摘要：本研究對(duì)磨削工藝中的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以縮短循環(huán)時(shí)間，同時(shí)保持質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。利用設(shè)計(jì)優(yōu)化工具田口法求得最佳控制參數(shù)。利用正交陣列、信噪比（S/N）和方差分析（ANOVA）對(duì)圓錐滾柱軸承的外環(huán)磨削工藝的我用的性能特征進(jìn)行研究分析。對(duì)進(jìn)給、位置和速度等不同參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并得出影響磨削工藝的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。
       關(guān)鍵詞：田口方法,磨削,優(yōu)化,循環(huán)時(shí)間,尺寸變化
1、引言
       在現(xiàn)代化制造業(yè)領(lǐng)域，企業(yè)面臨越來越多的挑戰(zhàn)，特別是產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量方面，產(chǎn)品壽命周期縮短，成本壓力增大，質(zhì)量要求提高。為在國(guó)際市場(chǎng)保持強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)，制造企業(yè)就必須在成本效益、產(chǎn)品交付時(shí)間和質(zhì)量等方面進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化。利用CNC機(jī)床的自動(dòng)化制造設(shè)備在保持高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較短的加工時(shí)間。
       軸承制造工藝中，磨削是實(shí)現(xiàn)零部件要求質(zhì)量和尺寸的重要工藝；而在磨削工藝中，選擇進(jìn)給、速度和位置等控制參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量性能產(chǎn)品的加工就非常重要?？刂茀?shù)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或手冊(cè)得到，這些參數(shù)反應(yīng)了零件的尺寸，橢圓度以及間接算入產(chǎn)品交付時(shí)間的磨削加工循環(huán)時(shí)間并最終記為單位時(shí)間的生產(chǎn)總量。
       在選擇控制參數(shù)方面，基于回歸技術(shù)的數(shù)學(xué)模型需要較大的知識(shí)量和經(jīng)驗(yàn)，而與之相比，田口方法則能夠提供簡(jiǎn)單有效且系統(tǒng)的性能、質(zhì)量和成本方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，田口方法所需實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、成本低、實(shí)驗(yàn)時(shí)間少；而數(shù)學(xué)模型需要去做大量實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)置控制參數(shù)并降低系統(tǒng)對(duì)變量來源的敏感性，田口方法可以優(yōu)化性能特征并縮短循環(huán)時(shí)間，同時(shí)還能保持工件要求的質(zhì)量。
       本研究利用田口參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一種系統(tǒng)的程序，借助特定的控制參數(shù)組合對(duì)圓錐滾柱軸承的外環(huán)磨削加工中的循環(huán)時(shí)間和軌道直徑尺寸變化進(jìn)行優(yōu)化降低。實(shí)驗(yàn)首先介紹了田口設(shè)計(jì)方法和圓錐滾柱軸承的外環(huán)磨削加工；然后描述了利用參數(shù)設(shè)計(jì)求值并分析最佳控制參數(shù)的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后得出結(jié)論。
2、田口方法
       田口玄一建立了一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用方法，包括變量屬性和制造領(lǐng)域質(zhì)量工程的經(jīng)濟(jì)效益。田口方法包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和公差設(shè)計(jì)等。
       對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，田口方法應(yīng)用科學(xué)工程知識(shí)建立了一個(gè)基本的功能性原型設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和工藝設(shè)計(jì)階段。這兩個(gè)階段涉及到了材料、零部件、參數(shù)值的選擇和生產(chǎn)設(shè)備、試驗(yàn)性工藝參數(shù)值等的選擇。在參數(shù)設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化參數(shù)值以改善質(zhì)量特性。有參數(shù)設(shè)計(jì)求得的最佳工藝參數(shù)值對(duì)環(huán)境和其他噪聲因子引起的變量不敏感。最后利用公差設(shè)計(jì)求出最佳設(shè)置附近的公差。
