磨料漿體射流拋光模具鋼的試驗(yàn)研究*

王榮娟， 王成勇， 文 武， 陳志樺

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣州 510006)

磨料漿體射流技術(shù)(micro abrasive slurry jet: MASJ)是在磨料水射流加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)[1]。磨料漿體射流是指將磨料、水和添加劑按一定比例制成懸浮漿體，再將其增壓通過微細(xì)噴嘴而形成集束性很強(qiáng)的非牛頓流體[2]。在非傳統(tǒng)加工技術(shù)中，磨料漿體射流因其具有初始成本低、無熱變形、無刀具磨損、集束性好、不改變材料的力學(xué)和化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是復(fù)雜幾何形狀硬脆材料最有潛力的微加工技術(shù)之一[3]，目前已成為一項(xiàng)新興的拋光方法而被廣泛研究應(yīng)用。

目前，對(duì)磨料漿體射流的拋光理論和工藝有待深入研究。本課題組在磨料射流拋光加工方面做了一些探索：LIAO等[4]研究了氧化鈰磨料漿體的制備及其性能，并對(duì)玻璃進(jìn)行加工，局部拋光表面粗糙度值可以達(dá)到10.24 nm；LUO等[5]研究了漿體射流的流變特性、流場(chǎng)特性和去除機(jī)理，認(rèn)為材料的去除形式主要有窄犁耕、微切削、疲勞塑性去除；CHEN等[6]對(duì)模具鋼進(jìn)行磨料水射流拋光試驗(yàn)，建立了拋光表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型；LUO等[7]研究了工件加工區(qū)域微觀形貌及磨料顆粒在加工前后的SEM圖片，探索MASJ的拋光機(jī)理。

在之前研究的基礎(chǔ)上，我們通過噴射試驗(yàn)，探索噴射時(shí)的壓力、靶距及磨料濃度等工藝參數(shù)對(duì)拋光加工工件表面質(zhì)量的影響，最終實(shí)現(xiàn)低壓磨料漿體射流拋光模具鋼的高效、可控和定量加工。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

MASJ加工試驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的磨料漿體射流機(jī)上進(jìn)行，其具體細(xì)節(jié)如文獻(xiàn)[1]所述。SKD12模具鋼是沒有經(jīng)過熱處理的且由平面磨床加工到粗糙度Ra=0.3 μm左右，鋼片的大小為24 mm×24 mm×3mm，硬度為HRC 21～25。

為探索加工參數(shù)對(duì)模具鋼表面粗糙度的影響規(guī)律，首先設(shè)置正交試驗(yàn)，初步求得各個(gè)參數(shù)的優(yōu)化組合。在課題組長期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)定試驗(yàn)的固定參數(shù)如表1所示。在表1中，磨料、工件、顆粒平均尺寸、添加劑、噴射角度、噴射次數(shù)、走刀間距和走刀速度等都是固定參數(shù)，拋光平面大小為6 mm×6 mm，加工路徑如圖1所示。采用L9(34)正交表，4因素分別為噴射壓力、靶距、噴嘴直徑和磨料濃度，其各自的水平如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)中的固定參數(shù)

圖1 MASJ拋光加工工件區(qū)域和拋光路徑

在進(jìn)行正交試驗(yàn)后可得到優(yōu)化的參數(shù)組合，并采用其參數(shù)組合進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究噴射壓力、顆粒尺寸、走刀速度、靶距等對(duì)模具鋼加工表面質(zhì)量的影響。馬爾粗糙度儀(MarSurf XR20)和超景深顯微鏡(KEYENCE VHX-600K)用于測(cè)量工件表面粗糙度和表面形貌。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。Ra′為工件拋光表面粗糙度Ra的提高率(Ra′=Ra/Ra1,Ra=Ra1-Ra2,Ra1是初始狀態(tài)下的粗糙度，Ra2是最終狀態(tài)的粗糙度)，用Ra′能更準(zhǔn)確地反應(yīng)磨料漿體射流的拋光效果。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(Ra′)進(jìn)行直觀分析得均值與極差如表3所示。由表3可知：試驗(yàn)第7組對(duì)應(yīng)的工件材料表面粗糙度最優(yōu)，其對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)為P3S1D3ρ2，即壓力0.7 MPa，靶距15 mm，噴嘴直徑0.5 mm和磨料濃度75 g/L。

