20CrMnTi
2020-06-22
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2015年6月 机床与液压 MACHINE TOOL&HYDRAULICS Jun.2015 Vo1.43 No.11 第43卷第11期 DOI:10.3969/j.issn.1001—3881.2015.11.016 20CrMnTi高速外圆磨削试验研究及参数优化 肖军民 ' ,谢晋 (1.中山职业技术学院,广东中山528404;2.华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640) 摘要:为改善20CrMnTi渗碳合金钢的表面磨削效果,对20CrMnTi合金钢进行了高速外圆磨削试验,分析了磨削工艺 参数对表面粗糙度的影响规律。基于高速磨削试验,利用最小二乘多元线性回归方法,推导并求解出了20CrMnTi合金钢的 磨削粗糙度预测模型。利用最优化设计方法和MATLAB优化工具箱,以加工效率为目标函数和以粗糙度预测模型为约束条 件,针对企业实际的磨削问题优选了工艺参数。优化的工艺参数在保证表面加工质量的基础上可提高加工效率,这为加工 企业降低生产成本提供了重要的理论依据和案例参考。 关键词:高速磨削;外圆磨削;表面粗糙度;预测模型;20CrMnTi 中图分类号:TG58 文献标志码:A 文章编号:1001—3881(2015)11—056-3 Experimental Research and Parameters Optimization of High-speed Cylindrical Grinding for 20CrMnTi XIA0 Junmin .XIE Jin (1.Zhongshan Polytechnic,Zhongshan Guangdong 528404,China;2.School of Mechanical and Automobile Engineering,South China University of Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China) Abstract:In order to improve grinding surface quality of 20CrMnTi carburizing alloy steel,hihg-speed cylindricla grinding experi— ments were carried out for 20CrMnTi steel,and the laws of influence by grinding process parameters on SUrfgee roughness were ana- lyzed.Based on high—speed grinding experiments,the grinding prediction model of surface roughness for 20CrMnTi steel was solved and deduced with using of multi-element linear regression method by least square.Aiming at the actual grinding problem the process param— eters were optimized by using of optimum tool—box of MATLAB software toolbox and optimal design method,in the solving process the machining efifciency was set as the objective function and surface roughness prediction model was set as the constraint conditions.The optimized grinding parametem can improve the machining efficiency on basis of ensuring quality of the machined surface,which pro- vides the important theoretic evidence and case reference for enterprises to reduce production costs. Keywords:Hihg—speed grinding;Cylindrical g nding;Surface roughness;Prediction model;20CrMnTi O前言 1 试验条件和试验数据 磨削技术是机械制造领域中实现精密加工最有 试验加工设备为MGKS1332/H-SB一04型高速外圆 效、应用最广的加工技术。