丁志彤，趙 軍

(山東大學 a.機械工程學院 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室；b.機械工程國家級實驗教學示范中心，濟南 250061)

0 引言

模具是一種高附加值的技術密集型產品[1]，作為一種高效生產工具，其壽命與其表面質量關系密切[2]，適宜的表面強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)能的表面形變強化工藝，可以提高金屬構件或金屬表面鍍層的表面硬度[3]，降低表面粗糙度[4]，通過引入殘余壓應力[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加工的形位誤差。

A Rodríguez等[8]使用流體靜壓滾光工具對AISI 1045軸件進行滾光實驗，發(fā)現(xiàn)對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90%；實驗還發(fā)現(xiàn)對于硬度較低的金屬材料，并非滾光力越大，表面粗糙度越低，而是有一個最優(yōu)壓力區(qū)間(10～20MPa)。L N López de Lacalle等[9]在對AISIP20鋼的滾光實驗中發(fā)現(xiàn)，預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)為隨機性的形貌，且表面粗糙度明顯降低，降幅約94%；在對H13回火鋼的滾光實驗中，試樣硬度從52HRC提升到59HRC，且硬度的提升與滾光行距無明顯關系。

目前國內外對于流體靜壓滾光的研究中，極少有對于高硬度材料的滾光強化研究，且對于滾光工藝參數(shù)與加工后零件表面性能關系的研究不夠全面，幾乎沒有涉及全部參數(shù)變量的滾光實驗。此外，對于不同材料達到最佳強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象，其表面硬度高，且在工業(yè)生產中應用極為廣泛；通過對5個滾光工藝參數(shù)同時進行正交實驗，探究各參數(shù)對于滾光加工后表面性能的影響情況，解決以往研究中對滾光工藝參數(shù)研究不夠全面的問題。

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，對金屬或非金屬表面進行形變強化。其滾光力恒定，高壓流體經由保持器與滾珠之間的縫隙噴出，為滾光加工過程提供冷卻和潤滑[9]。流體靜壓滾光工藝加工效率高，工藝過程可控性好，可為模具等零件的生產提供巨大幫助。

流體靜壓球滾光的工藝參數(shù)主要有5個：滾光力、滾光速度、滾光方向、行距、滾光次數(shù)，如圖1所示。需要說明的是，流體靜壓滾光工藝中的滾光力，其大小可通過調整滾光工具配套的液壓泵壓力來精確控制；滾光方向定義為滾光速度方向和預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 球滾光正交實驗

2.1 實驗材料及實驗設備

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

實驗設備包括韓國大宇ACE-V500型三軸立式數(shù)控加工中心(最高轉速10000rpm)，德國ECOROLL流體靜壓球滾光工具，型號為 HG6-19E90-ZS20X，其主要性能參數(shù)如表3所示。工具前部為一個硬度極高的陶瓷滾珠，側邊連接提供高壓液體的高壓軟管，后部是一個直徑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，在滾光過程中，主軸只進給而不旋轉，主軸進給速度就是滾光工藝的滾光速度。由于銑床的進給速度遠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，無需考慮冷卻性能不足的問題。此外，與HG6-19滾光工具相配套的液壓泵也由ECOROLL公司生產，型號為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 正交實驗過程

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

預加工的銑削采用往復走刀策略，采用高壓冷風油霧冷卻潤滑，具體的銑削參數(shù)如表4及圖2所示。

表4 預加工銑削參數(shù)

圖2 銑削參數(shù)示意圖

正交實驗采用Taguchi方法，將5個參數(shù)分為1個2水平參數(shù)和4個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個滾光參數(shù)的分級與各級參數(shù)設置

表6 Taguchi L18矩陣對應的18組實驗所使用的參數(shù)

3 實驗結果與分析

3.1 滾光前后表面對比

使用Veeco Wyko NT9300光學輪廓儀對滾光前后表面進行觀察。采樣面積為2mm×2mm，對8號試驗組的觀測結果如圖3所示，滾光方向和預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

表面硬度測量采用華銀數(shù)顯洛氏硬度計，型號為200HRS-150，具有1470N載荷和120°金剛石錐壓入器，每組試樣隨機取10點進行測量后取算術平均值，點間距符合關于洛氏硬度測量的國家標準。

根據(jù)對照度組硬度58.6HRC，計算出硬度增量，使用DOE分析Taguchi實驗中各參數(shù)與實驗結果的S/N(記作ηHRC)，從而得到各參數(shù)對表面硬度增加程度的影響情況。設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)得到各組實驗的S/N：

(1)

其中，i代表試驗編號，n代表實驗組數(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中給出了各組實驗測得的表面硬度的平均值及S/N。

表7 正交實驗試樣表面硬度測量結果及S/N

圖4給出了5個滾光參數(shù)每個級別各參數(shù)水平關于硬度提升程度的S/N。其中硬度提升最大幅度可達8.36%，可以明顯地看出，流體靜壓滾光加工的壓強對于硬度的影響最大，且隨著壓強的增大，加工后表面硬度顯著提升。滾光行距和滾光次數(shù)對于表面硬度的提升影響次之，且在0.1mm～0.3mm的范圍內，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于表面硬度的影響較小，但是為了減少加工時間，應在機床允許的范圍內，盡可能選擇較大的滾光速度。

圖4 5個滾光參數(shù)對表面硬度的影響情況

3.3 表面粗糙度

表面粗糙度的測量采用Veeco Wyko NT9300光學輪廓儀進行測量，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雜，傳統(tǒng)的二維輪廓表面粗糙度評價方法，例如Ra、Rz等，其評價的合理性和準確性不及三維面域表面粗糙度，例如Sa、Sz等，因此本次實驗對于表面粗糙度的測量采用后一種評價標準。測量方法為在被加工表面上隨機選擇10點進行粗糙度測量，之后取算術平均值，計算其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，因此關于Sa值的信噪比計算，應選擇“越小越好”的方法。根據(jù)公式(2)得到各組實驗的S/N：

(2)

其中，i代表試驗編號，n代表實驗組數(shù)。據(jù)此計算出Sa值與五個滾光參數(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，最終的測量結果和計算結果在表8中列出。

表8 正交實驗試樣表面粗糙度的測量結果及S/N

圖5給出了5個滾光參數(shù)每個級別各參數(shù)水平關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，降幅達到71.35%，可以明顯地看出，滾光加工時液壓泵的壓強即滾光力大小對于表面粗糙度的降低影響最大，且壓強越大加工后的表面粗糙度越低；行距對滾光后Sa值的影響次之，且行距越大Sa值越高；為了達到較低的表面粗糙度，應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，值得強調的是，滾光次數(shù)的增加會直接導致滾光加工所需要的時間成倍增加，因此做好加工效果和加工時間、加工成本之間的平衡十分重要；滾光速度對于表面粗糙度的影響較小。此外，在對表面粗糙度面域極偏差Sz的測量和研究中也發(fā)現(xiàn)了與平均偏差Sa同樣的規(guī)律。

圖5 5個滾光參數(shù)對表面粗糙度Sa的影響情況

4 結論

本文使用Taguchi方法進行正交實驗，探究5種滾光參數(shù)對加工后SKD11模具鋼表面性能的影響。實驗發(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驗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小；5種滾光參數(shù)中，滾光力對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。值得說明的是，由于受銑床進給速度的限制，此次實驗中的滾光速度遠小于流體靜壓滾光工具的最大滾光速度，如果應用于車床等滾光速度很大的場合，則應注意加工過程中的發(fā)熱問題。

在企業(yè)實際的模具生產中，可根據(jù)具體的模具材料和模具用途，針對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。