表3 表面粗糙度的正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)極差表中的R值可知，磨料漿體射流拋光模具鋼的最優(yōu)參數(shù)組合為P3S1D3ρ1，即壓力0.7 MPa，靶距15 mm，噴嘴直徑0.5 mm和磨料濃度50 g/L。且各因素對(duì)材料表面粗糙度的影響作用大小排序?yàn)镈>S>P>ρ。

根據(jù)以上分析可知，極差直觀分析的結(jié)論和試驗(yàn)第7組結(jié)論不同，即磨料的濃度分別為50 g/L和75 g/L。為了比較2組試驗(yàn)的優(yōu)劣，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果是磨料濃度為50 g/L時(shí)，Ra′=0.307 9，低于75 g/L時(shí)的Ra′值(0.346 0)。故在后續(xù)的單因素加工中采用的磨料濃度為75 g/L。

2.2 走刀速度與磨料種類的影響

在P3S1D3ρ2條件下，走刀速度和不同磨料對(duì)模具鋼表面質(zhì)量的影響如圖2所示。從圖2可看出：磨料種類不同時(shí)，走刀速度在低于4 mm/s時(shí)，隨著走刀速度的增大，模具鋼表面粗糙度值急劇下降；走刀速度在大于4 mm/s時(shí)，模具鋼拋光表面粗糙度值逐漸增大；最優(yōu)走刀速度在4 mm/s左右，此時(shí)模具鋼表面粗糙度值最小。

圖2 走刀速度和磨料種類對(duì)模具鋼表面質(zhì)量的影響

2種磨料的走刀速度對(duì)Ra的影響規(guī)律一致。這是因?yàn)樽叩端俣群苄r(shí)，工件在單位面積內(nèi)的加工時(shí)長增加，單位體積內(nèi)的材料去除深度增大；走刀速度很大時(shí)，材料去除量不足，無法去除原有的粗糙加工表面。氧化鋁磨料的加工粗糙度值低，主要是因?yàn)?種磨料顆粒形狀不同：碳化硅顆粒形狀呈不規(guī)則棱形，而氧化鋁表面相對(duì)光滑且呈球形；氧化鋁的硬度低也是造成其加工后表面質(zhì)量相對(duì)較好的原因[8]。

圖3所示為使用不同磨料時(shí)，走刀速度對(duì)模具鋼拋光表面形貌的影響。

Al2O3：(a)未加工；(b)v=1 mm/s；(c)v=4 mm/s；(d)v=6 mm/s。

從圖3b、圖3f中可以看到：加工痕跡呈深、窄、密的特點(diǎn)；從圖3c、圖3g中也可以看到加工痕跡，但很均勻且相對(duì)平坦；圖3d、圖3h對(duì)應(yīng)的走刀速度很大，工件表面有明顯凸起，這是材料去除量不足造成的。氧化鋁加工的表面在走刀速度相同的情況下，表面質(zhì)量優(yōu)于碳化硅加工的表面，這和圖2的影響規(guī)律一致。

2.3 磨料尺寸與初始表面粗糙度的影響

在P3S1D3ρ2條件下，用不同尺寸的SiC對(duì)2種不同初始表面粗糙度的模具鋼進(jìn)行拋光加工，加工結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知：磨料漿體射流拋光加工后的模具鋼Ra值隨著磨料尺寸的增大而增大，基本成正比關(guān)系，而與初始Ra值無關(guān)。這是因?yàn)楫?dāng)磨料較細(xì)時(shí)，單顆磨粒的質(zhì)量較小，根據(jù)動(dòng)能定理，可知射流噴射在工件表面時(shí)，單顆磨粒與工件之間所產(chǎn)生的作用力小，在其他條件相同的情況下，材料去除量便相對(duì)較小。隨磨料顆粒變粗，動(dòng)能增大，磨粒與工件之間發(fā)生碰撞時(shí)，作用力也相應(yīng)增大，因而單顆磨粒的材料去除量便相應(yīng)增加。磨粒越大造成工件表面粗糙度值越高。這與傳統(tǒng)的砂輪拋光表面加工規(guī)律一致。

