摘要：为了研究自动研磨对模具零件表面的影响，以线切割后的$390粉末冶金钢为研究对象，以研磨时间、装夹角度、缸体转速、自转速度等4个因素进行正交试验，通过分析表面材料去除量、表面粗糙度、残留应力等指标，得出研磨工艺对各参数指标影响的主次关系和最优研磨参数组合。试验结果表明：表面材料去除量随着缸体转速的增加和加工时间的延长而增大，表面粗糙度随着缸体转速的增加而增大，残留应力随着缸体转速的增加而减小。
 
      关键词：研磨工艺；表面粗糙度；材料去除量；残留应力；精冲模
 
      l 、引言
 
     汽车工业的快速发展，导致越来越多的精密零件采用精冲模直接成形，但国内高端精冲模使用寿命约为国外的l／5 ，因此国内急需使用寿命长的精冲模。精冲模在冲压过程中承受高接触压力、剧烈摩擦以及交变应力，易产生疲劳失效㈦。精冲模零件加工后进行处理导致的表面完整性对模具的可靠性和稳定性有很大的影响，后处理的优劣会影响
模具零件的使用寿命，为了保证精冲模的使用寿命，对模具零件加工后处理的研究与优化是有必要的  。
 
     研磨和抛光是精冲模零件加工过程中对模具型面进行后处理精细加工的最后阶段。研磨和抛光技术主要分为传统的机械方法、化学方法和非传统的电解抛光以及超声波处理，然而目前研磨和抛光仍主要是依赖熟练工人凭借其多年的经验手工完成，主要是因为大多数模具零件的表面及内部腔体形状不规则，包含一些无法用数学公式表达的自由曲面，在一些模具零件中存在内部狭窄、复杂曲面”1，普通的机加工方法无法获得表面质量高且均匀的模具零件【6】。目前研磨和抛光处理的时间约占整副模具零件加工时间的30％左右，其他的研磨和抛光方法如电解抛光，受原材料表面状态影响：超声波抛光会产生桔皮缺陷，都存在加工效率低的问题。
   
     德国欧泰克公司(OTEC)研发的拖曳式抛光机，原理是由电机驱动，带动模具零件在磨料缸体中旋转，模具零件与磨料接触均匀、运动轨迹规律，零件运动自由度高且能精确控制，能获得良好的抛光效果盯，，零件表面粗糙度可以成倍降低，线切割后变质层可以被彻底去除18]，显著提高了模具零件表面质量，有助于提升模具零件的使用寿命。此外电机控制研磨时间、装夹时夹具与缸体的角度、夹具自转速度和缸体转速都是可调整的一一．01，通过控制加工参数可以达到更好的零件加工表面质量。现针对几个不同的加工参数进行正交试验，并对这些参数的主次和最优参数组合进行选择，得到研磨和抛光参数对模具零件表面质量的影响规律。
 
      2、研磨试验
 
      2．1 试验准备
 
      试验样品：$390粉末冶金钢样品，尺寸50 nqlTl×15 mm×11 mm，成分为(w粥)：1．6C；4．8Cr；10．5W；2．0Mo 5．0V；8．0Co。试样经过5次慢走丝线切割加工，表面粗糙度RaO．18 gm左右，残留拉应力280MPa左右。正交试验之前用树脂包覆试样的一半，使同～个试样上研磨表面和未经研磨表面的面积相等，并用无水乙醇清理油污等杂质，获得洁净表面。研磨材料：H4／400粘性磨料。
 
      试验装置：开发的拖曳式抛光机器，原理是由电动机驱动，带动零件在磨料缸体内旋转。它上面有2个电机，一个驱动装夹盘进行公转，另一个驱动2个装夹头及夹具进行自转，下面缸体连接一个电机，用来驱动磨料缸体进行旋转。装置主要是用夹具带动零件自转和缸体转动来实现抛光过程中的相对移动速度和轨迹调整，装置结构如图1所示。检测设备：型号为Proto—iXRD残留应力测试仪，Taylor Hobson PGI一830轮廓仪。
 

                                   图l 装置结构

       1．电箱2．触摸屏3．电源开关4．磨料加工缸体5．电机及传动器6．传动箱7．从动轮8．驱动夹具9．门锁开关适配器
 
      2．2 自动研磨工艺的正交试验
 
      正交试验是从全面试验中挑选出部分具有代表性的试验组合，通过正交试验表来合理设计试验。通过代表性很强的少数试验，发现各个因素对于不同试验指标的影响情况，并分清主次关系，继而采用综合平衡法得到最优参数组合。
 

      2．3 试验方案设计
 
     确定影响材料表面完整性的几个主要因素：A为研磨时间，单位为h；B为装夹角度(零件与磨粒流夹角)，单位为o；C为缸体转速，单位为dmin；D为自转速度，单位为r／min。通过研磨试验和历史经验参数可以确定这4个因素的主要变化区间：A为O．5～1．5 h，B为0～30。，C为60～100 r／min，D为4～12“min。每个因素选取3个水平，得到正交试验四因素三水平表，如表1所示。
 
                                    表1 因素水平表

     如果对4个因素做全试验，要进行3'=81次试验，正交试验可以将试验次数减少到9次。
 
     3、试验结果与结论
 
     3．1正交试验结果
      
     按照正交表进行研磨试验，试验样品原粗糙度RaO．18 gm左右，采用Taylor Hobson接触式轮廓仪测量表面粗糙度，采样长度0．25 mm，采样间距O．5gm，至少测量3次，取平均值；原样品表面残留应力280 MPa左右，研磨后用Proto—iXRD残留应力测试仪测量6次，取平均值；采用Taylor HobsonPGI一830轮廓仪测量表面过渡轮廓曲线，通过导入Origin得到原表面轮廓，得到研磨与未研磨表面与纵坐标相交的坐标差，继而可以得到材料去除量，测量3次，取平均值。以$390研磨后的材料去除量、表面粗糙度值和残留应力为试验结果，记录得到表2。
 
