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8Fang-Jung Shiou · Chao-Chang A. Chen · Wen-Tu Li
注塑模表面自動化磨削和拋光的過程
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)控加工中心中對注塑模上任意一個自由表面進行自動化磨削和拋光過程的可能性。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，進給速度為。通過使用最佳磨削參數(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：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)品中是一個重要的成形過程。表面加工的質(zhì)量是注塑模的一個重要要求，因為它直接影響塑膠產(chǎn)品的外觀。加工過程中的拋光和研磨被普遍使用來改善工件表面光潔度。
展開磨削已被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)模具加工行業(yè)。展開磨削的自動化表面加工過程的幾何模型將在【1】中介紹。球面磨削加工使自動化表面加工系統(tǒng)被提高了【2】。磨削速度，切削深度，進給速度，磨具屬性，如研磨材料和磨料粒大小，在球形磨削過程中起主導(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。
近幾年來，一些確定拋光過程最佳參數(shù)的研究已經(jīng)進在行了。舉例來說，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，抗疲勞強度[ 3-6 ] 。拋光過程是通過加工中心[ 3，4]和車床[ 5 ，6 ] 來完成年的。主要拋光參數(shù)對球或滾子材料的表面的粗糙度具有重大作用，拋光力，進給速度，拋光速度，潤滑，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滑劑，碳化鎢材料，拋光速度，拋光力，進給 [ 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。通過拋光過程來改善表面粗糙度的概率一般在到 [ 3-7 ] 。
圖1.磨削過程示意圖
圖2 .拋光過程示意圖
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。自動化表面磨削和拋光過程的流程圖如圖。我們給加工中心設(shè)計和制造球面磨削工具及其對準裝置，最佳球面磨削參數(shù)的特定是利用Taguchi正交矩陣方法。四個因素和三個相應(yīng)條件，然后挑選Taguchi正交矩陣方法矩陣進行實驗。表面研磨的最佳展開球面磨削參數(shù)被應(yīng)用到自由曲面加工過程中。用最佳球面拋光參數(shù)來改善表面粗糙度和光潔度。
2 設(shè)計球面磨削工具及其對準裝置
從自由表面的球面磨削過程進行的可能性看，球面磨削中心應(yīng)在加工中心的軸，展開磨削的工具及調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計如圖所示。電動磨床是安裝在兩個可調(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齊組件和圓錐形凹線進行的良好的排列。排列好的研磨球被兩個可調(diào)螺釘固定，之后，對準元件可以被撤銷。球面磨床的中心坐標和它的偏差在左右，它是由數(shù)控坐標測量機測量。機床振動導(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，不論磨削過程還是拋光過程由主軸鎖定。
圖.4.球面磨床工具及其調(diào)整示意圖
3 矩陣實驗的步驟
3.1 Taguchi正交陣列的結(jié)構(gòu)
用Taguchi正交矩陣[ 8 ]做矩陣實驗要求那些參數(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），進給速度，磨削深度，電動磨床的轉(zhuǎn)速被選定為四個實驗因素（參數(shù)）并被指定為因子A至D （見表1 ）。并為每個素設(shè)定了3個等級來包含它們所涉及的范圍，用數(shù)字1、2、3來標識。每個因素的3個
表1 .實驗因素和層次
因素 等級
1
2
3
:研磨材料
WA
,PA
:進給速度
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)上來確定。第四個因素的第三級的磨削過程用正交矩陣來進行矩陣實驗。
3.2 數(shù)據(jù)分析
工程設(shè)計上的問題可以分成越小越好的類型，額定最佳類型，越大越好的類型，標記目標類型，其中還包括[ 8 ] 。該信號和噪音（）的比例是用來作為優(yōu)化產(chǎn)品或工藝設(shè)計的目標函數(shù)。經(jīng)過磨削參數(shù)的組合，其表面粗糙度值應(yīng)小于原來表面的粗糙度值。因此，球面磨削過程是越小越好類型問題的一個例子。該比，，是指由下列方程[ 8 ]定義的 ：
