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8Fang-Jung Shiou · Chao-Chang A. Chen · Wen-Tu Li
注塑模表面自動(dòng)化磨削和拋光的過(guò)程
發(fā)表日期： 2004年3月30日： 2004年7月5日 網(wǎng)上公布： 2005年3月30日?斯普林格-柏林出版社，倫敦有限公司2005年
摘要：本文探討在數(shù)控加工中心中對(duì)注塑模上任意一個(gè)自由表面進(jìn)行自動(dòng)化磨削和拋光過(guò)程的可能性。作者在本文中已經(jīng)完成了磨削和拋光工具的設(shè)計(jì)和制造。在加工中心的注塑模使用Taguchi正交矩陣方法確定其最佳表面磨削參數(shù)。注塑模的最佳表面參數(shù)為：磨削材料為 ，磨削速度為，磨削深度為，進(jìn)給速度為。通過(guò)使用最佳磨削參數(shù)的平磨可使其表面粗糙度從提高到，使用最佳拋光參數(shù)的拋光過(guò)程可使其表面粗糙度從提高到，將最佳表面磨削和拋光參數(shù)運(yùn)用到自由表面模腔，其部分表面粗糙度值可從提高到。
關(guān)鍵字：自動(dòng)表面拋光，拋光加工，磨削加工，表面粗糙度，Taguchi方法
1 介紹
塑料是重要的工程材料，由于其具有特定的特點(diǎn)：如耐腐蝕性，抗化學(xué)品的腐蝕，密度低，并且易于制造，在工業(yè)應(yīng)用上已日益取代金屬部件。注射成型工藝在塑料產(chǎn)品中是一個(gè)重要的成形過(guò)程。表面加工的質(zhì)量是注塑模的一個(gè)重要要求，因?yàn)樗苯佑绊懰苣z產(chǎn)品的外觀。加工過(guò)程中的拋光和研磨被普遍使用來(lái)改善工件表面光潔度。
展開(kāi)磨削已被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)模具加工行業(yè)。展開(kāi)磨削的自動(dòng)化表面加工過(guò)程的幾何模型將在【1】中介紹。球面磨削加工使自動(dòng)化表面加工系統(tǒng)被提高了【2】。磨削速度，切削深度，進(jìn)給速度，磨具屬性，如研磨材料和磨料粒大小，在球形磨削過(guò)程中起主導(dǎo)作用，如圖1所示。注塑模具的最優(yōu)球面磨削參數(shù)尚未被證實(shí)。
近幾年來(lái)，一些確定拋光過(guò)程最佳參數(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)在行了。舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)塑料變形可使工件表面減少使用碳化鎢材料，從而改善其表面粗糙度，表面硬度，抗疲勞強(qiáng)度[ 3-6 ] 。拋光過(guò)程是通過(guò)加工中心[ 3，4]和車(chē)床[ 5 ，6 ] 來(lái)完成年的。主要拋光參數(shù)對(duì)球或滾子材料的表面的粗糙度具有重大作用，拋光力，進(jìn)給速度，拋光速度，潤(rùn)滑，其他的拋光途徑，其中包括[ 3 ] 。注塑模的最佳表面拋光參數(shù)是一種組合的油脂潤(rùn)滑劑，碳化鎢材料，拋光速度，拋光力，進(jìn)給 [ 7 ] 。拋光表面采用最佳球面拋光參數(shù)的滲透速度為2.5微米。通過(guò)拋光過(guò)程來(lái)改善表面粗糙度的概率一般在到 [ 3-7 ] 。
圖1.磨削過(guò)程示意圖
圖2 .拋光過(guò)程示意圖
本研究的主要目的是提高加工中心注塑模具自由表面的磨削和拋光光潔度。自動(dòng)化表面磨削和拋光過(guò)程的流程圖如圖。我們給加工中心設(shè)計(jì)和制造球面磨削工具及其對(duì)準(zhǔn)裝置，最佳球面磨削參數(shù)的特定是利用Taguchi正交矩陣方法。四個(gè)因素和三個(gè)相應(yīng)條件，然后挑選Taguchi正交矩陣方法矩陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表面研磨的最佳展開(kāi)球面磨削參數(shù)被應(yīng)用到自由曲面加工過(guò)程中。用最佳球面拋光參數(shù)來(lái)改善表面粗糙度和光潔度。