                                   表2正交试验结果

     
  
  
    计算各个因素的平均值和极差如表3所示，平均值是指一组试验的数据和除以个数，是反映数据集中程度的一个参数。表3中A组的均值l、2、3对应的研磨时间为0．5、1．0、1．5 h时，如均值l是研磨时间为0．5 h时，材料去除量d分别为0．145、O．058、0．0699m的平均值；均值2是研磨时间为1．0h时，材料去除量d分别为0．071、0．059、0．106岬的平均值；均值3是研磨时间为1．5 h时，材料去除量d分别为0．060、0．105、0．115 gm的平均值；以此类推，计算出另外3个因素的均值列入表3。
 
    极差为各因素对应的试验指标平均值最大值和最小值的差值，极差较大的因素一般是最重要的因素。从表3可看出，研磨时间对应的表面材料去除量的极差是0．046 gm，装夹角度、缸体转速、自转速度对应的表面材料去除量的极差分别是0．167、0．104、0．032 gm。因此4个因素的主次关系是：装夹角度、缸体转速、自转速度、研磨时间，最优参数组合为A3 B3 C3 D1。
 
                                表3材料去除量对应均值与极差
   

    采用正交试验中的直观分析方法，试验样件表面材料去除量各因素关系如图2所示。
 

   
                          图2表面材料去除量平均值与因素关系
   
    由图2可知，表面材料去除量随缸体转速的增加而增大，随零件加工时间的延长而增大，这是因为随着缸体转速的增加，磨料随着缸体转动速度增大，材料与磨料之间的相对速度变大，微切削作用增强，材料去除量相应增大。随着自动研磨时间延长，零件与磨粒之间的作用时间变长，材料去除量也会相应增大。
 
    根据上述计算平均值的方法，算出各因素对应的表面粗糙度平均值列入表4。
 
    表4所示研磨时间对应的表面粗糙度的极差为O．034 Inn，装夹角度、缸体转速、自转速度对应的表面粗糙度的极差分别为0．023、0．055、0．031 gm，因此影响表面粗糙度的因素的主次关系是：缸体转速、研磨时间、自转速度、装夹角度，最优参数组合为A2 B2 C3 D2。

                                 表4表面粗糙度对应平均值与极差
   
  
    采用正交试验中的直观分析方法，试验样件表面粗糙度与各因素关系如图3所示。
    
    

                              图3表面粗糙度平均值与因素关系
   
     由图3可知，表面粗糙度随缸体转速增加而显著减小，其他3个因素取值过大或过小都不合适，造成表面粗糙度值较大，因此缸体转速对粗糙度的减小具有重要作用。
 
     根据上述计算平均值的方法，算出各因素对应的残留应力的平均值列入表5。
 
                              表5表面残留应力对应平均值与极差
  
    

     表5所示研磨时间对应残留应力的极差为57．5MPa，装夹角度、缸体转速、自转速度对应残留应力的极差分别为8．6、67．8、47．9 MPa，因此影响残留应力的因素的主次关系是：缸体转速、研磨时间、白转速度、装夹角度，最优参数组合为 A2 B2 C3 D2。采用正交试验中的直观分析方法，试验样件残留应力平均值与各因素关系如图4所示。
  

   
  
                               图4残留应力平均值与因素关系
   
      由图4可知，零件表面残留应力随缸体转速的增加而减小。这是因为较大的缸体转速可以带动磨料高速运转，使得零件与磨料之间的法向机械作用力增大，从而使得残留应力增大。研磨时间和自转速度取值过大或过小都不合理。
 
     3．2 最优参数组合分析
 
     综合平衡多指标最优组合：
 
     研磨时间A：3个指标中研磨时间A有2种最优值，为A：和A，，其中A：除材料去除量外，另外2个指标都是最优值。当取A：时，材料去除量的值比4，少13％，若取A，，粗糙度值比彳：的值大57．6％；残留应力的值比取A：大20．6％，因此应该选取A：。
 
     装夹角度B：3个指标中有2种最优值，为B：和疡。其中B：除材料去除量外，另外2个指标都是最优值。取B：时，材料去除量的值比鼠少54．6％。若取夙，粗糙度值比&大29．7％，残留应力的值比B：大3．9％，差别不大，综合考虑选取拐。缸体转速C：3个指标中只有一个最优值，且为表面质量最主要影响因素，因此选择C3。自转速度D：3个指标当中有2个最优值，分别为D．和D：，如上所述，通过计算分析得到应该选取D2。
 
     综上所述，得到加工参数的最优组合A猡，qD：，即选取加工时间l h，装夹角度30。，缸体转速100 r／min，自转速度8 r／min的加工参数可以获得较好的零件表面加工质量。
 
     4 、结束语
   
    作为新兴的研磨抛光方法，OTEC拖曳式抛光机具有相对于传统手工研磨极大的优越性，对于研磨应用的基础性研究很有必要，获得的研磨最优工艺参数也是建立在大量的研磨试验基础上的，具有客观可靠性。所采用的正交试验方案的试验与分析方法，对于进一步研究不同材料的研磨抛光加工以及不同齿形模的最优加工方法具有参考作用。

     来源：华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室  瑚北中航精机科技有限公司