當(dāng)工件的表面初始Ra值不同時(shí)，磨料尺寸對(duì)工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律一致，說明初始Ra值對(duì)工件的表面質(zhì)量影響可以忽略不計(jì)。

圖4 磨料尺寸對(duì)不同初始Ra的模具鋼表面質(zhì)量的影響

2.4 噴射壓力的影響

圖5是在S1D3ρ2的條件下，噴射壓力對(duì)模具鋼表面質(zhì)量的影響。從圖5可以看出：噴射壓力在小于0.7 MPa時(shí)，Ra值隨噴射壓力增大而降低，在0.7 MPa左右達(dá)到最低值；當(dāng)噴射壓力繼續(xù)增大，Ra值也隨之增大。根據(jù)動(dòng)能定理和質(zhì)量守恒定律可知：漿體射流的沖擊力與漿體提供的壓力呈線性關(guān)系[9]，即壓力越大，射流對(duì)工件的沖擊力越大。磨料漿體主要靠拋光液中磨料粒子的徑向流動(dòng)對(duì)工件產(chǎn)生的徑向剪切應(yīng)力來去除材料[10]。故壓力越大材料去除量越大，容易使工件表面產(chǎn)生深壑，降低工件表面質(zhì)量；當(dāng)壓力過小時(shí)，材料無法去除，原有的粗糙工件表面沒有得到充分的加工。因此，當(dāng)壓力合適時(shí)，材料才能得到有效去除，表面粗糙度值也相應(yīng)較低。

圖5 噴射壓力對(duì)模具鋼表面質(zhì)量的影響

2.5 靶距的影響

在加工過程中，射流從噴嘴噴射到空氣中對(duì)工件進(jìn)行加工，因射流和空氣中的介質(zhì)產(chǎn)生摩擦而造成射流的能量損失，從而影響材料的加工性能。

圖6是P3D3ρ3條件下，靶距對(duì)不同壓力的模具鋼表面質(zhì)量的影響。從圖6可以看出：靶距在5 mm時(shí)工件Ra最低，且2種拋光壓力對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律一致。

圖6 靶距對(duì)不同壓力的模具鋼表面質(zhì)量的影響

出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要和射流噴射到空氣中的射流結(jié)構(gòu)有關(guān)。射流從噴嘴噴出的射流結(jié)構(gòu)分為初始段和主體段，初始段又分為等速核和混合區(qū)，故漿體射流也符合自由射流的射流結(jié)構(gòu)形式，且射流一般離開噴嘴后的速度是先增大，增大到一定值后保持一段距離，過后隨著射流和環(huán)境介質(zhì)的滲混，射流速度開始下降[9]。所以當(dāng)靶距很小時(shí)，射流沒有得到充分加速，動(dòng)能不足，造成工件的去除力不足；而靶距很大時(shí)，又因射流和空氣的滲混及摩擦造成能量損失而使去除力不足。

2.6 噴嘴直徑和走刀間距的影響

非淹沒磨料漿體射流從噴嘴噴出的流體，由于和空氣的滲混而出現(xiàn)發(fā)散。樊晶明通過PIV照片測(cè)量出射流束輪廓的擴(kuò)散角，認(rèn)為在噴嘴直徑相同時(shí)，射流束的擴(kuò)散角度會(huì)隨著空氣壓力的增大而呈近似線性的增加；噴嘴直徑越小，噴束擴(kuò)散角就越小[11]。因擴(kuò)散角的存在故選擇2種噴嘴直徑倍數(shù)的拋光間距進(jìn)行試驗(yàn)。在P3S1ρ2條件下，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 走刀間距對(duì)不同噴嘴直徑的模具鋼表面質(zhì)量的影響

