強(qiáng)化研磨加工最佳工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

模具是工業(yè)生產(chǎn)制造中不可或缺的基礎(chǔ)工藝裝備，其生產(chǎn)制件具有的高復(fù)雜性、高一致性和高生產(chǎn)率是其他加工制造工藝無法比擬的。模具廣泛用于制造領(lǐng)域，但是，60%的模具都存在著早期失效的問題，其中表面質(zhì)量問題占了絕大部分?，F(xiàn)階段，模具中主要采用熱處理和噴丸處理來提高模具的表面硬度以延長使用壽命，但是由于熱處理依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，所以造成模具質(zhì)量良莠不齊，噴丸處理雖然可以明顯提高模具的表面硬度及表面壓應(yīng)力，但是對于降低表面粗糙度的效果不佳。因此，模具行業(yè)的發(fā)展需要一種既能提高模具表面強(qiáng)度又能保證模具表面粗糙度的加工方法，強(qiáng)化研磨加工工藝在這種有利條件下發(fā)展出來的一種新型加工方法。

強(qiáng)化研磨加工是一種集“強(qiáng)化塑性加工”和“研磨微切削”為一體的金屬表面冷加工方法，是一種多工藝結(jié)合的復(fù)合加工工藝。其在軸承加工方面具有明顯的效果，具備較好的理論和技術(shù)的可行性。為此，可將強(qiáng)化研磨工藝應(yīng)用于模具鋼表面加工以提高表面質(zhì)量，延長模具的使用壽命，通過單變量試驗(yàn)的方法，得出噴頭移動速度、噴射壓力和噴射距離等主要加工參數(shù)對模具鋼表面質(zhì)量的影響，獲得最佳工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件
采用自行搭建的數(shù)控強(qiáng)化研磨平臺，其整體結(jié)構(gòu)見圖1。該實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)現(xiàn)原理：空氣壓縮機(jī)壓縮空氣至儲氣罐，儲氣罐具有穩(wěn)定氣壓的功能，將恒定的氣壓由氣管引導(dǎo)至噴頭，運(yùn)用虹吸原理將鋼丸和研磨液的混合物吸出，經(jīng)過噴頭時(shí)與高壓空氣混合形成固液氣三相混合射流噴射至模具表面，從而進(jìn)行強(qiáng)化加工。

圖1 強(qiáng)化研磨數(shù)控平臺
強(qiáng)化研磨料的成分及配比見表1，采用單變量試驗(yàn)法，分成三組模具鋼試樣，其中每組試樣包含兩塊模具鋼，1#、2#、3#模具鋼為未打磨，4#、5#、6#模具鋼為經(jīng)過砂紙打磨。其中1#與4#模具鋼為一組，控制變量為噴射壓力；2#與5#模具鋼為一組，控制變量為噴頭移動速度；3#與6#模具鋼為一組，控制變量為噴射距離。
表1 強(qiáng)化研磨料成分及配比

2 工藝參數(shù)與表面粗糙度對比分析
對每組樣件采用相同的加工工藝，實(shí)驗(yàn)后采用TIME3230粗糙度測試儀對加工表面進(jìn)行表面粗糙度測量，其數(shù)值可精確到納米級，每條加工工藝均采用一定距離的10個(gè)點(diǎn)，舍棄最大值與最小值后求平均值，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將測量后的數(shù)據(jù)繪制成圖表，由圖可見，強(qiáng)化研磨工藝對降低模具表面粗糙度具有顯著效果。
(1)噴射壓力與表面粗糙度的關(guān)系
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，繪制1#和4#模具鋼在不同噴射壓力下的表面粗糙度規(guī)律曲線(見圖2)；隨著噴射壓力由0逐漸增大時(shí)，4#模具鋼的表面粗糙度先隨著噴射壓力逐漸升高，當(dāng)噴射壓力到達(dá)0.4MPa后，4#模具鋼的表面粗糙度又逐漸降低。兩條表面粗糙度規(guī)律曲線在噴射壓力的0.5-0.6MPa區(qū)間是一個(gè)比較接近且變化緩慢的區(qū)域，趨于穩(wěn)定。由此可知，針對初始表面形貌各不相同的模具鋼，隨著噴射壓力的提高，模具鋼的表面粗糙度都會趨向于1.5-1.6μm的區(qū)間。

圖2 噴射壓力與表面粗糙度的規(guī)律曲線
(2)噴頭移動速度與表面粗糙度的關(guān)系
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，繪制2#和5#模具鋼在不同噴頭移動速度下的表面粗糙度規(guī)律曲線(見圖3)。當(dāng)噴頭移動速度控制在10mm/min左右時(shí)，兩條表面粗糙度規(guī)律曲線均在接近的一個(gè)區(qū)間，因此，模具鋼的表面粗糙度在不同移動速度下能夠達(dá)到的表面粗糙度是1.5-1.6μm。