表面粗糙度作为磨削表面 磨床;磨削工件的材料为20CrMnTi渗碳合金钢,表 质量的重要参数之一,直接影响加工零件的使用性 面渗碳淬火,单边渗碳层深度为1.5 mm,工件材料 能。由于磨削过程复杂和磨削环境恶劣,且影响磨削 磨削部分的外圆直径为80 mm,外圆轴向尺寸为18 表面质量的因素繁多,所以对磨削技术的研究和实践 mm;试验选用的高速砂轮型号为99VG3A1.400.22.5, 应用存在很大难度。目前国内实际生产中磨削工艺参 砂轮最高允许的线速度为150 rn/s,陶瓷结合剂;磨 数一般都是凭借加工人员的经验或相关的参考手册来 削过程使用美孚乳化液;试验加工时磨削方式为外圆 选取,但由于加工人员水平的巨大差异和参考手册中 切人磨。 参数范围的宽泛,磨削参数的选取随意性非常大,因 实际加工中影响磨削表面粗糙度的因素非常多, 此通过传统的方法难以实现磨削工艺参数的优化选 已有的研究成果表明,在无轴向进给的外圆磨削中, 择。要实现磨削工艺参数的优化选择,实施相应的磨 影响表面粗糙度的工艺参数主要为砂轮线速度、工件 削试验及建立相应材料的表面质量模型是非常关 线速度(工作台往复速度)和磨削深度3个。因此 键的。 确定砂轮线速度 ,工件线速度 和磨削深度 3 收稿日期:2014—04—17 基金项目:广东省高等学校优秀青年教师培养计划资助项目(Yq2013195) 作者简介:肖军民(1978一),男,硕士,副教授,主要从事先进制造技术等方面研究。E—mail:xiaojunmin517@163.corn。 第11期 肖军民等:20CrMnTi高速外圆磨削试验研究及参数优化 ・57・ 个因素为外圆磨削粗糙度的主要影响因素。依据文献 [7]的磨削试验,可以获得表1所示的磨削试验 数据。 表1磨削试验数据 MATLAB求解器可获得JlB的最小二乘估计量,卢。= 一0.558 9; l=一0.192 8;卢2=0.199 3; 3=0.204 0,因此20CrMnTi合金钢高速外圆磨削粗糙度预测模 型为: Ra=0.276vs。。 “ ’埘。 (5) 3模型及变量显著性检验 3.1预测模型显著性检验 对回归方程(5)进行显著性检验,采用F值检 2表面粗糙度数学模型构建 依据传统外圆磨削经验公式,在考虑砂轮线速度 ( ),工件线速度( )和磨削深度(H)3个影响 因素的情况下,可建立如下式(1)的预测模型,该 模型包含了3个参数。 Ra= s ’ (1) 式中:K为磨削条件综合系数; 为砂轮线速度 (m/s); 为工件线速度(m/rain);日为磨削深度 ( m)。 式(1)为典型的非线性函数,须将其转化为线 性函数,因此对其两边取常用对数,可以获得式 (2)。 logRa=logK+C1 logvs+C2]ogv +C3log H (2) 令Y=logRa,Co=.10g , l=logvs, 2=logv , ,=log/-/,则指数方程可转化为线性方程(3)。 y=Co+Cl l+C2 2+C3 3 (3) 方程(3)对应的多元线性回归理论模型为: y=卢0+卢1 1+卢2 2+ 3 3+占 (4) 式中:8为随机误差;卢。、 。、 :、卢,为估计量。 若对y、 、 :、 ,分别进行n次独立测试,即 卢0 Y= ), X= 卢= 卢。 : ● 卢 ,, 则 的最小二乘估计量为(x X) x y,其中X 为 的转置矩阵,( ) 为 的逆矩阵。利用 验法来检验回归方程的显著性,F值检验法规定:试 验因素为m,次数为n,给定显著性水平为:0.05。 若F<F。.。 (m,n—m一1),则l,与置之间没有明显的 线性关系,回归方程不可信;若F>F (m,n-m- 1),则y与 之间有十分显著的线性关系。依据磨 削试验可知m=3,n=12,查,分布表可得Fo.。 (3, 8)=4.07。利用本次试验数据和表面粗糙度预测模 型,依据F计算公式F=(S /m)/(S /(n—m一 1))可以获得预测模型的F值为4.75,(其中S = ∑(Y 一Y ) ,S =∑(Y 一Y ) (i=1,2,3…, 12))。因F>Fo 05(3,8)=4.07,所以该表面粗糙 度的数学模型具有较高的显著性,可预测实际的磨削 情况。 3.2模型变量显著性检验 在多元线性回归分析中,回归方程显著并不意味 着每个自变量对因变量的影响都非常重要的,为了更 好地对试验结果进行预报和控制,需要对每个变量进 行深入考察,因此需要对预测模型中的每个变量进行 显著性检验。假设 。=0,采用统计量算法,则有: ‘5=一(6)(0) E/(n—m一1) 式中:C 为相关矩阵C=(X X) 中对角线上第 +1 个元素,n为试验次数,m为变量个数。 12.567 l 一5.933 7 —1.850 4 1.863 3 —5.933 7 4.531 8 —0.3l7 9 —2.797 2 —1.850 4 —0.317 9 1.600 6 0.199 8 1.863 3 —2.797 2 0.199 8 3.93l 7 根据式(6)可知: 1时 = _7.57(7) 当 =2时,F:= =22.9。(8) 3时, 77 当检验水平为0.05时,查F分布表得F。