（1）
結(jié)果：
：觀測表明，質(zhì)量特性是根據(jù)不同的噪聲條件來確定的
n ：多次實驗
每個 正交矩陣計算的的比值顯示，每個因素的主要影響是由不同技術(shù)的分析和方差測試的結(jié)果來決定的 [ 8 ] 。解決越小越好問題的的最佳方法是取的最大值，由公式1來定義的。各個因素的最大值的選定將對有重大影響，然后就能確定球面磨削的最佳條件。
圖.6.實驗設(shè)置來確定最佳的球面磨削參數(shù)
4 實驗工作及結(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)熱處理的進一步加工過程。該產(chǎn)品的設(shè)計制造使它們可以被要求裝在動力架上來測量其動力。經(jīng)過簡單加工，然后裝在動力架上對3坐標加工中心進行測量，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。運用Hommelwerke T4000設(shè)備對預(yù)加工表面粗糙度的測量，大約為。圖6顯示了實驗開始時的球面磨削過程，由Renishaw公司生產(chǎn)的觸發(fā)器結(jié)合加工中心刀具參數(shù)來測量和協(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的測量和用公式1計算每個正交矩陣的值，然后進行真叫矩陣材料實驗。通過的平均值可以得到每個級別的4個因素，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 . 標本表面粗糙度
年限
序號
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1
8.099
7.655
9.110
6.770
等級2
5.778
7.453
7.067
8.028
等級3
8.408
7.176
6.107
7.486
結(jié)果
2.630
0.479
3.003
1.258
等級
2
4
1
3
平均值
.428
其目的在于將磨削過程中的表面粗糙度值減到最小，確定每項因素的最佳等級。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，我們能確定每一項因素的最佳等級。其最高值為。因此，基于矩陣實驗，最佳研磨材料是粉紅氧化鋁（,PA），最佳進給速度為，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
研磨材料
,PA
進給速度
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
17
匯集誤差
13
3.424
分析每一項因素的主要原因，進一步采用方差分析技術(shù)和F對比檢驗，以確定其定義（見表5）根據(jù)F分布表，是指F值在時，廢品率為，自由度數(shù)為2，匯集誤差為13.F值若大于，對表面粗糙度值有重大影響，因此，進給速度和磨削深度對表面粗糙度有重大影響。
表6 .被測樣品經(jīng)實驗測得的表面粗糙度值
年限。序號
實測值（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
通過觀察五個驗證實驗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)進一步拋光。通過拋光后，表面粗糙度值可能達到。圖8顯示的是用30倍的的顯微鏡對拋光后的表面粗糙度進行觀察。拋光后預(yù)加工表面的粗糙度改進大約為。
從Taguchi正交矩陣實驗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價表面粗糙度的改善。 1個香料被選定為測試載體。數(shù)控加工的模具，亞塞特為測試對象，模擬銑床 CAM軟件。模具插入進的地面與最優(yōu)球面磨削參數(shù)取自田口的矩陣實驗。拋光與最佳球拋光是地面的參數(shù)，以進一步改善表面粗糙度的測試對象（見圖9 ） 。表面粗糙度模具插入測量儀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，以及對拋光表面的平均值為。通過實驗后表面粗糙度的改進，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香水瓶
5 結(jié)論
這篇文章中，在一個加工中心對注塑模表面自動化磨削和拋光過程的最佳參數(shù)已經(jīng)研究出來。掛接球面磨削工具（和其對齊元件）的設(shè)計和制造方法 。最佳球面磨削參數(shù)是通過Taguchi的矩陣實驗來確定的。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，進給速度，拋光深度的，轉(zhuǎn)速。利用最佳磨削參數(shù)來進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用最佳表面研磨和拋光參數(shù)，測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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