圖3 噴頭移動速度與表面粗糙度規(guī)律曲線
(3)噴射距離與表面粗糙度的關(guān)系
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，繪制3#和6#模具鋼在不同噴射距離下表面粗糙度規(guī)律曲線(見圖4)。當(dāng)噴射距離控制在10mm時(shí)，模具鋼的表面粗糙度可降低到1.5-1.6μm。綜上所述，針對初始形貌不同的模具鋼，強(qiáng)化研磨加工所能夠達(dá)到的精度是1.5-1.6μm。

圖4 噴射距離與表面粗糙度的規(guī)律曲線
第一組對比試驗(yàn)中，考慮在噴射壓力0.5-0.6MPa之間時(shí)，表面粗糙度變化比較緩和，同時(shí)噴射壓力越大能耗勢必也會越大，因此在此選擇0.5MPa作為較優(yōu)的噴射壓力。第二組實(shí)驗(yàn)中，噴頭移動速度在10-20mm/min之間時(shí)，模具鋼的表面粗糙度變化不大，但是考慮到加工速度越小，加工一塊平面時(shí)所需的時(shí)間越大，其加工效率也就越低，因此選擇20mm/min作為一個(gè)較優(yōu)的的加工速度。第三組實(shí)驗(yàn)中，噴射距離為10-20mm時(shí)，模具鋼表面粗糙度變化比較平緩，但是由于擴(kuò)散作用的存在，20mm的噴射距離噴射到模具鋼表面時(shí)，其加工范圍較大，因此加工相同模具鋼時(shí)，其用數(shù)控加工所需用的步數(shù)會越小，效率也就越高，在此組實(shí)驗(yàn)中選擇20mm為較優(yōu)的加工參數(shù)。
綜合以上因素，當(dāng)確定噴頭直徑8mm、噴射角度45°時(shí)，各組的比較理想的加工參數(shù)是：①噴射壓力0.5MPa，噴頭移動速度50mm/min，噴射距離45mm；②噴射壓力0.4MPa，噴射速度10mm/min，噴射距離45mm；③噴射壓力0.4MPa，噴頭移動速度50mm/min，噴射距離10mm。
3 工藝參數(shù)與表面硬度的對比分析
采用壓入硬度作為衡量模具鋼表面硬度標(biāo)準(zhǔn)，采用JMTT數(shù)字洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測量。對每組模具鋼進(jìn)行硬度測量，每一個(gè)工藝參數(shù)選擇10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，去除最大值和最小值，其余8個(gè)數(shù)值取平均值作為測量的硬度值。將實(shí)驗(yàn)后測得的數(shù)據(jù)，采用平均值繪制各參數(shù)之間的影響曲線。
由圖5、圖6和圖7可知，強(qiáng)化研磨工藝加工不同表面形貌的模具鋼時(shí)，模具鋼表面硬度均可由加工前的50HRC提升至53-54HRC之間。試驗(yàn)分析可知，當(dāng)噴射壓力越大、噴頭移動速度越慢、噴射距離越短時(shí)，模具鋼表面塑性硬化層達(dá)到一定厚度后，要繼續(xù)增厚硬化層會越來越困難，因此表面硬度的增加也越來越平緩。

圖5 噴射壓力與表面硬度規(guī)律曲線

圖6 噴頭移動速度與表面硬度規(guī)律曲線
綜合考慮加工能耗和加工效率，噴射壓力不宜過大，能耗太大，損耗也會越大；噴射距離與移動速度不宜過小，過小所需的加工時(shí)間就越大，因此，每一組較優(yōu)的加工參數(shù)為：①噴射壓力0.5MPa，噴頭移動速度50mm/min，噴射距離45mm；②噴射壓力0.4MPa，噴頭移動速度10mm/min，噴射距離45mm；③噴射壓力0.4MPa，噴頭移動速度50mm/min，噴射距離10mm。

圖7 噴射距離與表面硬度規(guī)律曲線
小結(jié)
根據(jù)六組對比實(shí)驗(yàn)分析，綜合能耗因素和加工效率的影響，在確定噴頭形狀、噴嘴為8mm、噴射角度確定的情況下，使用以上三組加工參數(shù)加工45#模具鋼時(shí)，所加工后的鋼板表面粗糙度均可達(dá)到1.5-1.6μm，表面硬度由原來的50HRC均提升至53-54HRC。
根據(jù)能耗因素，在單位時(shí)間內(nèi)，噴射壓力越小，能耗越低，第二、三組加工參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)。但是由于第二組噴頭移動速度為10mm/min，所以加工同一塊模具鋼所需的時(shí)間是第一組的5倍，整體的能耗并不會低于第一組。而第三組工藝參數(shù)的噴射距離為10mm，噴射范圍比第一組小很多，因此加工同一塊模具鋼所需的步數(shù)會更多，加工時(shí)間也會更長，相比之下能耗也不會低于第一組。同時(shí)，從加工效率而言，第一組噴頭移動速度和噴射距離都是最大的，因此在加工同一塊模具鋼時(shí)所需時(shí)間也最短。
綜上所述，在噴頭形式確定、噴嘴直徑8mm、噴射角度45°時(shí)，對45#模具鋼強(qiáng)化研磨加工的最佳工藝參數(shù)為：噴射壓力0.5MPa，噴頭移動速度50mm/min，噴射距離45mm。