∞(1, 8)=5.32。由式(7)、(8)和(9)可知:F。>Fo.。 ・58・ 机床与液压 第43卷 (1,8),F:>Fo.05(1,8),F。>F。∞(1,8),因此砂 度H=3.2 m,该组工艺参数对应的磨削效率S= 0.087 mm /(min・mm)。 轮线速度、工件线速度和磨削深度3个因素对粗糙度 的影响都是非常显著的。而且由于F > >F ,所以 可以得出如下结论:20CrMnTi合金钢在高速外圆磨 削时,工件线速度对表面粗糙度的影响是最强的,而 砂轮线速度相比其他两个因素而言对粗糙度的影响则 是最弱的。 function f=myfun20cr(X)/构建目标函数的M文 件/f=一(X(2) X(3))/1 000; function[C,ceq]=mycon20cr(X)/构建约束函数 的M文45/ C(1)=X(1) 0.192 8;Ic X(2) 0.199 3 X(3) 0.204—1.087; 4工艺参数优化 4.1 工程问题 C(2)=X(2)一X(1); C(3)=0.375 X(1)一X(2); 某企业需要磨削一批轴类零件,工件磨削部分的 外圆直径为4,50 mm,零件的材料为20CrMnTi渗碳合 金钢,零件的表面粗糙度 n要求不大于0.3 m。选 用的高速砂轮型号为99VG3A1-400—22—5,砂轮最高 允许的线速度为150 m/s,陶瓷结合剂。该类零件批 量较大,为了提高生产效率降低企业成本,生产企业 需要在保证产品加工质量的前提下选择合适的磨削工 艺参数。 .ceq=[]; clear all;/执行fmincon函数的主程序/ lb=[10 5 3] ; ub=[135 135 12] ; xO=[60 35 6]; >>[x,fval,exitlfag]=fmincon( myfun2Ocr , x0,[],[],[],[],lb,ub, mycon20cr ) 5结论 (1)通过选定参数及磨削试验建立了20CrMnTi 合金钢磨削粗糙度预测模型,通过回归方程的显著性 检验,证明了预测模型的可信度非常高。通过对模型 变量的分析,可知影响磨削粗糙度的因素依次是工件 线速度、磨削深度、砂轮线速度。 (2)砂轮线速度对应的指数为负数,所以磨削 4.2 目标函数和约束条件 磨削加工中达到同一表面粗糙度技术要求可以得 到多种工艺参数组合,文中的主要目标是选择合适的 磨削工艺参数组合使加工效率最高。目标函数的确定 是实现参数优化的关键,这里用单位时间单位砂轮宽 度磨削工件体积的多少.s来表示磨削效率,即如式 (10)所示。 S=(YwxH)/1 000 mm), (10) 粗糙度数值是随着砂轮速度的增加而降低的;工件线 速度和磨削深度对应的指数均为正数,因此粗糙度数 值是随着工件线速度和磨削深度的增加而升高的。为 了提升磨削工件表面质量,实际加工中可以尽量提高 砂轮转速同时应采用较小的磨削深度。 式中:S为磨削的加工效率,单位为mm /(min・ 为工件线速度(m/min);H为磨削深度 ( m)。为了零件达到相应的表面质量,实际生产中 还必须满足一些其他条件,结合20CrMnTi渗碳合金 钢磨削试验的实际情况和磨削经验,给出如下约束条 件: (3)以加工效率为目标函数和以粗糙度预测模 型为约束条件,基于优化技术和MATLAB优化工具 箱,获得了20CrMnTi渗碳合金钢粗糙度Ra≤0.3 Ixm 时的优化磨削工艺参数,该组优化工艺参数在保证表 面加工质量的前提下可以提高磨削效率。 (1)砂轮线速度:/3 ≤135 (2)工件线速度: ≤Yw ̄YS丽60 (3)磨削深度:3≤日≤12 (4)粗糙度:0.276vsI。 参考文献: 。no ≤0.3 [1]陈涛,盛晓敏,宓海青.40Cr超高速磨削工艺实验研究 [J].湖南大学学报:自然科学版,2007,34(10):39-43. 4.3优化参数求解 MATLAB是当今世界上最优秀的数学应用软件之 一[2]冯灿波,谢桂芝,盛晓敏,等.不锈钢超高速磨削试验研 究[J].中国机械工程,2013,24(3):322.-326. ,它提供了一系列的专门用于优化问题求解的工具 箱,这将复杂的优化问题求解变得简单。利用MAT- LAB优化工具箱中的fmincon函数,可以较方便地求 解出上述多元约束优化问题,求解的MATLAB程序 具体如下。在MATLAB软件中执行fmincon函数的主 程序后,可以获得优化磨削工艺参数:砂轮线速度 V =67.7 m/s,工件线速度V =26.5 m/min和磨削深 [3]张坤领,韦建军.基于MATLAB的数控磨削球面粗糙度 分析及仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2010(3): 16-21. [4]吴玉厚,张继鹏,李颂华,等.氮化硅陶瓷套圈内圆磨削 表面质量的实验[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2010,26(1):176—179. (下转第84页) ・84・ 机床与液压 第43卷 2.3砂轮磨损误差及修正 砂轮长期使用后会有微量磨损,形状和尺寸精度 的下降直接影响铣磨非球面的曲率半径,从而影响其 面形精度,因此需要对砂轮的形状和尺寸进行修正补 偿。