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2. 基于注塑模具鋼研磨和拋光工序的自動化表面處理
摘要
本文研究了注塑模具鋼自動研磨與球面拋光加工工序的可能性，這種注塑模具鋼PDS5的塑性曲面是在數(shù)控加工中心完成的。這項研究已經(jīng)完成了磨削刀架的設計與制造。 最佳表面研磨參數(shù)是在鋼鐵PDS5 的加工中心測定的。對于PDS5注塑模具鋼的最佳球面研磨參數(shù)是以下一系列的組合：研磨材料的磨料為粉紅氧化鋁，進給量500毫米/分鐘，磨削深度20微米，磨削轉(zhuǎn)速為18000RPM。用優(yōu)化的參數(shù)進行表面研磨，表面粗糙度Ra值可由大約1.60微米改善至0.35微米。 用球拋光工藝和參數(shù)優(yōu)化拋光，可以進一步改善表面粗糙度Ra值從0.343微米至0.06微米左右。在模具內(nèi)部曲面的測試部分，用最佳參數(shù)的表面研磨、拋光，曲面表面粗糙度就可以提高約2.15微米到0 0.07微米。
關(guān)鍵詞: 自動化表面處理 拋光 磨削加工 表面粗糙度 田口方法
一、引言
塑膠工程材料由于其重要特點,如耐化學腐蝕性、低密度、易于制造,并已日漸取代金屬部件在工業(yè)中廣泛應用。 注塑成型對于塑料制品是一個重要工藝。注塑模具的表面質(zhì)量是設計的本質(zhì)要求,因為它直接影響了塑膠產(chǎn)品的外觀和性能。 加工工藝如球面研磨、拋光常用于改善表面光潔度。
研磨工具(輪子)的安裝已廣泛用于傳統(tǒng)模具的制造產(chǎn)業(yè)。自動化表面研磨加工工具的幾何模型將介紹。自動化表面處理的球磨研磨工具將得到示范和開發(fā)。 磨削速度, 磨削深度，進給速率和砂輪尺寸、研磨材料特性（如磨料粒度大小）是球形研磨工藝中主要的參數(shù)，如圖1（球面研磨過程示意圖）所示。注塑模具鋼的球面研磨最優(yōu)化參數(shù)目前尚未在文獻得到確切的依據(jù)。
步距
研磨高度
球磨研磨
進給速度
工作臺
圖1 球面研磨過程示意圖
進給
研磨球
工作臺
研磨深度
研磨表面
近年來 ，已經(jīng)進行了一些研究，確定了球面拋光工藝的最優(yōu)參數(shù)(圖2) （球面拋光過程示意圖）。 比如，人們發(fā)現(xiàn), 用碳化鎢球滾壓的方法可以使工件表面的塑性變形減少,從而改善表面粗糙度、表面硬度、抗疲勞強度。 拋光的工藝的過程是由加工中心和車床共同完成的。對表面粗糙度有重大影響的拋光工藝主要參數(shù)，主要是球或滾子材料，拋光力， 進給速率,拋光速度,潤滑、拋光率及其他因素等。注塑模具鋼PDS5的表面拋光的參數(shù)優(yōu)化，分別結(jié)合了油脂潤滑劑，碳化鎢球,拋光速度200毫米/分鐘,拋光力300牛，40微米的進給量。采用最佳參數(shù)進行表面研磨和球面拋光的深度為2.5微米。 通過拋光工藝，表面粗糙度可以改善大致為40％至90％。
圖2 球面拋光過程示意圖
此項目研究的目的是，發(fā)展注塑模具鋼的球形研磨和球面拋光工序，這種注塑模具鋼的曲面實在加工中心完成的。表面光潔度的球研磨與球拋光的自動化流程工序，如圖3所示。 我們開始自行設計和制造的球面研磨工具及加工中心的對刀裝置。利用田口正交法，確定了表面球研磨最佳參數(shù)。選擇為田口L18型矩陣實驗相應的四個因素和三個層次。 用最佳參數(shù)進行表面球研磨則適用于一個曲面表面光潔度要求較高的注塑模具。 為了改善表面粗糙, 利用最佳球面拋光工藝參數(shù)，再進行對表層打磨。
PDS試樣的設計與制造
選擇最佳矩陣實驗因子
確定最佳參數(shù)
實施實驗
分析并確定最佳因子
進行表面拋光
應用最佳參數(shù)加工曲面
測量試樣的表面粗糙度
球研磨和拋光裝置的設計與制造
圖3自動球面研磨與拋光工序的流程圖
二、球研磨的設計和對準裝置
實施過程中可能出現(xiàn)的曲面的球研磨,研磨球的中心應和加工中心的Z軸相一致。 球面研磨工具的安裝及調(diào)整裝置的設計，如圖4（球面研磨工具及其調(diào)整裝置）所示。電動磨床展開了兩個具有可調(diào)支撐螺絲的刀架。磨床中心正好與具有輔助作用的圓錐槽線配合。 擁有磨床的球接軌,當兩個可調(diào)支撐螺絲被收緊時，其后的對準部件就可以拆除。研磨球中心坐標偏差約為5微米, 這是衡量一個數(shù)控坐標測量機性能的重要標準。 機床的機械振動力是被螺旋彈簧所吸收。球形研磨球和拋光工具的安裝，如圖5（a. 球面研磨工具的圖片. b.球拋光工具的圖片）所示。為使球面磨削加工和拋光加工的進行，主軸通過球鎖機制而被鎖定。
