基于注塑模具钢研磨和抛光工序的自动化表面处理
摘要
本文研究了注塑模具钢自动研磨与球面抛光加工工序的可能性，这种注塑模具钢PDS5的塑性曲面是在数控加工中心完成的。这项研究已经完成了磨削刀架的设计与制造。最佳表面研磨参数是在钢铁PDS5 的加工中心测定的。对于PDS5注塑模具钢的最佳球面研磨参数是以下一系列的组合：研磨材料的磨料为粉红氧化铝，进给量500毫米/分钟，磨削深度20微米，磨削转速为18000RPM。用优化的参数进行表面研磨，表面粗糙度Ra值可由大约1.60微米改善至0.35微米。用球抛光工艺和参数优化抛光，可以进一步改善表面粗糙度Ra值从0.343微米至0.06微米左右。在模具内部曲面的测试部分，用最佳参数的表面研磨、抛光，曲面表面粗糙度就可以提高约2.15微米到0 0.07微米。
关键词:自动化表面处理抛光磨削加工表面粗糙度田口方法
一、引言
塑胶工程材料由于其重要特点,如耐化学腐蚀性、低密度、易于制造,并已日渐取代金属部件在工业中广泛应用。注塑成型对于塑料制品是一个重要工艺。注塑模具的表面质量是设计的本质要求,因为它直接影响了塑胶产品的外观和性能。加工工艺如球面研磨、抛光常用于改善表面光洁度。
研磨工具(轮子)的安装已广泛用于传统模具的制造产业。自动化表面研磨加工工具的几何模型将介绍。自动化表面处理的球磨研磨工具将得到示范和开发。磨削速度, 磨削深度，进给速率和砂轮尺寸、研磨材料特性（如磨料粒度大小）是球形研磨工艺中主要的参数，如图1（球面研磨过程示意图）所示。注塑模具钢的球面研磨最优化参数目前尚未在文献得到确切的依据。
图1 球面研磨过程示意图
近年来 ，已经进行了一些研究，确定了球面抛光工艺的最优参数(图2) （球面抛光过程示意图）。 比如，人们发现, 用碳化钨球滚压的方法可以使工件表面的塑性变形减少,从而改善表面粗糙度、表面硬度、抗疲劳强度。 抛光的工艺的过程是由加工中心和车床共同完成的。对表面粗糙度有重大影响的抛光工艺主要参数，主要是球或滚子材料，抛光力， 进给速率,抛光速度,润滑、抛光率及其他因素等。注塑模具钢PDS5的表面抛光的参数优化，分别结合了油脂润滑剂，碳化钨球,抛光速度200毫米/分钟,抛光力300牛，40微米的进给量。采用最佳参数进行表面研磨和球面抛光的深度为2.5微米。 通过抛光工艺，表面粗糙度可以改善大致为40％至90％。
图2 球面抛光过程示意图
步距
研磨高度
球磨研磨
进给速度
工作台
进给
研磨球
工作台
研磨深度
研磨表面
此项目研究的目的是，发展注塑模具钢的球形研磨和球面抛光工序，这种注塑模具钢的曲面实在加工中心完成的。表面光洁度的球研磨与球抛光的自动化流程工序，如图3所示。我们开始自行设计和制造的球面研磨工具及加工中心的对刀装置。利用田口正交法，确定了表面球研磨最佳参数。选择为田口L18型矩阵实验相应的四个因素和三个层次。用最佳参数进行表面球研磨则适用于一个曲面表面光洁度要求较高的注塑模具。为了改善表面粗糙, 利用最佳球面抛光工艺参数，再进行对表层打磨。
图3自动球面研磨与抛光工序的流程图
二、球研磨的设计和对准装置
实施过程中可能出现的曲面的球研磨,研磨球的中心应和加工中心的Z轴相一致。球面研磨工具的安装及调整装置的设计，如图4（球面研磨工具及其调整装置）所示。电动磨床展开了两个具有可调支撑螺丝的刀架。磨床中心正好与具有辅助作用的圆锥槽线配合。拥有磨床的球接轨,当两个可调支撑螺丝被收紧时，其后的对准部件就可以拆除。研磨球中心坐标
偏差约为5微米, 这是衡量一个数控坐标测量机性能的重要标准。 机床的机械振动力是被螺旋弹簧所吸收。球形研磨球和抛光工具的安装，如图5（a. 球面研磨工具的图片. b.球抛光工具的图片）所示。为使球面磨削加工和抛光加工的进行，主轴通过球锁机制而被锁定。
图4 球面研磨工具及其调整装置
图5 a. 球面研磨工具的图片. b.球抛光工具的图片
模柄
弹簧
工具可调支撑
紧固螺钉
磨球
自动研磨 磨球组件
三、矩阵实验的规划
3.1田口正交表
利用矩阵实验田口正交法，可以确定参数的有影响程度。 为了配合上述球面研磨参数，该材料磨料的研磨球(直径10毫米),进给速率，研磨深度,在次研究中电气磨床被假定为四个因素，指定为从A 到D （见表1实验因素和水平）。三个层次的因素涵盖了不同的范围特征,并用了数字1、2、3标明。挑选三类磨料,即碳化硅,白色氧化铝,粉红氧化铝来研究. 这三个数值的大小取决于每个因素实验结果。选定L18型正交矩阵进行实验，进而研究四——三级因素的球形研磨过程。
表1实验因素和水平
因素
水平
1
2 3 A. 碳化硅 白色氧化铝
粉红氧化铝
B.
50 100 200 C.研磨深度（µm ）
20 50 80 D.
12000
18000
24000
3.2数据分析的界定
工程设计问题,可以分为较小而好的类型,象征性最好类型,大而好类型，目标取向类型等。 信噪比(S/N)的比值，常作为目标函数来优化产品或者工艺设计。 被加工面的表面粗糙度值经过适当地组合磨削参数，应小于原来的未加工表面。 因此,球面研磨过程属于工程问题中的小而好类型。这里的信噪比（S/N ）,η,按下列公式定义:
η =−10 log 10 平方等于质量特性
=−10 log 10⎥⎦⎤
⎢⎣⎡∑=n i i y n 121 （1）
这里，
y i ——不同噪声条件下所观察的质量特性 n ——实验次数
从每个L18型正交实验得到的信噪比（S/N ）数据，经计算后，运用差异分析技术(变异)和歼比检验来测定每一个主要的因素。 优化小而好类型的工程问题问题更是尽量使η最大而定。各级η选择的最大化将对最终的η因素有重大影响。 最优条件可视研磨球而待定。
四、实验工作和结果
