实验设计及其优化
结课论文
班 级：机制（1）班
学生姓名：
指导老师：梅 卫
学 号：
江
正交试验设计的硬钢群钻几何参数
优化分析
针对硬钢材料硬度高、强度大和导热性差等材料特性，通过正交试验设计法进行群钻基础钻削试验，分析和研究外刃顶角2p、后角a自和尖宽b。三种钻尖参数对钻头寿命的影响，并进行方差分析及显著性检验，然后对研究结果进行单因素分析验证。其结果表明：在三种钻尖参数中，外刃顶角对群钻钻头寿命起决定性作用；通过相关优化分析获得了在硬钢材料钻削中，群钻钻尖的最优几何参数。
针对硬钢材料的特性，利用正交设计法进行一些基础的钻削试验，并对结果进行方差分析和显著性检验；研究外刃顶角、后角和尖宽等钻尖参数对钻头磨损的影响规律，并对研究结果进行验证性试验。根据试验结果分析，得出最优钻型几何参数组合，从而为提高硬钢群钻的使用寿命提供试验依据。
本试验以后刀面磨损带宽度怊，作为钻头寿命评判的依据。为减少试验误差，采用相同条件下进行多次重复试验，当其他条件稳定以后，连续钻削10个孔，选取钻后的钻头作为试验测量对象。钻头外缘转点处的后刀面磨损带宽度用磨损检测仪测得，误差在
0．001mm，此精度指标可以满足研究要求。选取外刃顶角、尖宽和后角三个因素建立因素水平表如表1所示。
试验采用三因素，三水平正交表L9(33)。试验的安排、数据的记
录及计算结果均列于表2，表2中列出了每个钻头钻完lO个孔时测得的试验数据及数据分析。
表1 因素水平
表2 试验数据及数据分析
表2中：Ⅰj为第j列“l”水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅱj
第j列“2”水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅲj第j列“l”水平所对应的试验指标的数值之和；KJ为第j列同一水平出现的次数，等于试验的次数n除以第歹列的水平数;Ⅰj为第J列“l”水平所对 应的试验指标的平均值；Ⅱj为第J列“l”水平所对应的试验指标的平均值；Ⅲj为第J列“l”水平所对应的试验指标的平均值；Dj为第j列的极差，等于第j列各水平对应的试验指标平均值中的最大值减最小值。
由表2可求出离差平方和：
1a
S=∑y-(∑yi)2=2.982625-2.748964=0.233661
ai=1i=1
2ia
bb21a
S2ρ== ∑yjk-(∑yi)2=2.87909-2.748964=0.13012
ak=1ai=1
bb21a
Sαfc=∑yjk-(∑yi)2=2.79309-2.748964=0.04
ak=1ai=1bb21a
Sbφ=∑yjk-(∑yi)2=2.85469-2.748964=0.10573
ak=1ai=1
Se=2.80576-2.748964=0.05679
总偏差平方和的自由度f等于等于正交表的试验号1, 即自由度
f=a-1=9-1=8
f2ρ=3-1=2 同理 fαfc=fbφ=2 均方
S2ρ/2=0.3012 Sαfc/2=0.35215 Sbφ/2=0.93089 Se/20=0.0028395 计算F比 F2ρ=
SA／fA
Se／fe
=
0.13012/2
=6.80
0.05679/2
同理可得：
0.04
=0.7043
0.056790.10573
Fbφ==5.18
0.05679
Fαfc=
由以上数据列出如下方差分析表：
表3 方差分析表
由表所示可以看出影响指标VBC的主次因素如下。
由于 F2ρ> F0.01，所以因素2p高度显著；由于 F0.01> Fbφ>F0.05．所以因素 bφ显著；由于 Fαfc
软件操作过程如下： 使用Minitab 16进行 1.在表中输入数据
选择正交实验设计，田口设计，自定义田口设计：
自定义田口设计 选择因子“外刃顶角”“后角”“尖宽”点击确定
点击田口设计
选择响应数据列
点击“图形”，“均值”,“确定”
点击“分析”，“均值”
点击“选项”，“望大”
得到结果，如图：
分析结果：
各因素的排序结果为：外刃顶角，尖宽，后角
与计算结果一致。
由均值效应图，得到最优结果：外刃顶角1 尖宽3 后角1
方差分析如下
选择“方差分析”“一般线性模型”
得到结果
田口分析:VBC 与 外刃顶角, 后角, 尖宽
均值响应表
水平 外刃顶角 后角 尖宽
1 0.7017 0.5417 0.6817
2 0.4750 0.5250 0.5017
3 0.4917 0.6017 0.4850
Delta 0.2267 0.0767 0.1967
排秩 1 3 2
均值 主效应图
一般线性模型: VBC 与 外刃顶角, 后角, 尖宽
因子 类型 水平数 值
外刃顶角 固定 3 1, 2, 3
后角 固定 3 1, 2, 3
尖宽 固定 3 1, 2, 3
VBC 的方差分析，在检验中使用调整的 SS
来源 自由度 Seq SS Adj SS Adj MS F P
外刃顶角 2 0.09576 0.09576 0.04788 4.27 0.190
后角 2 0.00976 0.00976 0.00488 0.44 0.697
尖宽 2 0.07136 0.07136 0.03568 3.18 0.239
误差 2 0.02242 0.02242 0.01121
合计 8 0.19929
S = 0.105883 R-Sq = 88.75% R-Sq（调整） = 55.00%
参考上文计算部分得到：其计算结果与软件操作所得到的结果一致对于群钻钻头的寿命影响最大的因素是外刃顶角，其次为尖宽，影响最小因素为后角。
