1 0. 561 0. 0067
8
3
2
2
2 0. 1814 0. 007
9
3
3
3
3 0. 3629 0. 0119
3. 1 直观分析法 [ 1] 极差分析表中, K i表示任一列上水平号为 i (本次
试验中 i = 1, 2或 3)时, 所对应的试验结果之和, R 称 为极差, 在任一列上 R = m ax {K 1, K 2, K 3 } - m in {K 1, K 2, K 3 }。各列的极差是不相等的, 说明各因素的水平 改变对试验结果的影响是不同的。极差越大, 表示该 列因素的数值在试验范围内的变化, 会导致试验指标 在数值上有大的变化, 所以极差最大的那一列, 就是因 素的水平对试验结果影响最大的因素, 也就是最主要 的因素。优方案是指在所做的试验范围内, 各因素较 优的水平组合。本次试验中, 试验指标越大越好, 所以 应选取使指标大的水平, 即各列中 K i中最大的那个值 对应的水平。
1 引言
聚晶金刚石 ( PCD) 具有优良的性能, 充分体现了 现代制造业对刀具材料的要求, 被誉为 21世纪的新型 刀具材料, 是当前世界各国重点研究开发的刀具材料 之一。聚晶金刚石具有均匀的高硬度和高耐磨性, 同 时它还有很高的导热性和较低的摩擦系数, 这些优良 的性能, 使聚晶金刚石能够出色地完成高速切削有色 金属及其合金以及非金属材料。但是, 聚晶金刚石的 高硬度和高耐磨性以及较低的断裂韧性, 给其自身的 刃磨加工带来了很大的困难, 主要体现在刃磨时的磨 除率 Q (Q 是指单位时间内去除的聚晶金刚石材料量 ) 和磨耗比 G (G 是指聚晶金刚石材料去除量与砂轮损 耗量之比 )很小, 这些都成为阻碍聚晶金刚石刀具应用 推广难以突破的瓶颈。在用于刃磨金 属切削时 PCD 刀具的各种方法中, 最为成熟的是金刚石砂轮机械刃
Abstrac t T hrough orthogonal experim ent o f gr inding polycrystalline d iamond ( PCD ) w ith d iamond abrasiv e whee,l th is paper stud ied the influence of g rinding param eters inc luding wheel speed v, contact fo rce Fa, feed rate f on the remova l rate Q and the g rinding ratio G, then the regressive form ula was founded. The results show ed that the feed ra te had greatest effect on the rem ov al ra te and the g rinding ratio, both Q and G increased obv iously as the increasing o f the feed rate. H owever, the whee l speed and contact force affec ted the rem oval rate and the gr inding ratio ind istinctively com pa red w ith the feed rate. K eywords o rthogona l exper iment; po lycrystalline d iamond; rem ov al rate; grind ing ratio
对两个试验指标磨除率和磨耗比的极差分析及优 方案的选取, 见表 3和表 4。由表 3可以看出, 对磨除 率影响最大的因素是进给量 f, 砂轮速度 v 和工作台调 定压力 Fa对试验结果的影响次之, 优方案为 A 3B 3 C1。 由表 4可以看出, 进给量 f 对磨耗比的影响最大, 其次 是工作台调定压力 Fa, 影响最小的是砂轮速度 v, 优方 案为 A 2B3 C1。由于对磨耗比的分析中, 误差列即空白 列的极差最大, 可见误差对磨耗比的影响是非常大的, 而误差对磨除率的影响较小, 通过综合平衡法, 选取优 方案为 A 3B 3C1, 即砂轮的速度 12. 6 m / s, 工作台调定 压力 390 N, 进给量 0. 008 mm时, 可以同时使 PCD 材 料的磨除率和磨耗比达到一个较优的值。
磨, 国内外对金刚石砂轮机械刃磨的刃磨机理和刃磨 工艺的研究达到了一定的高度, 但是关于刃磨工艺参 数, 对磨削过程中磨除率和磨耗比的研究, 还有待进一 步深入。因此, 本论文通过正交试验系统地研究了刃 磨工艺参数包括砂轮速度、工作台调定压力和进给量, 对刃磨时磨除率 Q 和磨耗比 G 的影响, 为选择刃磨工 艺参数提供了一定的指导意义。
3 试验结果及分析
正交试验的方案与结果见表 2。
表 2 正交试验方案及结果 T ab. 2 Project and result of th e orthogona l exp erim ent
试验号 v / ( m / s) 1 1( 7. 9 )
F a /N 1( 260 )
f /mm 空列 磨除率 Q 磨耗比 G 2( 0. 004) 3 0. 1489 0. 0078
2
1
2( 325 ) 3( 0. 006) 1 0. 3267 0. 0057
3
1
3( 390 ) 1( 0. 008) 2 0. 554 0. 0091
4 2( 9. 4 )
1
3
2 0. 3564 0. 0078
5
2
2
6
2
3
7 3( 12. 6 )
1
1
3 0. 509 0. 0133
2
1 0. 1736 0. 0053
2 试验条件与方法
本次试验采用正交试验, 以砂轮的速度 v, 工作台 调定压力 Fa 和进给量 f 三个工艺参数作为试验的三 个因素, 每个因素选取三个水平, 以 PCD 材料的磨除 率和磨耗比为试验指标, 使用四因素三水平正交表即 L9 ( 34 ), 留出一列空白列, 以便方差分析用, 共做九组 试验。为了避免人为因素导致的系统误差, 因素的各 水平哪一个定为 1水平, 2水平, 3水平, 不是简单的按
2007年 6月 总第 159期 第 3期
金刚石与磨料 磨具工程 D iam ond& A brasives Eng inee ring
文章编号: 1006- 852X ( 2007) 03- 0072- 04
June. 2007 Ser ia.l 159 N o. 3
基于正交试验的 PCD 材料磨除率和磨耗比的研究