2 設(shè)計(jì)球面磨削工具及其對(duì)準(zhǔn)裝置
從自由表面的球面磨削過(guò)程進(jìn)行的可能性看，球面磨削中心應(yīng)在加工中心的軸，展開(kāi)磨削的工具及調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)如圖所示。電動(dòng)磨床是安裝在兩個(gè)可調(diào)樞軸螺釘之間。該磨床中心的磨削球借助圓錐曲線溝槽的對(duì)齊組件和圓錐形凹線進(jìn)行的良好的排列。排列好的研磨球被兩個(gè)可調(diào)螺釘固定，之后，對(duì)準(zhǔn)元件可以被撤銷(xiāo)。球面磨床的中心坐標(biāo)和它的偏差在左右，它是由數(shù)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量。機(jī)床振動(dòng)導(dǎo)致的力被螺旋型彈簧吸收。球面磨削工具和球面拋光工具的安裝如圖所示，主軸被鎖，不論磨削過(guò)程還是拋光過(guò)程由主軸鎖定。
圖.4.球面磨床工具及其調(diào)整示意圖
3 矩陣實(shí)驗(yàn)的步驟
3.1 Taguchi正交陣列的結(jié)構(gòu)
用Taguchi正交矩陣[ 8 ]做矩陣實(shí)驗(yàn)要求那些參數(shù)的影響是有效地。為了配合上述球面磨削參數(shù)的要求，在本研究中磨削的材料（直徑10毫米），進(jìn)給速度，磨削深度，電動(dòng)磨床的轉(zhuǎn)速被選定為四個(gè)實(shí)驗(yàn)因素（參數(shù)）并被指定為因子A至D （見(jiàn)表1 ）。并為每個(gè)素設(shè)定了3個(gè)等級(jí)來(lái)包含它們所涉及的范圍，用數(shù)字1、2、3來(lái)標(biāo)識(shí)。每個(gè)因素的3個(gè)
表1 .實(shí)驗(yàn)因素和層次
因素 等級(jí)
1
2
3
:研磨材料
WA
,PA
:進(jìn)給速度
50
100
200
:磨削深度
20
20
80
:轉(zhuǎn)數(shù)
12000
18000
24000
數(shù)值要求在在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上來(lái)確定。第四個(gè)因素的第三級(jí)的磨削過(guò)程用正交矩陣來(lái)進(jìn)行矩陣實(shí)驗(yàn)。
3.2 數(shù)據(jù)分析
工程設(shè)計(jì)上的問(wèn)題可以分成越小越好的類(lèi)型，額定最佳類(lèi)型，越大越好的類(lèi)型，標(biāo)記目標(biāo)類(lèi)型，其中還包括[ 8 ] 。該信號(hào)和噪音（）的比例是用來(lái)作為優(yōu)化產(chǎn)品或工藝設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。經(jīng)過(guò)磨削參數(shù)的組合，其表面粗糙度值應(yīng)小于原來(lái)表面的粗糙度值。因此，球面磨削過(guò)程是越小越好類(lèi)型問(wèn)題的一個(gè)例子。該比，，是指由下列方程[ 8 ]定義的 ：
（1）
結(jié)果：
：觀測(cè)表明，質(zhì)量特性是根據(jù)不同的噪聲條件來(lái)確定的
n ：多次實(shí)驗(yàn)
每個(gè) 正交矩陣計(jì)算的的比值顯示，每個(gè)因素的主要影響是由不同技術(shù)的分析和方差測(cè)試的結(jié)果來(lái)決定的 [ 8 ] 。解決越小越好問(wèn)題的的最佳方法是取的最大值，由公式1來(lái)定義的。各個(gè)因素的最大值的選定將對(duì)有重大影響，然后就能確定球面磨削的最佳條件。
圖.6.實(shí)驗(yàn)設(shè)置來(lái)確定最佳的球面磨削參數(shù)
4 實(shí)驗(yàn)工作及結(jié)果