       由Fisher提出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法操作比較復(fù)雜，當(dāng)工藝參數(shù)增加時(shí)需要做大量實(shí)驗(yàn)。而田口方法則利用正交陣列的特殊設(shè)計(jì)，利用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來研究整個(gè)參數(shù)空間。田口玄一建議利用損失函數(shù)從預(yù)期值中求得性能特征；然后將損失函數(shù)值轉(zhuǎn)化為信噪比（S/N）。在信噪比分析中通常有三種類型的性能特征：越小越好、越大越好、標(biāo)準(zhǔn)值最佳。根據(jù)信噪比分析計(jì)算求得每組工藝參數(shù)的信噪比。不考慮性能特征的類型時(shí)，較大信噪比對(duì)應(yīng)較好的性能特征。因此，最佳工藝參數(shù)組就是信噪比最高的一組。另外，利用ANOVA觀察哪組工藝參數(shù)具有統(tǒng)計(jì)顯著性。借助S/N和ANOVA可以預(yù)測(cè)最佳工藝參數(shù)組合。最后通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來證實(shí)由參數(shù)設(shè)計(jì)求得的租價(jià)工藝參數(shù)。
       田口方法的參數(shù)設(shè)計(jì)包括以下步驟：
       ·確認(rèn)性能特征，選擇工藝參數(shù)；
       ·求得工藝參數(shù)組的數(shù)量以及工藝參數(shù)間可能的交互作用；
       ·選擇適當(dāng)?shù)恼魂嚵泻头峙渲琳魂嚵械墓に噮?shù)；
       ·根據(jù)正交陣列的排列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
       ·計(jì)算損失函數(shù)和信噪比；
       ·利用信噪比和ANOVA分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
       ·選擇最佳工藝參數(shù)組；
       ·通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)確認(rèn)最佳工藝參數(shù)。
3、磨削工藝
       對(duì)圓錐滾柱軸承外環(huán)進(jìn)行內(nèi)圓磨削加工，內(nèi)圓磨床的基礎(chǔ)工件如圖一所示為一個(gè)工作頭。除了工件和砂輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，內(nèi)圓磨床帶動(dòng)砂輪在工作區(qū)做橫向往返運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還為砂輪-工件表面以及砂輪進(jìn)給運(yùn)動(dòng)做反復(fù)主軸運(yùn)動(dòng)。工件的磨削表面受以下因素影響：
       工件材料———硬質(zhì)材料需要更精細(xì)的磨拋；
       砂輪類型———精細(xì)磨粒磨削時(shí)的精磨效果更好；
       砂輪修整———不適當(dāng)?shù)纳拜喰拚麜?huì)損壞工件表面；
       進(jìn)給速度———進(jìn)給速度較低時(shí)精磨效果更好；
       設(shè)備剛性———陳舊設(shè)備的精整加工質(zhì)量較差；
       潤(rùn)滑清潔———對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行過濾以去除損傷工件表面的雜質(zhì)。        因此，求得與速度、進(jìn)給速度、內(nèi)圓磨床位置、砂輪修整相關(guān)的控制參數(shù)就比較重要，所有這些參數(shù)都影響著兩個(gè)主要輸出：圓錐滾柱軸承外環(huán)的軌道直徑尺寸變化、磨削工藝的循環(huán)時(shí)間。
A.控制參數(shù)的選擇和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)
       圖四為一個(gè)典型的磨削循環(huán)；參數(shù)選擇如下：
·速度參數(shù)：
工作頭主軸速度：工件的旋轉(zhuǎn)軸速度rpm，表示為R142。
·位置參數(shù)：
       （1）精磨循環(huán)開始時(shí)滑座的位置，表示為R104；
       （2）增量后退1：精磨循環(huán)開始之前、粗磨結(jié)束之前滑座后退位置以減小環(huán)偏離，表示為R110；
       （3）增量后退2：無火花磨削加工前、精磨循環(huán)結(jié)束之前滑座后退位置以減小環(huán)偏離，表示為R111。
·進(jìn)給參數(shù)：
       （1）空轉(zhuǎn)進(jìn)給速度：砂輪移至外環(huán)時(shí)空轉(zhuǎn)的進(jìn)給速度，表示為R127；
       （2）粗進(jìn)給速度1：初始粗磨階段砂輪的進(jìn)給速度，表示為R128；
       （3）粗進(jìn)給速度2：粗磨階段去除材料時(shí)砂輪的進(jìn)給速度，表示為R129；
       以上兩個(gè)粗磨階段占材料去除量的70-80%
       （4）精磨進(jìn)給速度：精磨階段砂輪的進(jìn)給速度，表示為R130。 ·修整參數(shù)和時(shí)間參數(shù)：
       （1）無火花磨削時(shí)間：精磨之后的時(shí)間段，砂輪和工件以固定位置在外環(huán)軌跡表面最高點(diǎn)上旋轉(zhuǎn)以去除碎屑，表示為R136；
       （2）修整補(bǔ)償：砂輪修整過程中被去除掉的砂輪材料量，表示為R115；
       （3）修整進(jìn)給速度：修整砂輪時(shí)的進(jìn)給速度，表示為R132。
       在范圍值內(nèi)改變控制參數(shù)，如表一所示。 B.性能測(cè)量 4、控制參數(shù)的設(shè)計(jì)和分析
       本部分討論如何利用正交陣列減少控制參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)次數(shù)；利用S/N和ANOVA分析研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果求得控制參數(shù)的最佳設(shè)置并進(jìn)行驗(yàn)證。