從圖7中可以看出：拋光間距在1.25D時(shí)，模具鋼表面粗糙度值最低。這主要是因?yàn)楫?dāng)拋光間距較小時(shí)，材料表面出現(xiàn)重復(fù)加工，加工深度增大；而拋光間距過大時(shí)，拋光表面明顯出現(xiàn)拋光區(qū)和未拋光區(qū)，材料去除分布極不均勻，從而導(dǎo)致工件表面粗糙度值的急劇增大。從圖7中還發(fā)現(xiàn)：噴嘴直徑越小，工件的表面質(zhì)量越差。在靶距一定的情況下，噴嘴直徑小則噴束擴(kuò)散角小，漿體射流和空氣接觸面積小，射流的紊動(dòng)強(qiáng)度小，對(duì)外界大氣的摻混能力差，射流的集中性好，單位面積內(nèi)的加工能力強(qiáng)，因此工件表面加工深度增大，表面質(zhì)量變差。

圖8是走刀間距對(duì)不同噴嘴直徑的模具鋼拋光表面形貌的影響。從圖8中可以看出：拋光間距對(duì)工件表面形貌的影響和粗糙度值的影響規(guī)律一致，即拋光間距在1.25D時(shí)工件的表面形貌最好，且D=0.5 mm時(shí)的表面質(zhì)量優(yōu)于D=0.25 mm時(shí)的。

D=0.5 mm: (a)未加工;(b)N=D-0.1 mm;(c)N=1.25D;(d)N=2.5D。D=0.25 mm:(e)未加工;(f)N=D-0.1 mm;(g)N=1.25D;(h)N=2.5D。圖8 走刀間距對(duì)不同噴嘴直徑的模具鋼表面形貌的影響Fig. 8 Polishing pitch and nozzle diameter vs topography

2.7 磨料濃度的影響

其他參數(shù)不變，漿體磨料濃度的不同，意味著單位時(shí)間內(nèi)噴射到工件上的磨料顆粒數(shù)量不同。從理論上分析，在磨料顆粒之間不產(chǎn)生干擾的情況下，磨料漿體的濃度越高，射流截面上的磨料顆粒也越多，材料去除效率就越高。ZU等[12]認(rèn)為磨料濃度低于1 kg/L，顆粒之間的干擾可以忽略不計(jì)，高于1 kg/L的磨料將因粒子間的顆粒碰撞而失去部分動(dòng)能，轉(zhuǎn)換成了熱能散失在漿體中。

圖9是P3S1D3條件下，磨料濃度對(duì)模具鋼加工表面質(zhì)量的影響。從圖9可以看出：磨料濃度低于75 g/L時(shí)，Ra隨磨料濃度增大而減??；磨料濃度大于75 g/L時(shí)，Ra隨著濃度增大而增大；Ra在75 g/L時(shí)達(dá)到最低值。這是因?yàn)楫?dāng)磨料濃度較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)參與去除材料的顆粒量較少，故材料去除量不足；磨料濃度較大時(shí)，材料去除量較大，去除深度過大。

圖9 磨料濃度對(duì)不同初始Ra的模具鋼表面質(zhì)量的影響

3 結(jié)論

合理的工藝參數(shù)組合能有效提高磨料漿體射流拋光加工模具鋼的表面質(zhì)量。磨料漿體射流加工模具鋼的參數(shù)選擇，要符合各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

最優(yōu)的工藝參數(shù)為走刀速度4 mm/s、噴射壓力0.7 MPa、靶距5 mm、磨料濃度75 g/L，此時(shí)工件表面質(zhì)量最佳；氧化鋁磨料比碳化硅磨料拋光質(zhì)量高；當(dāng)走刀間距為1.25D時(shí)，表面粗糙度值最低，且噴嘴直徑越大表面Ra值越小。

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