該材料用于工具鋼的研究[ 9 ] ，這是常用于在汽車(chē)部件和家用器具領(lǐng)域的大型注塑模具制品。這種材料的優(yōu)越性在于經(jīng)過(guò)加工后，模具可以直接用于其特殊前處理未經(jīng)熱處理的進(jìn)一步加工過(guò)程。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造使它們可以被要求裝在動(dòng)力架上來(lái)測(cè)量其動(dòng)力。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單加工，然后裝在動(dòng)力架上對(duì)3坐標(biāo)加工中心進(jìn)行測(cè)量，該加工中心由Yang-Iron公司生產(chǎn)，配備了FUNUC公司數(shù)控控制器。運(yùn)用Hommelwerke T4000設(shè)備對(duì)預(yù)加工表面粗糙度的測(cè)量，大約為。圖6顯示了實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的球面磨削過(guò)程，由Renishaw公司生產(chǎn)的觸發(fā)器結(jié)合加工中心刀具參數(shù)來(lái)測(cè)量和協(xié)調(diào)該制品。該拋光路徑由PowerMILL CAM軟件生成數(shù)控代碼。這些代碼可以同步傳送到數(shù)控加工中心的RS232串行接口中。
表2總結(jié)了表面粗糙度值Ra的測(cè)量和用公式1計(jì)算每個(gè)正交矩陣的值，然后進(jìn)行真叫矩陣材料實(shí)驗(yàn)。通過(guò)的平均值可以得到每個(gè)級(jí)別的4個(gè)因素，在表3中列表，其數(shù)字在表2中列出。其示意圖如圖7所示。
圖 .7 控制因素的影響
表2 . 標(biāo)本表面粗糙度
年限
序號(hào)
內(nèi)部陣列
（控制因素）
衡量表面
粗糙度值（）
結(jié)果
A
b
C
D
y1（μm）
y2(μm)
y3(μm)
S/N比例(dB)
平均值(μ m)
1
1
1
1
1
0.35
0.35
0.35
9.119
0.35
2
1
2
2
2
0.37
0.36
0.38
8.634
0.37
3
1
3
3
3
0.41
0.44
0.40
7.597
0.417
4
2
1
2
3
0.63
0.65
0.64
3.876
0.640
5
2
2
3
1
0.73
0.77
0.78
2.380
0.760
6
2
3
1
2
0.45
0.42
0.39
7.520
0.42
7
3
1
3
2
0.34
0.31
0.32
9.801
0.323
8
3
2
1
3
0.27
0.25
0.28
11.471
0.267
9
3
3
2
1
0.32
0.32
0.32
9.897
0.320
10
1
1
2
2
0.35
0.39
0.40
8.390
0.380
11
1
2
3
3
0.41
0.50
0.43
6.968
0.447
12
1
3
1
1
0.40
0.39
0.42
7.883
0.403
13
2
1
1
3
0.33
0.34
0.31
9.712
0.327
14
2
2
2
1
0.48
0.50
0.47
6.312
0.483
15
2
3
3
2
0.57
0.61
0.53
4.868
0.570
16
3
1
3
1
0.59
0.55
0.54
5.030
0.560
17
3
2
1
2
0.36
0.36
0.35
8.954
0.357
18
3
3
2
3
0.57
0.53
0.53
5.293
0.543
表3 . 各因素的比值的平均值（分貝）
因素
A
B
C
D
等級(jí)1
8.099
7.655
9.110
6.770
等級(jí)2
5.778
7.453
7.067
8.028
等級(jí)3
8.408
7.176
6.107
7.486
結(jié)果
2.630
0.479
3.003
1.258
等級(jí)
2
4
1
3
平均值
.428
其目的在于將磨削過(guò)程中的表面粗糙度值減到最小，確定每項(xiàng)因素的最佳等級(jí)。由于該函數(shù)為單調(diào)遞減函數(shù)，我們應(yīng)定量增大值。因此，我們能確定每一項(xiàng)因素的最佳等級(jí)。其最高值為。因此，基于矩陣實(shí)驗(yàn)，最佳研磨材料是粉紅氧化鋁（,PA），最佳進(jìn)給速度為，最佳磨削深度為，最佳轉(zhuǎn)速為。如表4所示。
表4 .球面磨削的最佳參數(shù)
因素
等級(jí)
研磨材料
,PA
進(jìn)給速度