A.基線測(cè)量
       對(duì)加工過程中的磨削穩(wěn)定性進(jìn)行基線測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)基于I-MR圖表的磨削工藝比較穩(wěn)定，如圖七所示為控制限制限度內(nèi)的測(cè)量。23微米范圍內(nèi)還觀察到軌道直徑的平均尺寸變化；平均循環(huán)時(shí)間為36.3秒，如圖八所示?；€控制參數(shù)如表二所示。
B.正交陣列實(shí)驗(yàn)
       為選擇合適的實(shí)驗(yàn)正交陣列，本研究采用Design-Expert MINITAB軟件。根據(jù)控制參數(shù)的數(shù)量及其準(zhǔn)級(jí)，選擇L16正交陣列設(shè)計(jì)。根據(jù)所選田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，L16正交陣列如表三所示。 C. S/N比分析
       在田口實(shí)驗(yàn)法中，“信號(hào)”術(shù)語(yǔ)表示輸出特性的所需值（平均值），“噪聲”術(shù)語(yǔ)表示輸出特性不需要的值（S.D.）。S/N比就表示平均值和S.D.的比值。田口玄一利用S/N比來測(cè)量偏離所需值的質(zhì)量特性，S/N比定義為η＝-10log（M.S.D.）-（1），其中M.S.D.表示輸出特性的的均方差。        圖九是基于S/N比的軌道直徑顯著參數(shù)：R142、R104、R110、R111、R129、R130和R132。圖十是基于S/N比的循環(huán)時(shí)間顯著參數(shù)：R104、R127、R129、R130、R136和R132。
       對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)值最佳”和“越小越好”的質(zhì)量特性，不管其與否，較大的S/N比都對(duì)應(yīng)著期望值附近輸出特性的較小變化。對(duì)應(yīng)較大的S/N比選擇控制參數(shù)值以求得最佳輸出結(jié)果。
D.ANOVA
       ANOVA的目的是為了研究哪些工藝參數(shù)會(huì)顯著影響性能特征，該目的可以通過分離S/N比的總的可變性而得。基于S/N比合計(jì)平均值的方差總和可以求得S/N比的總可變性。首先計(jì)算基于S/N比合計(jì)平均值的方差總和，SST總和分為兩部分：每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)所致方差綜合SSd和平方誤差總和SSe。每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)在SST中的影響程度為SSd和SST的比值。
       借助MINITAB 17軟件利用ANOVA法求得工藝參數(shù)對(duì)輸出響應(yīng)的影響。統(tǒng)計(jì)上講，以Fisher命名的F測(cè)試工具可以求得對(duì)性能特征有顯著影響的工藝參數(shù)。一般情況下，F(xiàn)值越大，工藝參數(shù)的改變對(duì)性能特征的影響就越大。
       表四為軌道直徑尺寸的ANOVA結(jié)果，可以看出控制參數(shù)R142、R104、R110、R111、R127、R129、R130、R136和R132最為顯著，占軌道直徑尺寸總變量的96%。        表五為工藝循環(huán)時(shí)間的ANOVA結(jié)果，可以看出控制參數(shù)R104、R127、R129、R130、R136和R132最為顯著，占整個(gè)磨削工藝循環(huán)時(shí)間的82%。        因此，根據(jù)S/N比和ANOVA分析，表六給出了縮短循環(huán)時(shí)間的最佳控制參數(shù)，同時(shí)還保持工藝質(zhì)量（降低了軌道直徑尺寸的變化量）。

E. 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
       選擇最佳工藝參數(shù)后便對(duì)性能特征的改善情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和確認(rèn)?？梢缘玫組INITAB 17軟件求得的預(yù)測(cè)S/N比；對(duì)應(yīng)的循環(huán)時(shí)間以及軌道直徑尺寸分別由公式（3）、（2）求得。

       表七為磨削工藝中軌道直徑尺寸變量和循環(huán)時(shí)間兩個(gè)輸出性能特性在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中的初始值-實(shí)測(cè)值對(duì)比。軌道直徑尺寸變量和循環(huán)時(shí)間分別降低了39.12%和3秒鐘，從而提高了生產(chǎn)能力并縮短了整體產(chǎn)品交付時(shí)間。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明為優(yōu)化工藝控制參數(shù)所做的設(shè)計(jì)和分析能夠改善輸出性能特征。
5、結(jié)論
       本論文研究分析了田口方法在優(yōu)化磨削工藝控制參數(shù)方面的應(yīng)用。田口方法參數(shù)設(shè)計(jì)能夠提供簡(jiǎn)單、系統(tǒng)且高效的控制參數(shù)優(yōu)化方法論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法在縮短磨削工藝循環(huán)時(shí)間的同時(shí)也降低了軸承制備工藝中外環(huán)軌道直徑尺寸的變化；實(shí)驗(yàn)求得的最佳參數(shù)通過了驗(yàn)證試驗(yàn)。下一步研究將考慮更多的因素，討論它們是如何影響工藝的輸出特性的。（編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）