模柄
彈簧
工具可調(diào)支撐
緊固螺釘
磨球
自動研磨
磨球組件
圖4 球面研磨工具及其調(diào)整裝置
圖5 a. 球面研磨工具的圖片. b.球拋光工具的圖片
三、矩陣實驗的規(guī)劃
3.1田口正交表
利用矩陣實驗田口正交法，可以確定參數(shù)的有影響程度。 為了配合上述球面研磨參數(shù)，該材料磨料的研磨球(直徑10毫米),進給速率，研磨深度,在次研究中電氣磨床被假定為四個因素，指定為從A到D（見表1實驗因素和水平）。三個層次的因素涵蓋了不同的范圍特征,并用了數(shù)字1、2、3標明。挑選三類磨料,即碳化硅,白色氧化鋁,粉紅氧化鋁來研究. 這三個數(shù)值的大小取決于每個因素實驗結(jié)果。選定L18型正交矩陣進行實驗，進而研究四——三級因素的球形研磨過程。
表1實驗因素和水平
因素
水平
1
2
3
A.
碳化硅
白色氧化鋁
粉紅氧化鋁
B.
50
100
200
C.研磨深度（μm）
20
50
80
D.
12000
18000
24000
3.2數(shù)據(jù)分析的界定
工程設計問題,可以分為較小而好的類型,象征性最好類型,大而好類型，目標取向類型等。 信噪比(S/N)的比值，常作為目標函數(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品或者工藝設計。 被加工面的表面粗糙度值經(jīng)過適當?shù)亟M合磨削參數(shù)，應小于原來的未加工表面。 因此,球面研磨過程屬于工程問題中的小而好類型。這里的信噪比（S/N）,η,按下列公式定義:
η =?10 log 平方等于質(zhì)量特性
=?10 log （1）
這里，
y——不同噪聲條件下所觀察的質(zhì)量特性
n——實驗次數(shù)
從每個L18型正交實驗得到的信噪比（S/N）數(shù)據(jù)，經(jīng)計算后，運用差異分析技術(shù)(變異)和殲比檢驗來測定每一個主要的因素。 優(yōu)化小而好類型的工程問題問題更是盡量使η最大而定。各級η選擇的最大化將對最終的η因素有重大影響。 最優(yōu)條件可視研磨球而待定。
四、實驗工作和結(jié)果
這項研究使用的材料是PDS5工具鋼(相當于艾西塑膠模具)， 它常用于大型注塑模具產(chǎn)品在國內(nèi)汽車零件領(lǐng)域和國內(nèi)設備。 該材料的硬度約HRC33(HS46)。 具體好處之一是, 由于其特殊的熱處理前處理，模具可直接用于未經(jīng)進一步加工工序而對這一材料進行加工。式樣的設計和制造,應使它們可以安裝在底盤，來測量相應的反力。 PDS5試樣的加工完畢后，裝在大底盤上在三坐標加工中心進行了銑削，這種加工中心是由鋼鐵公司所生產(chǎn)(中壓型三號),配備了FANUC-18M公司的數(shù)控控制器(0.99型)。用hommelwerket4000設備來測量前機加工前表面的粗糙度,使其可達到1.6微米。 圖6試驗顯示了球面磨削加工工藝的設置。 一個由Renishaw公司生產(chǎn)的視頻觸摸觸發(fā)探頭，安裝在加工中心上，來測量和確定和原始式樣的協(xié)調(diào)。 數(shù)控代碼所需要的磨球路徑由PowerMILL軟件產(chǎn)。這些代碼經(jīng)過RS232串口界面，可以傳送到裝有控制器的數(shù)控加工中心上。
加工中心
數(shù)控機床
電腦
圖6
完成了L18型矩陣實驗后，表2 （PDS5試樣光滑表層的粗糙度）總結(jié)了光滑表面的粗糙度RA值，計算了每一個L18型矩陣實驗的信噪比（S/N）,從而用于方程（1）。通過表2提供的各個數(shù)值，可以得到四種不同程度因素的平均信噪比（S/N），在圖7中已用圖表顯示。
表2 PDS5試樣光滑表層的粗糙度
實驗
序號
A
B
C
D
S/N(η(dB))
Mean
1
1
1
1
1
0.35
0.35
0.35
9.119
0.350
2
1
2
2
2
0.37
0.36
0.38
8.634
0.370
3
1
3
3
3
0.41
0.44
0.40
7.597
0.417
4
2
1
2
3
0.63
0.65
0.64
3.876
0.640
5
2
2
3
1
0.73
0.77
0.78
2.380
0.760
6
2
3
1
2
0.45
0.42
0.39
7.530