50mm/min
磨削深度
20um
轉(zhuǎn)數(shù)
18000rpm
表5 .表面粗糙度比的方差分析表
因素
自由度
平方和
均方和
方差比
A
2
24.791
12.396
3.62
B
2
0.692
0.346
C
2
28.218
14.109
4.12
D
2
4.776
2.388
誤差
9
總計(jì)
17
匯集誤差
13
3.424
分析每一項(xiàng)因素的主要原因，進(jìn)一步采用方差分析技術(shù)和F對(duì)比檢驗(yàn)，以確定其定義（見(jiàn)表5）根據(jù)F分布表，是指F值在時(shí)，廢品率為，自由度數(shù)為2，匯集誤差為13.F值若大于，對(duì)表面粗糙度值有重大影響，因此，進(jìn)給速度和磨削深度對(duì)表面粗糙度有重大影響。
表6 .被測(cè)樣品經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的表面粗糙度值
年限。序號(hào)
實(shí)測(cè)值（Ra）
平均值（um）
S/N 比
Y1
Y2
Y3
1
0.30
0.31
0.33
0.313
10.073
2
0.36
0.37
0.36
0.363
8.802
3
0.36
0.37
0.37
0.367
8.714
4
0.35
0.37
0.34
0.353
9.031
5
0.33
0.36
0.35
0.347
9.163
平均值
0.349
9.163
通過(guò)觀察五個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得出了用最佳拋光參數(shù)的可重復(fù)性，如表6所示。該表面粗糙度值被測(cè)量是大約.用最佳組合的球面磨削參數(shù)可使表面粗糙度大概提高了約78 ％ 。表面用最佳拋光參數(shù)進(jìn)一步拋光。通過(guò)拋光后，表面粗糙度值可能達(dá)到。圖8顯示的是用30倍的的顯微鏡對(duì)拋光后的表面粗糙度進(jìn)行觀察。拋光后預(yù)加工表面的粗糙度改進(jìn)大約為。
從Taguchi正交矩陣實(shí)驗(yàn)獲得的最佳磨削參數(shù)應(yīng)用到表面光潔度的自由曲面的模具插入評(píng)價(jià)表面粗糙度的改善。 1個(gè)香料被選定為測(cè)試載體。數(shù)控加工的模具，亞塞特為測(cè)試對(duì)象，模擬銑床 CAM軟件。模具插入進(jìn)的地面與最優(yōu)球面磨削參數(shù)取自田口的矩陣實(shí)驗(yàn)。拋光與最佳球拋光是地面的參數(shù)，以進(jìn)一步改善表面粗糙度的測(cè)試對(duì)象（見(jiàn)圖9 ） 。表面粗糙度模具插入測(cè)量?jī)x器與霍梅爾有限公司 t4000設(shè)備。平均表面粗糙度值在未加工表面平均值;工件表面的平均值為，以及對(duì)拋光表面的平均值為。通過(guò)實(shí)驗(yàn)后表面粗糙度的改進(jìn)，工件表面大約為（ 2月15日-0 45 / 2 15 = 79 1 ％ ，拋光表面大約為（ 2月15日-0 07 / 2月15日= 96 7 ％ ）。
圖. 8 用30倍的模具顯微鏡觀測(cè)比較加工前工件表面和加工后工件表面
圖. 9磨削和拋光模具中插入一個(gè)香水瓶
5 結(jié)論
這篇文章中，在一個(gè)加工中心對(duì)注塑模表面自動(dòng)化磨削和拋光過(guò)程的最佳參數(shù)已經(jīng)研究出來(lái)。掛接球面磨削工具（和其對(duì)齊元件）的設(shè)計(jì)和制造方法 。最佳球面磨削參數(shù)是通過(guò)Taguchi的矩陣實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。最佳球面磨削參數(shù)是注塑模pds5是研磨材料粉紅氧化鋁（,PA）的組合，進(jìn)給速度，拋光深度的，轉(zhuǎn)速。利用最佳磨削參數(shù)來(lái)進(jìn)行表面磨削可以使表面粗糙度從提高到。模具的自由表面加工運(yùn)用最佳表面研磨和拋光參數(shù)，測(cè)量的表面粗糙度有很大的提高，磨削表面大概為，拋光表面大概為。
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