強化研磨加工中噴射壓力對模具鋼表面硬度的影響*

陶建華，盧進星，黎達成，韓金剛，吳庭筠

(廣州大學a.機械與電氣工程學院；b.金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室，廣州 510006)

0 引言

現(xiàn)今模具加工市場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其使用壽命，然而由于熱處理依賴操作人員的經驗，所以造成模具質量良莠不齊，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]。本課題研究的強化研磨加工是一種集“強化塑性加工”和“研磨微切削”為一體的金屬表面冷加工方法[3]，是一種多工藝結合的復合加工工藝。噴丸強化是一種成熟的表面強化加工方法，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金屬零件表面進行加工。

1 實驗前的準備

1.1 強化研磨對模具表面硬度影響實驗方案

本實驗探討的是強化研磨工藝對模具表面硬度的影響，為了消除其他因素對實驗的影響，同時也方便將與上一章的實驗進行對比，故此實驗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)控強化研磨系統(tǒng)進行噴射壓力的影響實驗，采集實驗數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線，分析在不同工藝參數(shù)下對模具表面硬度的影響規(guī)律，確定在相同實驗條件的情況下最優(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號模具鋼鋼板，其化學主要成分是鐵(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

對于45號鋼鋼板材料進行熱處理，熱處理工藝為：正火800，淬火840，回火600。45號鋼淬火后沒有回火前，硬度大于HRC55。用作模具時需要進行回火處理，處理合格后的硬度一般為HRC50左右。其機械性能如表2所示[6]。在本章實驗中，由于研究的是強化研磨加工工藝對模具表面粗糙度的影響，故針對熱處理后的鋼板采用半精加工的方式來研究強化研磨工藝對表面粗糙度的影響，如此可真實反映強化研磨工藝可將模具表面的表面粗糙度降低到何種級別。

表2 45#模具鋼機械性能

實驗加工的45號鋼采用80號凈水砂紙進行打磨加工前后如圖1所示。采集實驗數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線，分析在不同噴射壓力下對模具表面硬度的影響規(guī)律。

圖1 打磨前后鋼板對比

1.3 強化研磨料的配比

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

表3 強化研磨料成分及配比

2 強化研磨對模具表面硬度影響實驗結果分析

2.1 表面硬度的評判

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

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軟硬的程度，方法是選一根一端軟一端硬的棒，將需要測試的材料沿棒劃過，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。

(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，方法是使用一個特制的小錘，從一定高度自由落下沖擊金屬材料，通過測量小錘的回跳高度來確定材料的硬度。

在本實驗中采用壓入硬度作為衡量模具鋼表面硬度標準，采用JMTT數(shù)字洛氏硬度計進行硬度測量，如圖2所示。對三塊模具鋼板進行硬度測量，每一個工藝參數(shù)選擇十個點進行測量，去除最大值和最小值，其余8個數(shù)值取平均值作為測量的硬度值。

圖2 數(shù)字洛氏硬度計

2.2 噴射壓力對表面硬度影響實驗結果分析

測量模具鋼板在不同噴射壓力下的表面硬度，實驗結果如表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噴頭移動速度為50mm/min，經強化研磨加工后的模具鋼板硬度整體提升。當噴射壓力由0逐漸增加時，硬度提升比較明顯，當噴射壓力再增大時，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，當噴射壓力增加到一定之后，彈塑性變形層的厚度增加量會越來越少，所表現(xiàn)的是表面硬度增加很緩慢，最后會趨于一個穩(wěn)定區(qū)域。

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

3 結論

通過數(shù)控強化研磨機對模具鋼板在不同的噴射壓力下分組進行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)，最后分析表4及圖3，得出如下結論:

(1)強化研磨加工工藝對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，噴射壓力對模具表面硬度的影響是一個逐漸上升的過程，最終增長速度會逐漸緩慢；

綜上所述，通過對模具鋼板進行強化研磨加工能有效地提高鋼板表層的硬度，從而達到提高模具的壽命。