陶建華，盧進(jìn)星，黎達(dá)成，韓金剛，吳庭筠

(廣州大學(xué)a.機(jī)械與電氣工程學(xué)院；b.金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006)

0 引言

現(xiàn)今模具加工市場(chǎng)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(zhǎng)其使用壽命，然而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[1]，模具在使用過程中造成的磨損絕大部分都發(fā)生在零件表層，約占模具磨損總量的99%[2]。本課題研究的強(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[3]，是一種多工藝結(jié)合的復(fù)合加工工藝。噴丸強(qiáng)化是一種成熟的表面強(qiáng)化加工方法，其基本原理是將大量的彈丸流高速(通常在50～90m/s)噴射到金屬零件的表面[4]。研磨是一種精密和超精密冷加工工藝，磨料在磨具的作用下對(duì)金屬零件表面進(jìn)行加工。

1 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

1.1 強(qiáng)化研磨對(duì)模具表面硬度影響實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)探討的是強(qiáng)化研磨工藝對(duì)模具表面硬度的影響，為了消除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，同時(shí)也方便將與上一章的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，故此實(shí)驗(yàn)工件采用精加工后的45#鋼板。取一塊精加工后的45#鋼板，尺寸為200×100。采用數(shù)控強(qiáng)化研磨系統(tǒng)進(jìn)行噴射壓力的影響實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線，分析在不同工藝參數(shù)下對(duì)模具表面硬度的影響規(guī)律，確定在相同實(shí)驗(yàn)條件的情況下最優(yōu)的噴射壓力。

1.2 鋼板的精加工處理

試樣采用厚度為10mm的45號(hào)模具鋼鋼板，其化學(xué)主要成分是鐵(Fe)元素，含有一些少量元素如表1所示[5]。

表1 45#模具鋼元素成分

對(duì)于45號(hào)鋼鋼板材料進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為：正火800，淬火840，回火600。45號(hào)鋼淬火后沒有回火前，硬度大于HRC55。用作模具時(shí)需要進(jìn)行回火處理，處理合格后的硬度一般為HRC50左右。其機(jī)械性能如表2所示[6]。在本章實(shí)驗(yàn)中，由于研究的是強(qiáng)化研磨加工工藝對(duì)模具表面粗糙度的影響，故針對(duì)熱處理后的鋼板采用半精加工的方式來研究強(qiáng)化研磨工藝對(duì)表面粗糙度的影響，如此可真實(shí)反映強(qiáng)化研磨工藝可將模具表面的表面粗糙度降低到何種級(jí)別。

表2 45#模具鋼機(jī)械性能

實(shí)驗(yàn)加工的45號(hào)鋼采用80號(hào)凈水砂紙進(jìn)行打磨加工前后如圖1所示。采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線，分析在不同噴射壓力下對(duì)模具表面硬度的影響規(guī)律。

圖1 打磨前后鋼板對(duì)比

1.3 強(qiáng)化研磨料的配比

強(qiáng)化研磨料主要由強(qiáng)化鋼丸、研磨液和研磨粉等組成【7-9】，強(qiáng)化研磨料的配比均采用如表3所示的比例。

表3 強(qiáng)化研磨料成分及配比

2 強(qiáng)化研磨對(duì)模具表面硬度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表面硬度的評(píng)判

表面硬度是指工件表面抵抗變形或疲勞損傷的能力。其評(píng)判的是工件對(duì)外界物體入侵的抵抗能力，是比較材料軟硬的指標(biāo)。硬度的測(cè)量方法經(jīng)歷了接近三百年的發(fā)展[10]，所以產(chǎn)生了多種不同的測(cè)試方法，由此也就產(chǎn)生了不同的硬度標(biāo)準(zhǔn)。

硬度的分類方法主要分為以下幾種：

(1)劃痕硬度[11]。這種硬度主要是為了比較不同物質(zhì)軟硬的程度，方法是選一根一端軟一端硬的棒，將需要測(cè)試的材料沿棒劃過，根據(jù)劃痕出現(xiàn)的位置來確定硬度。一般而言，硬物劃出的劃痕比軟物劃出的劃痕長(zhǎng)。

