不锈钢薄壁材料工件自动化机械抛光技术优化探讨

2020-01-19商爱莉宋磊

中国设备工程 2020年5期

商爱莉，宋磊

（1.山东景闰工程研究设计有限公司，山东日照 250000；2.日照钢铁控股集团有限公司，山东日照 276806）

1 设计思路

第一步要做的是给这项技术提供最基本的理论依据，所以要按照不锈钢工件的情况建立表面材料去除率理论模型和工件的表面粗糙程度的模型。（1）建立了工件表面材料去除率模型，其中用到的是磨粒磨削理论和弹塑性力学等，这个模型从微观的角度说明了磨粒和有关的工艺参数跟材料去除率之间有什么样的关系。模型所表达出的关系为：材料去除率与组织号、磨具粒度大小成一个非线性的关系，与工件的圆周线速度和进给速度、法向抛光压力、磨具旋转时所用的切线速度成正比例关系。（2）还建立了工件表面的粗糙度和抛光的工艺参数之间的关系模型，建立时使用的时回归分析和正交实验的方法，从建立的模型中可以得到：加工表面粗糙度与工作圆周线速度、工件的进给速度和法向抛光压力成正比，与磨具旋转速度成反比。在进行这两个模型建立和研究时，需要用到数学仿真和实验验证相结合的方法，结果表面理论和实验的所得结果有很完美的一致性，证明了两种建模方法和所建模型的准确性，有利于自动化机械抛光技术的发展。

第二步在进行抛光时，提出了一种分别能给工件的内表面和外表面进行抛光的多工位多磨具自动化机械抛光技术，用以满足高效抛光的要求。主要的技术要求是这样抛光技术的机床的结构设计、同步调整各工位姿态的装置的设计、装夹工件的夹具的设计，并且根据这些需要的技术设计来制造出多工位多磨具机械抛光机床的自动化控制系统。由于在实际生产加工过程中，磨具需要与工件形状做到自适应，所以提出了一种以示教法为基础的抛光刀位数据生成方法，并将其应用于自动化抛光系统。

与现阶段施行的抛光工艺相结合，得到了适合应用于不锈钢薄壁材料小家电自动化机械抛光的一套工艺方法。根据工件的实际形状特征，对其表面进行分块处理，采用设计的自动化机械抛光方案，抛光道具的轨迹采用螺旋式抛光路径，并且对道具轨迹的计算方法做了研究。经过一系列的试验，并且与现行的抛光技术所得经验相结合，得出了一套用于不锈钢薄壁材料小家电自动机械化抛光的工艺流程。

抛光需要的不仅仅是质量，除质量外非常重要的一点就是效率。我们需要对抛光的工艺参数进行优化，从而在保证质量的同时提高效率。以材料去除率和表面粗糙度的值作为目标，采用正交的试验方法，获得在确定的试验条件下最优的工艺参数组合。通过试验得到工件表面材料去除率与工件的圆周线和进给速度、法向抛光压力、磨具切线速度成正比，表面粗糙度与上述除磨具切线速度的其他三项成正比，而与磨具切线速度成反比。

通过上述的各项研究，使用选择得出的最佳参数组合，在设计好的机床上进行电热水壶的批量抛磨实验。通过试验发现，抛光得到的工件表面粗糙度低、质量均匀，达到了企业的要求，整个过程基本无污染，效率较手工抛光提高了三倍，证明了研究的正确性和可行性，确定了多工位多磨具机械化自动抛光方的地位。

2 不锈钢薄壁材料小家电现状

2.1 市场现状

以电热水壶作为示例，它是一种方便快捷、操作简便、安全卫生、使用寿命较长的满足人们饮水需求的小家电。有关数据显示，全球的电热水壶来自中国的有90%，中国是目前世界上最大的电热水壶市场。电热水壶在国内生产只有20 年的时间，产品主要作为出口，在国内的销售时间也只有15 年，虽然时间短暂，但发展十分迅速。所以就目前来看，电热水壶等类似产品在我国普及率较低，根据调查，普及率大概还不足30%，所以有非常广阔的市场。

2.2 材料性能

不锈钢的小家电有非常多的种类，NTK D-11 和SUS304 型号是最常用的不锈钢型号。而且NTK D-11 新钢种正在凭借价格和性价比优势逐渐取代SUS304 成为生产的主要原材料。在加工的过程中，不锈钢会因为压力和焊接使得表面形成一层氧化皮，这层或黑色或灰色的氧化皮粗糙度非常大，影响着产品的外观以及使用，所以抛光成为一个非常重要的环节，它不仅使产品更加美观，而且提升了产品的质量。常用的NTK D-11 不锈钢在抛光时有以下特点：（1）抛光时产生的碎屑容易黏附在表面，而且会堵塞砂轮。（2）在磨削的过程中，会需要较高的温度，因此，会造成加工表面的烧伤。因为不锈钢的导热能力差，在加工的过程中，摩擦产生的大量的热由于磨轮和工件的挤压无法迅速散出，因此，使得工件表面被烧伤。（3）加工完成后易硬化。由于抛光过程中的高温，工件表面有时候会出现退火现象。（4）工件容易发生变形。不锈钢具有较好的塑性和延展性，加工过程中很容易出现塑性变形。（5）加工时夹装困难。不锈钢的韧性大，但是壁薄，在加工时使用机械夹装的方法夹装工件，会因为颤振产生波纹，大大影响质量。

3 技术优化的目的

现在大部分企业在生产制造不锈钢产品时所用的抛光方式都是手工，很大的问题是质量不稳定、效率低、会造成环境污染等。要想提高竞争力，让不锈钢薄壁材料小家电获得更好更快的发展，在抛光技术方面必须有所改进。本篇文章探索的就是研究出能满足大中小不锈钢产品生产企业的抛光设备，并且以此设备为基础，运用先进的工艺，做到抛光过程的全自动化。这样可使抛光的效率得到提高，质量得到保证，同时减少环境的污染，将不锈钢产品生产企业从低效的手工抛光中解放了出来。

4 自动化抛光技术

现在，国外已经针对复杂曲面的抛光技术做了很多的研究并且取得了成果，抛光系统正在变得智能化、网络化、自动化。但是，从成果来看，主要针对的工件为自由曲面和光学镜片，而且采用机器人的抛光方式，这样的抛光面积小，对加工效率的要求不高。如此方法显然不适用于电热水壶这种较大且生产质量数量和速度都要求较高的工件的生产。而且专门针对电热水壶的自动化抛光技术还在以传统的手工抛光为基础，具有非常大的局限性。所以，研究出一套专门适用于不锈钢电热水壶的自动化抛光技术和工艺就非常有必要。针对性地研发就要对不锈钢薄壁工件材料去除率模型进行分析。通过建立的磨粒的去材料率关系的理论模型，并且进行仿真试验得知：磨具旋转的线速度、工件圆周线速度、法向抛光压力和工件进给速度是影响工件表面材料去除率的主要因素，并且随着它们的增大而增大。仿真与试验得到的结果一致，显示了模型是可行的。之后又以回归分析和正交实验的方法为基础建立了表面粗糙程度和抛光工艺参数之间的模型，工件表面粗糙程度随磨具旋转切线速度增大而减小，其他三项都成正比。仿真与实验结果是一致的，也显示着实验的准确性。由此，我们就获得了设计自动抛光技术的理论基础。