丁志彤，趙 軍

(山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，濟(jì)南 250061)

0 引言

模具是一種高附加值的技術(shù)密集型產(chǎn)品[1]，作為一種高效生產(chǎn)工具，其壽命與其表面質(zhì)量關(guān)系密切[2]，適宜的表面強(qiáng)化工藝將大大提高模具的使用壽命。滾光加工是一種高效節(jié)能的表面形變強(qiáng)化工藝，可以提高金屬構(gòu)件或金屬表面鍍層的表面硬度[3]，降低表面粗糙度[4]，通過(guò)引入殘余壓應(yīng)力[5]，增加模具表面的疲勞壽命[6-7]。不同于滾壓加工，滾光工藝不能修正預(yù)加工的形位誤差。

A Rodríguez等[8]使用流體靜壓滾光工具對(duì)AISI 1045軸件進(jìn)行滾光實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于該材料滾光工藝可以提高表面硬度約60%，降低表面粗糙度最高達(dá)90%；實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)對(duì)于硬度較低的金屬材料，并非滾光力越大，表面粗糙度越低，而是有一個(gè)最優(yōu)壓力區(qū)間(10～20MPa)。L N López de Lacalle等[9]在對(duì)AISIP20鋼的滾光實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，預(yù)加工銑削后的表面形貌呈現(xiàn)有規(guī)律的突起和凹槽，滾光后的表面則表現(xiàn)為隨機(jī)性的形貌，且表面粗糙度明顯降低，降幅約94%；在對(duì)H13回火鋼的滾光實(shí)驗(yàn)中，試樣硬度從52HRC提升到59HRC，且硬度的提升與滾光行距無(wú)明顯關(guān)系。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于流體靜壓滾光的研究中，極少有對(duì)于高硬度材料的滾光強(qiáng)化研究，且對(duì)于滾光工藝參數(shù)與加工后零件表面性能關(guān)系的研究不夠全面，幾乎沒(méi)有涉及全部參數(shù)變量的滾光實(shí)驗(yàn)。此外，對(duì)于不同材料達(dá)到最佳強(qiáng)化效果的滾光工藝參數(shù)也不同，有的甚至差別很大。本文選擇SKD11冷作模具鋼為研究對(duì)象，其表面硬度高，且在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛；通過(guò)對(duì)5個(gè)滾光工藝參數(shù)同時(shí)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，探究各參數(shù)對(duì)于滾光加工后表面性能的影響情況，解決以往研究中對(duì)滾光工藝參數(shù)研究不夠全面的問(wèn)題。

1 流體靜壓球滾光的加工原理及工藝參數(shù)

流體靜壓滾光工藝使用硬度極高的陶瓷球，在高壓流體的作用下，對(duì)金屬或非金屬表面進(jìn)行形變強(qiáng)化。其滾光力恒定，高壓流體經(jīng)由保持器與滾珠之間的縫隙噴出，為滾光加工過(guò)程提供冷卻和潤(rùn)滑[9]。流體靜壓滾光工藝加工效率高，工藝過(guò)程可控性好，可為模具等零件的生產(chǎn)提供巨大幫助。

流體靜壓球滾光的工藝參數(shù)主要有5個(gè)：滾光力、滾光速度、滾光方向、行距、滾光次數(shù)，如圖1所示。需要說(shuō)明的是，流體靜壓滾光工藝中的滾光力，其大小可通過(guò)調(diào)整滾光工具配套的液壓泵壓力來(lái)精確控制；滾光方向定義為滾光速度方向和預(yù)加工刀痕之間的夾角。

圖1 球滾光原理及工藝參數(shù)示意圖

2 球滾光正交實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

試樣材料為SKD11淬硬模具鋼，是一種高耐磨、高韌性通用冷作模具鋼，其淬透性好，淬火后硬度可達(dá)62HRC，在模具的制造中有著廣泛的使用[10]。SKD11模具鋼的主要成分及含量和物理性能分別如表1和表2所示。

表1 SKD11模具鋼的主要成分及含量(wt.%)

