用正交试验设计方法优化刀具设计_马红英

1、用正交试验设计方法优化刀具设计Applications on neural network and expert system controller马红英，赵晓平MA Hong-ying, ZHAO Xiao-ping（石家庄职业技术学院，石家庄 050081）摘 要：以圆孔拉刀设计为例，说明正交试验设计方法在刀具设计中的应用，提出了基于正交试验设计方法的专用刀具设计的优化方案。关键词：正交试验；专用刀具；优化设计中图分类号：TP391 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2010)06-0232-02Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.760

2、 引言在生产中，专用刀具需根据被加工件的工艺要求专门设计。而在设计过程中，往往会出现由于参数选择不恰当，造成校验不合格的情况，这就需要反复计算，直至合格。在此过程中，经常会出现为了指标合格，某参数只能选取极端值，尽管校验合格，但选定的参数不一定是最优。要找到最优的参数组合，就需要多次反复计算和试验，在有多因素影响时，就更难确定合理的参数值。这使得专用刀具的设计工作量大、繁琐，设计质量不高，效率低下。本文采用正交试验设计方法来安排计算，并对结果进行分析。选择出理论最优值，再进行试制试用，这样就大大缩短了刀具设计和试制的周期，既提高了刀具设计质量，又提高了刀具生产效率。最终达到优化刀具设计的目的。

3、用正交试验优化刀具设计过程。1）试验目的通过正交试验，找出在满足拉刀强度要求的前提下，刀具参数的最优值。使刀具既符合工作性能要求，又节约材料，降低成本。2）确定因素、水平和指标2.1 试验指标和因素的选取在圆孔拉刀设计中，需要校验的指标主要有：容屑条件、同时工作齿数、拉刀强度、拉床载荷和拉刀长度等。根据各指标影响因素的繁简以及是否容易达到合格标准，现选取容屑条件(h)、同时工作齿数(ze)、拉应力()、拉刀长度(L)四项为试验指标。影响因素主要有：拉刀材料（许用应力()、粗切齿齿升量(af)和粗切齿齿距(p)三项。其他影响较小，或对试验指标无直接影响的因素忽略。2.2 水平的确定为了便于衡量各

4、因素对试验指标的影响，选取设计手册提供的经验值范围的中间值为基本量，每个参数以此为基准上下变动。每个因素的水平数取3，试验因素水平如表1所示。表1 试验因素水平表1 正交试验设计方法的优点简单说，正交试验设计就是用正交表确定试验方案，并对结果进行统计分析。正交试验的试验点有如下两个条件：1） 任一因素的诸水平做相同数目的试验；2）任两个因素的水平组合做相同数目的试验1。这就使得用正交表安排的试验有很好的代表性，同时，大大减少了试验次数。将正交试验法应用在刀具设计中，既可以避免一些无谓的计算，同时可以找到刀具参数的最佳组合，不必盲目地试数计算，优化了设计过程。2 正交试验设计方法在刀具设计中的应

5、用下面，以圆孔拉刀设计为例，来说明如何应表中各因素水平值，以拉削某箱体上一通孔为例，数值的具体选取和下文中的计算过程本文从略。3 试验结果及分析收稿日期：2010-02-23作者简介：马红英（1974），女，山东菏泽人，讲师，学士，研究方向为机械制造及自动化。【232】 第32卷 第6期2010-63.1 试验结果通过以上分析可以知道这是一个3因素3水平的试验，可选用L9(34)型正交表，内容如表2所示。由正交设计的结构矩阵可得到9种设计变量组合，每种参数组合计算后，将结果列入表2中。表2列出了每项试验的设计变量取值及试验结果。分析表2计算结果，排除容屑条件不满足要求的项，可以认为以2号试验为

6、最好，既满足容屑条件、同时工作齿数和拉应力要求，又使得拉刀长度最短。表2 正交试验计算结果1）由表3中的试验数据进行直观分析，可得：R3R2R1，故齿距p是影响拉刀长度最主要的因素，其次是齿升量af，拉刀材料对拉刀长度的影响最小。2）将3个因素的3个平均拉刀长度做点图。注：带*的为容屑条件不满足要求3.2 极差分析直观分析是通过计算将因子和水平对试验指标影响的大小用图形表示出来，通过直观分析综合比较，确定最优试验方案。在此例中，将拉刀长度作为单指标试验，进行极差分析。表3 正交试验结果极差分析分析点图，可以知道：拉刀材料对拉刀长度几乎没有影响；齿升量越大，拉刀长度越小；齿距越小，拉刀长度越小。

7、3）通过上述分析，可知：选择拉刀材料时，只要满足应力要求，为降低成本，尽可能选价格低的；然后选一尽可能大的齿升量，并配以尽可能小的齿距值。而过大的齿升量和过小的齿距配合，往往会不满足校核要求。采用正交表安排的9个试验是全面试验的27种搭配中的代表，用正交表的9个试验，就能把27种搭配中较好的找出来，这正是正交表的优点。4 结论通过利用正交试验设计方法来安排刀具的设计计算，有效的简化了刀具设计计算的过程，同时找到了影响刀具性能的各参数的最佳组合。以此进行设计计算，再进行试制试用，达到了优化刀具设计的目的。参考文献：1 刘达民,程岩.应用统计.北京:化学工业出版社,2004.2 刘华明.金属切削刀具设计简明手册.北京:机械工业出版社