实验设计及其优化
结课论文
班 级：机制（1）班
学生姓名：
指导老师：梅 卫
学 号：
江
正交试验设计的硬钢群钻几何参数
优化分析
针对硬钢材料硬度高、强度大和导热性差等材料特性，通过正交试验设计法进行群钻基础钻削试验，分析和研究外刃顶角2p、后角a自和尖宽b。三种钻尖参数对钻头寿命的影响，并进行方差分析及显著性检验，然后对研究结果进行单因素分析验证。其结果表明：在三种钻尖参数中，外刃顶角对群钻钻头寿命起决定性作用；通过相关优化分析获得了在硬钢材料钻削中，群钻钻尖的最优几何参数。
针对硬钢材料的特性，利用正交设计法进行一些基础的钻削试验，并对结果进行方差分析和显著性检验；研究外刃顶角、后角和尖宽等钻尖参数对钻头磨损的影响规律，并对研究结果进行验证性试验。根据试验结果分析，得出最优钻型几何参数组合，从而为提高硬钢群钻的使用寿命提供试验依据。
本试验以后刀面磨损带宽度怊，作为钻头寿命评判的依据。为减少试验误差，采用相同条件下进行多次重复试验，当其他条件稳定以后，连续钻削10个孔，选取钻后的钻头作为试验测量对象。钻头外缘转点处的后刀面磨损带宽度用磨损检测仪测得，误差在
0．001mm，此精度指标可以满足研究要求。选取外刃顶角、尖宽和后角三个因素建立因素水平表如表1所示。
试验采用三因素，三水平正交表L9(33)。试验的安排、数据的记
录及计算结果均列于表2，表2中列出了每个钻头钻完lO个孔时测得的试验数据及数据分析。
表1 因素水平
表2 试验数据及数据分析
表2中：Ⅰj为第j列“l”水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅱj
第j列“2”水平所对应的试验指标的数值之和；Ⅲj第j列“l”水平所对应的试验指标的数值之和；KJ为第j列同一水平出现的次数，等于试验的次数n除以第歹列的水平数;Ⅰj为第J列“l”水平所对 应的试验指标的平均值；Ⅱj为第J列“l”水平所对应的试验指标的平均值；Ⅲj为第J列“l”水平所对应的试验指标的平均值；Dj为第j列的极差，等于第j列各水平对应的试验指标平均值中的最大值减最小值。
由表2可求出离差平方和：
1a
S=∑y-(∑yi)2=2.982625-2.748964=0.233661
ai=1i=1
2ia
bb21a
S2ρ== ∑yjk-(∑yi)2=2.87909-2.748964=0.13012
ak=1ai=1
bb21a
Sαfc=∑yjk-(∑yi)2=2.79309-2.748964=0.04
ak=1ai=1bb21a
Sbφ=∑yjk-(∑yi)2=2.85469-2.748964=0.10573
ak=1ai=1
Se=2.80576-2.748964=0.05679
总偏差平方和的自由度f等于等于正交表的试验号1, 即自由度
f=a-1=9-1=8
f2ρ=3-1=2 同理 fαfc=fbφ=2 均方
S2ρ/2=0.3012 Sαfc/2=0.35215 Sbφ/2=0.93089 Se/20=0.0028395 计算F比 F2ρ=
SA／fA
Se／fe
=
0.13012/2
=6.80
0.05679/2
同理可得：
0.04
=0.7043
0.056790.10573
Fbφ==5.18
0.05679
Fαfc=
由以上数据列出如下方差分析表：
表3 方差分析表
由表所示可以看出影响指标VBC的主次因素如下。
由于 F2ρ> F0.01，所以因素2p高度显著；由于 F0.01> Fbφ>F0.05．所以因素 bφ显著；由于 Fαfc
软件操作过程如下： 使用Minitab 16进行 1.在表中输入数据
选择正交实验设计，田口设计，自定义田口设计：
自定义田口设计 选择因子“外刃顶角”“后角”“尖宽”点击确定
点击田口设计
选择响应数据列
点击“图形”，“均值”,“确定”
点击“分析”，“均值”
点击“选项”，“望大”
得到结果，如图：
分析结果：
各因素的排序结果为：外刃顶角，尖宽，后角
与计算结果一致。
由均值效应图，得到最优结果：外刃顶角1 尖宽3 后角1
方差分析如下
选择“方差分析”“一般线性模型”
得到结果
田口分析:VBC 与 外刃顶角, 后角, 尖宽
均值响应表
水平 外刃顶角 后角 尖宽
1 0.7017 0.5417 0.6817
2 0.4750 0.5250 0.5017
3 0.4917 0.6017 0.4850
Delta 0.2267 0.0767 0.1967
排秩 1 3 2
均值 主效应图
一般线性模型: VBC 与 外刃顶角, 后角, 尖宽
因子 类型 水平数 值
外刃顶角 固定 3 1, 2, 3
后角 固定 3 1, 2, 3
尖宽 固定 3 1, 2, 3
VBC 的方差分析，在检验中使用调整的 SS
来源 自由度 Seq SS Adj SS Adj MS F P
外刃顶角 2 0.09576 0.09576 0.04788 4.27 0.190
后角 2 0.00976 0.00976 0.00488 0.44 0.697
尖宽 2 0.07136 0.07136 0.03568 3.18 0.239
误差 2 0.02242 0.02242 0.01121
合计 8 0.19929
S = 0.105883 R-Sq = 88.75% R-Sq（调整） = 55.00%
参考上文计算部分得到：其计算结果与软件操作所得到的结果一致对于群钻钻头的寿命影响最大的因素是外刃顶角，其次为尖宽，影响最小因素为后角。