表2 SKD11模具鋼的物理性能

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括韓國(guó)大宇A(yù)CE-V500型三軸立式數(shù)控加工中心(最高轉(zhuǎn)速10000rpm)，德國(guó)ECOROLL流體靜壓球滾光工具，型號(hào)為 HG6-19E90-ZS20X，其主要性能參數(shù)如表3所示。工具前部為一個(gè)硬度極高的陶瓷滾珠，側(cè)邊連接提供高壓液體的高壓軟管，后部是一個(gè)直徑20mm的刀柄，可以使用通用刀架，將滾光工具裝夾于三軸加工中心的主軸上，在滾光過(guò)程中，主軸只進(jìn)給而不旋轉(zhuǎn)，主軸進(jìn)給速度就是滾光工藝的滾光速度。由于銑床的進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于滾光工具所允許的最大滾光速度，因此滾光工具連接于銑床使用時(shí)，無(wú)需考慮冷卻性能不足的問(wèn)題。此外，與HG6-19滾光工具相配套的液壓泵也由ECOROLL公司生產(chǎn)，型號(hào)為HGP6.0，能夠提供最高38 MPa的壓力。

表3 HG6-19E90ZS20X主要性能參數(shù)

2.2 正交實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用銑削作為試樣的預(yù)加工工藝，使用SECO JH111L120 MEGA-64兩齒涂層球頭銑刀，直徑12mm，前角0°。

預(yù)加工的銑削采用往復(fù)走刀策略，采用高壓冷風(fēng)油霧冷卻潤(rùn)滑，具體的銑削參數(shù)如表4及圖2所示。

表4 預(yù)加工銑削參數(shù)

圖2 銑削參數(shù)示意圖

正交實(shí)驗(yàn)采用Taguchi方法，將5個(gè)參數(shù)分為1個(gè)2水平參數(shù)和4個(gè)3水平參數(shù)，如表5所示，利用Minitab軟件生成18階Taguchi矩陣，如表6所示。

表5 5個(gè)滾光參數(shù)的分級(jí)與各級(jí)參數(shù)設(shè)置

表6 Taguchi L18矩陣對(duì)應(yīng)的18組實(shí)驗(yàn)所使用的參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 滾光前后表面對(duì)比

使用Veeco Wyko NT9300光學(xué)輪廓儀對(duì)滾光前后表面進(jìn)行觀察。采樣面積為2mm×2mm，對(duì)8號(hào)試驗(yàn)組的觀測(cè)結(jié)果如圖3所示，滾光方向和預(yù)加工銑削的刀痕方向平行，可以看到滾光前表面有明顯的突起和溝槽形貌，滾光后表面明顯趨于平整。

(a)滾光前表面形貌 (b)滾光后表面形貌 圖3 滾光前滾光后表面形貌

3.2 表面硬度

表面硬度測(cè)量采用華銀數(shù)顯洛氏硬度計(jì)，型號(hào)為200HRS-150，具有1470N載荷和120°金剛石錐壓入器，每組試樣隨機(jī)取10點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量后取算術(shù)平均值，點(diǎn)間距符合關(guān)于洛氏硬度測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)對(duì)照度組硬度58.6HRC，計(jì)算出硬度增量，使用DOE分析Taguchi實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的S/N(記作ηHRC)，從而得到各參數(shù)對(duì)表面硬度增加程度的影響情況。設(shè)表面硬度越高代表表面性能越好，則需要使用“越大越好”的分析方法，根據(jù)公式(1)得到各組實(shí)驗(yàn)的S/N：

(1)

其中，i代表試驗(yàn)編號(hào)，n代表實(shí)驗(yàn)組數(shù)。從而確定可以獲得最高表面硬度的最佳滾光參數(shù)，表7中給出了各組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表面硬度的平均值及S/N。

表7 正交實(shí)驗(yàn)試樣表面硬度測(cè)量結(jié)果及S/N

圖4給出了5個(gè)滾光參數(shù)每個(gè)級(jí)別各參數(shù)水平關(guān)于硬度提升程度的S/N。其中硬度提升最大幅度可達(dá)8.36%，可以明顯地看出，流體靜壓滾光加工的壓強(qiáng)對(duì)于硬度的影響最大，且隨著壓強(qiáng)的增大，加工后表面硬度顯著提升。滾光行距和滾光次數(shù)對(duì)于表面硬度的提升影響次之，且在0.1mm～0.3mm的范圍內(nèi)，行距越大得到的硬度越低；而滾光次數(shù)越高，得到的表面硬度也越高。滾光方向和滾光速度對(duì)于表面硬度的影響較小，但是為了減少加工時(shí)間，應(yīng)在機(jī)床允許的范圍內(nèi)，盡可能選擇較大的滾光速度。