0.420
7
3
1
3
2
0.34
0.31
0.32
9.801
0.323
8
3
2
1
3
0.27
0.25
0.28
11.471
0.267
9
3
3
2
1
0.32
0.32
0.32
9.897
0.320
10
1
1
2
2
0.35
0.39
0.40
8.390
0.380
11
1
2
3
3
0.41
0.50
0.43
6.968
0.447
12
1
3
1
1
0.40
0.39
0.42
7.883
0.403
13
2
1
1
3
0.33
0.34
0.31
9.712
0.327
14
2
2
2
1
0.48
0.50
0.47
6.312
0.483
15
2
3
3
2
0.57
0.61
0.53
4.868
0.570
16
3
1
3
1
0.59
0.55
0.54
5.030
0.560
17
3
2
1
2
0.36
0.36
0.35
8.954
0.357
18
3
3
2
3
0.57
0.53
0.53
5.293
0.543
控制因素
信噪比
圖7 控制影響因素
球面研磨工藝的目標，就是通過確定每一種因子的最佳優(yōu)化程度值，來使試樣光滑表層的表面粗糙度值達到最小。因為? log是一個減函數(shù)，我們應當使信噪比（S/N）達到最大。因此，我們能夠確定每一種因子的最優(yōu)程度使得η的值達到最大。因此基于這個點陣式實驗的最優(yōu)轉(zhuǎn)速應該是18000RPM，如表3（優(yōu)化組合球面研磨參數(shù)）所示。
表3 優(yōu)化組合球面研磨參數(shù)
因素
水平
白色氧化鋁
50mm/min
20μm
18000rpm
從田口矩陣實驗獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，適用于曲面光滑的模具，從而改善表面的粗糙度。選擇香水瓶為一個測試載體。對于被測物體的模具數(shù)控加工中心，由PowerMILL軟件來模擬測試。經(jīng)過精銑，通過使用從田口矩陣實驗獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，模具表面進一步光滑。緊接著,使用打磨拋光的最佳參數(shù)，來對光滑曲面進行拋光工藝，進一步改善了被測物體的表面粗糙度。(見圖 9)。模具內(nèi)部的表面粗糙度用hommelwerket4000設備來測量。模具內(nèi)部的表面粗糙度RA的平均值為2.15微米，光滑表面粗糙度RA的平均值為0.45微米，拋光表面粗糙度RA的平均值為0.07微米。被測物體的光滑表面的粗糙度改善了：(2.15-0.45)/2.15=79.1％，拋光表面的粗糙度改善了：(2.15-0.07)/2.15=96.7％。
拋光表面
Ra=0.07μm
內(nèi)部表面
Ra=2.15μm
光滑表面
Ra=0.45μm
圖8 被測物體表面粗糙度
五、結(jié)論
在這項工作中,對注塑模具的曲面進行了自動球面研磨與球面拋光加工，并將其工藝最佳參數(shù)成功地運用到加工中心上。 設計和制造了球面研磨裝置(及其對準組件)。通過實施田口L18型矩陣進行實驗，確定了球面研磨的最佳參數(shù)。對于PDS5注塑模具鋼的最佳球面研磨參數(shù)是以下一系列的組合：材料的磨料為粉紅氧化鋁，進給量料500毫米/分鐘，磨削深度20微米，轉(zhuǎn)速為18000RPM。通過使用最佳球面研磨參數(shù)，試樣的表面粗糙度Ra值從約1.6微米提高到0.35微米。應用最優(yōu)化表面磨削參數(shù)和最佳拋光參數(shù)，來加工模具的內(nèi)部光滑曲面，可使模具內(nèi)部的光滑表面改善79.1％，拋光表面改善96.7％。
鳴謝
作者感謝中國國家科學理事會對本次研究的支持, NSC 89-2212-E-011-059。
原文： Chao-Chang A. Chen · Wen-Tu Li ， Based on the injection mold steel grinding and polishing processes automated surface treatment ， Shiou FJ, Chen CH (2003) Determination of optimal ball-burnishingparameters for plastic injection molding steel. Int J Adv Manuf Technol