(2)壓入硬度[12-13]。這種硬度是現(xiàn)階段使用最為廣泛也最為成熟的一種硬度類別。壓入硬度中又分為很多種，主要有洛氏硬度、布氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等。

(3)回跳硬度[14]。這種硬度也適用于金屬材料，方法是使用一個(gè)特制的小錘，從一定高度自由落下沖擊金屬材料，通過測(cè)量小錘的回跳高度來確定材料的硬度。

在本實(shí)驗(yàn)中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(cè)量，如圖2所示。對(duì)三塊模具鋼板進(jìn)行硬度測(cè)量，每一個(gè)工藝參數(shù)選擇十個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(cè)量的硬度值。

圖2 數(shù)字洛氏硬度計(jì)

2.2 噴射壓力對(duì)表面硬度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)量模具鋼板在不同噴射壓力下的表面硬度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 模具鋼板不同噴射壓力下的硬度(噴射壓力：MPa；

根據(jù)表4所示，繪制噴射壓力對(duì)模具鋼板表面硬度的規(guī)律曲線，如圖3所示。

圖3 噴射壓力與表面硬度規(guī)律曲線

根據(jù)噴射壓力與模具鋼板表面硬度變化曲線可知，在設(shè)定的加工條件：①噴頭直徑8mm；②噴頭據(jù)模具鋼板距離為45mm；③噴射角度45°；④噴頭移動(dòng)速度為50mm/min，經(jīng)強(qiáng)化研磨加工后的模具鋼板硬度整體提升。當(dāng)噴射壓力由0逐漸增加時(shí)，硬度提升比較明顯，當(dāng)噴射壓力再增大時(shí)，材料的硬度逐漸趨于水平增加不明顯。表面顯微組織如圖4～圖6所示。

圖4 加工前顯微圖

圖5 0.3MPa顯微圖

圖6 0.6MPa顯微圖

由材料表面顯微圖面所知，模具鋼板表面的塑性硬化層隨著噴射壓力的增大由無到有，表面的是表面硬度的增加，當(dāng)噴射壓力增加到一定之后，彈塑性變形層的厚度增加量會(huì)越來越少，所表現(xiàn)的是表面硬度增加很緩慢，最后會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域。

由圖4所示，模具鋼板表面存在表面裂紋，表面裂紋的存在會(huì)使模具在使用過程中產(chǎn)生張開型裂紋擴(kuò)展，很容易造成點(diǎn)蝕和表面剝落，影響模具的使用壽命。經(jīng)強(qiáng)化研磨后的模具鋼板，由于產(chǎn)生表面塑性硬化層的緣故，表面裂紋會(huì)明顯減少甚至消失，從裂紋源頭上減少疲勞磨損。同時(shí)，強(qiáng)化研磨后模具鋼板存在殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力一方面可以抵消部分加載在模具表面的載荷，從而提高模具的強(qiáng)度和使用壽命；另一方面，殘余壓應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展速率有很好的抑制作用[15]，同樣可以延長(zhǎng)模具的使用壽命。

3 結(jié)論

通過數(shù)控強(qiáng)化研磨機(jī)對(duì)模具鋼板在不同的噴射壓力下分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后分析表4及圖3，得出如下結(jié)論:

(1)強(qiáng)化研磨加工工藝對(duì)模具表面硬度有顯著效果，其加工后的表面硬度可由50HRC提升至53～54HRC；

(2)在一定加工條件下，噴射壓力對(duì)模具表面硬度的影響是一個(gè)逐漸上升的過程，最終增長(zhǎng)速度會(huì)逐漸緩慢；

綜上所述，通過對(duì)模具鋼板進(jìn)行強(qiáng)化研磨加工能有效地提高鋼板表層的硬度，從而達(dá)到提高模具的壽命。