砂轮修正补偿方法:使用待修正砂轮铣磨非球面 透镜,然后用轮廓仪寻找确定其最佳曲率半径。同时, 将所加工非球面参数输入测试软件中得到理论非球面 曲率半径值。然后,用理论非球面曲率半径值与最佳 曲率半径值比较,所得到的差值就是砂轮修整参数。 对凸面非球面加工,若理论非球面曲率半径大于 最佳非球面曲率半径,则砂轮设置参数需要适当的增 大。反之,若理论非球面曲率半径大于最佳非球面曲 率半径,则砂轮设置参数需要适当的减小。凹面非球 面加工时,砂轮修整与凸面相反。 3结论 利用精密铣磨加工中心对非球面硅透镜进行 成形加工试验,分析影响非球面面形精度的因素 主要为z轴偏移误差、CNC程序原点与实际工件 以精磨 54非球面硅透镜凹面为例,用GI一3P复 旋转轴心的偏移误差和砂轮磨损误差等。另外, 合铣磨加工中心进行砂轮修正补偿试验。图7所示为 进一步通过实验探讨了针对数控机床通用的以上 砂轮修正前面形检测结果,很显然理论曲率半径大于 误差的修正补偿方法,有效地提高了脆性材料非 最佳曲率半径。按理论曲率半径与最佳曲率半径的差 球面的铣磨加工精度,很大程度地提高了非球面 值减小砂轮直径,然后再精磨非球面,检测结果如图 加工的效率。 8所示,此时硅透镜的面形为理想的低光圈。 参考文献: [1]朴承镐,蔡立.国内外非球面光学零件加工技术的现状 及新进展[J].光学技术,1993,19(5):4—6. 【J b tlI主 ▲ I.. 【^ [2]杨清全.高速数控非球面加工技术研究[D].厦门:厦门 -l “_ l- 孵 I1II ■■ , 大学,2009. [3]于建群.非球面光学曲面超精密磨削加工技术的应用研 -_¨ 荔 究[D].南京:南京理工大学,2004. 笏 [4]李立军,张飞虎,董申.非球面盘形法磨削技术研究[J]. 机械工程师,2007(1):31—32. 图7砂轮修正前面形检测结果 [5]KASAI Toshio,DOY Toshiro.Grinding lapping and Polis- hing Technologies under Nanometer Scale Working Condi— ;缓 tions[J].Journal of the Japan Society of Precision Engi— 茸 neering,1993,59(4):559—562. 矗 摘 山L 山l I璺《 曲 L荔 [6]许金凯,张学军,于化东,等.轴对称非球面精密磨削误 瑚 -‘ 一 _ 喧 差补偿[J].红外与激光工程,2011,40(5):894-900. . 呵 ’ m-Tf ~ 荔 一 ’q,7 r F|…’ [7]苏佳妮. ̄b64mm玻璃非球面的数控加工与检验[D].长 荔; 荔 ;・ 春:长春理工大学,2010. [8]郭隐彪,黄元庆.非轴对称非球面平行磨削误差补偿技 术研究[J].机械工程学报,2002,(38)5:118-121. 图8砂轮修正后面形检测结果 (上接第58页) 出版社,2010. [5]池龙珠.基于回归设计技术的平面磨削表面粗糙度研究 [11]程敏,余剑武,谢桂芝,等.硬质合金YG8高速磨削工艺 [J].机床与液压,2013,41(3):34-37. 试验研究[J].制造技术与机床,2011(1):25—29. [6]黄吉东,王龙山,李国发,等.基于最小二乘支持向量机 [12]AURICH J C,BIERMANN D,BLUM H,et a1.Modeling 的外圆磨削表面粗糙度预测系统[J].光学精密工程, and Simulation of Process:Machine Interaction in Grind- 2010,18(11):2407—2412. ing[J].Prod.Eng.Res.Deve1.,2009,3(1):111—120. [7]陈勇,杨建国.磨削工艺参数智能优化系统设计[J].东 [13]LEE C W.A Control—oriented Model for the Cylindricla 华大学学报:自然科学版,2013,39(4):417-420. Grinding Process l J I.Int.J.Adu.Manuf.Techno1.,2009,4 (7/8):657—666. [8]杜庆祝,许锋,韩京霖.硬质合金工件精磨表面粗糙度及 [14]申皴,卜云峰.基于多克隆粒子群的无心磨削工艺参数 平面的试验研究[J].工具技术,2010,44(5):27-29. 优化[J].机床与液压,2010,38(3):41—43. [9]张德丰.MATLAB实用数值分析[M].北京:清华大学出 [15]刘瑞杰,黄云,黄智,等.基于钛合金砂带磨削的磨削 版社,2012. 率,表面质量及砂带寿命性能试验研究[J].组合机床 [10]马莉.MATLAB数学实验与建模[M].北京:清华大学 与自动化加工技术,2010(1):18-21.