圖4 5個(gè)滾光參數(shù)對(duì)表面硬度的影響情況

3.3 表面粗糙度

表面粗糙度的測(cè)量采用Veeco Wyko NT9300光學(xué)輪廓儀進(jìn)行測(cè)量，由于滾珠具有三維形貌，因此與被加工表面接觸的情況較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維輪廓表面粗糙度評(píng)價(jià)方法，例如Ra、Rz等，其評(píng)價(jià)的合理性和準(zhǔn)確性不及三維面域表面粗糙度，例如Sa、Sz等，因此本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于表面粗糙度的測(cè)量采用后一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量方法為在被加工表面上隨機(jī)選擇10點(diǎn)進(jìn)行粗糙度測(cè)量，之后取算術(shù)平均值，計(jì)算其S/N，不同于硬度，滾光加工目的是為了降低金屬零件的表面粗糙度，因此關(guān)于Sa值的信噪比計(jì)算，應(yīng)選擇“越小越好”的方法。根據(jù)公式(2)得到各組實(shí)驗(yàn)的S/N：

(2)

其中，i代表試驗(yàn)編號(hào)，n代表實(shí)驗(yàn)組數(shù)。據(jù)此計(jì)算出Sa值與五個(gè)滾光參數(shù)之間的信噪比S/N，記作ηSa，各組試樣表面粗糙度Sa的平均值，最終的測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果在表8中列出。

表8 正交實(shí)驗(yàn)試樣表面粗糙度的測(cè)量結(jié)果及S/N

圖5給出了5個(gè)滾光參數(shù)每個(gè)級(jí)別各參數(shù)水平關(guān)于滾光后表面粗糙度值Sa的S/N。其中表面粗糙度最低的一組，其Sa值降低到267 nm，降幅達(dá)到71.35%，可以明顯地看出，滾光加工時(shí)液壓泵的壓強(qiáng)即滾光力大小對(duì)于表面粗糙度的降低影響最大，且壓強(qiáng)越大加工后的表面粗糙度越低；行距對(duì)滾光后Sa值的影響次之，且行距越大Sa值越高；為了達(dá)到較低的表面粗糙度，應(yīng)使用垂直于銑削方向的滾光方向；表面粗糙度值Sa隨滾光次數(shù)增加而增加，值得強(qiáng)調(diào)的是，滾光次數(shù)的增加會(huì)直接導(dǎo)致滾光加工所需要的時(shí)間成倍增加，因此做好加工效果和加工時(shí)間、加工成本之間的平衡十分重要；滾光速度對(duì)于表面粗糙度的影響較小。此外，在對(duì)表面粗糙度面域極偏差Sz的測(cè)量和研究中也發(fā)現(xiàn)了與平均偏差Sa同樣的規(guī)律。

圖5 5個(gè)滾光參數(shù)對(duì)表面粗糙度Sa的影響情況

4 結(jié)論

本文使用Taguchi方法進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，探究5種滾光參數(shù)對(duì)加工后SKD11模具鋼表面性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：流體靜壓滾光工藝可以大幅降低試樣表面粗糙度，但由于試樣本身硬度接近本次實(shí)驗(yàn)所使用的滾光工具所能加工的硬度上限，因此表面硬度提升幅度較??；5種滾光參數(shù)中，滾光力對(duì)表面硬度和粗糙度的影響最大，行距和滾光次數(shù)的影響次之，而滾光方向和滾光速度的影響可以忽略。值得說(shuō)明的是，由于受銑床進(jìn)給速度的限制，此次實(shí)驗(yàn)中的滾光速度遠(yuǎn)小于流體靜壓滾光工具的最大滾光速度，如果應(yīng)用于車床等滾光速度很大的場(chǎng)合，則應(yīng)注意加工過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題。

在企業(yè)實(shí)際的模具生產(chǎn)中，可根據(jù)具體的模具材料和模具用途，針對(duì)不同的表面性能要求，選擇合理的滾光工藝參數(shù)。此外，根據(jù)需要選擇表面性能和加工成本之間的平衡也十分重要。