不銹鋼薄壁材料工件自動化機械拋光技術優化探討

商愛莉，宋磊

（1.山東景閏工程研究設計有限公司，山東 日照 250000；2.日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276806）

1 設計思路

第一步要做的是給這項技術提供最基本的理論依據，所以要按照不銹鋼工件的情況建立表面材料去除率理論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論和彈塑性力學等，這個模型從微觀的角度說明了磨粒和有關的工藝參數跟材料去除率之間有什么樣的關系。模型所表達出的關系為：材料去除率與組織號、磨具粒度大小成一個非線性的關系，與工件的圓周線速度和進給速度、法向拋光壓力、磨具旋轉時所用的切線速度成正比例關系。（2）還建立了工件表面的粗糙度和拋光的工藝參數之間的關系模型，建立時使用的時回歸分析和正交實驗的方法，從建立的模型中可以得到：加工表面粗糙度與工作圓周線速度、工件的進給速度和法向拋光壓力成正比，與磨具旋轉速度成反比。在進行這兩個模型建立和研究時，需要用到數學仿真和實驗驗證相結合的方法，結果表面理論和實驗的所得結果有很完美的一致性，證明了兩種建模方法和所建模型的準確性，有利于自動化機械拋光技術的發展。

第二步在進行拋光時，提出了一種分別能給工件的內表面和外表面進行拋光的多工位多磨具自動化機械拋光技術，用以滿足高效拋光的要求。主要的技術要求是這樣拋光技術的機床的結構設計、同步調整各工位姿態的裝置的設計、裝夾工件的夾具的設計，并且根據這些需要的技術設計來制造出多工位多磨具機械拋光機床的自動化控制系統。由于在實際生產加工過程中，磨具需要與工件形狀做到自適應，所以提出了一種以示教法為基礎的拋光刀位數據生成方法，并將其應用于自動化拋光系統。

與現階段施行的拋光工藝相結合，得到了適合應用于不銹鋼薄壁材料小家電自動化機械拋光的一套工藝方法。根據工件的實際形狀特征，對其表面進行分塊處理，采用設計的自動化機械拋光方案，拋光道具的軌跡采用螺旋式拋光路徑，并且對道具軌跡的計算方法做了研究。經過一系列的試驗，并且與現行的拋光技術所得經驗相結合，得出了一套用于不銹鋼薄壁材料小家電自動機械化拋光的工藝流程。

拋光需要的不僅僅是質量，除質量外非常重要的一點就是效率。我們需要對拋光的工藝參數進行優化，從而在保證質量的同時提高效率。以材料去除率和表面粗糙度的值作為目標，采用正交的試驗方法，獲得在確定的試驗條件下最優的工藝參數組合。通過試驗得到工件表面材料去除率與工件的圓周線和進給速度、法向拋光壓力、磨具切線速度成正比，表面粗糙度與上述除磨具切線速度的其他三項成正比，而與磨具切線速度成反比。

通過上述的各項研究，使用選擇得出的最佳參數組合，在設計好的機床上進行電熱水壺的批量拋磨實驗。通過試驗發現，拋光得到的工件表面粗糙度低、質量均勻，達到了企業的要求，整個過程基本無污染，效率較手工拋光提高了三倍，證明了研究的正確性和可行性，確定了多工位多磨具機械化自動拋光方的地位。

2 不銹鋼薄壁材料小家電現狀

2.1 市場現狀

以電熱水壺作為示例，它是一種方便快捷、操作簡便、安全衛生、使用壽命較長的滿足人們飲水需求的小家電。有關數據顯示，全球的電熱水壺來自中國的有90%，中國是目前世界上最大的電熱水壺市場。電熱水壺在國內生產只有20 年的時間，產品主要作為出口，在國內的銷售時間也只有15 年，雖然時間短暫，但發展十分迅速。所以就目前來看，電熱水壺等類似產品在我國普及率較低，根據調查，普及率大概還不足30%，所以有非常廣闊的市場。

2.2 材料性能

不銹鋼的小家電有非常多的種類，NTK D-11 和SUS304 型號是最常用的不銹鋼型號。而且NTK D-11 新鋼種正在憑借價格和性價比優勢逐漸取代SUS304 成為生產的主要原材料。在加工的過程中，不銹鋼會因為壓力和焊接使得表面形成一層氧化皮，這層或黑色或灰色的氧化皮粗糙度非常大，影響著產品的外觀以及使用，所以拋光成為一個非常重要的環節，它不僅使產品更加美觀，而且提升了產品的質量。常用的NTK D-11 不銹鋼在拋光時有以下特點：（1）拋光時產生的碎屑容易黏附在表面，而且會堵塞砂輪。（2）在磨削的過程中，會需要較高的溫度，因此，會造成加工表面的燒傷。因為不銹鋼的導熱能力差，在加工的過程中，摩擦產生的大量的熱由于磨輪和工件的擠壓無法迅速散出，因此，使得工件表面被燒傷。（3）加工完成后易硬化。由于拋光過程中的高溫，工件表面有時候會出現退火現象。（4）工件容易發生變形。不銹鋼具有較好的塑性和延展性，加工過程中很容易出現塑性變形。（5）加工時夾裝困難。不銹鋼的韌性大，但是壁薄，在加工時使用機械夾裝的方法夾裝工件，會因為顫振產生波紋，大大影響質量。

3 技術優化的目的

現在大部分企業在生產制造不銹鋼產品時所用的拋光方式都是手工，很大的問題是質量不穩定、效率低、會造成環境污染等。要想提高競爭力，讓不銹鋼薄壁材料小家電獲得更好更快的發展，在拋光技術方面必須有所改進。本篇文章探索的就是研究出能滿足大中小不銹鋼產品生產企業的拋光設備，并且以此設備為基礎，運用先進的工藝，做到拋光過程的全自動化。這樣可使拋光的效率得到提高，質量得到保證，同時減少環境的污染，將不銹鋼產品生產企業從低效的手工拋光中解放了出來。

4 自動化拋光技術

現在，國外已經針對復雜曲面的拋光技術做了很多的研究并且取得了成果，拋光系統正在變得智能化、網絡化、自動化。但是，從成果來看，主要針對的工件為自由曲面和光學鏡片，而且采用機器人的拋光方式，這樣的拋光面積小，對加工效率的要求不高。如此方法顯然不適用于電熱水壺這種較大且生產質量數量和速度都要求較高的工件的生產。而且專門針對電熱水壺的自動化拋光技術還在以傳統的手工拋光為基礎，具有非常大的局限性。所以，研究出一套專門適用于不銹鋼電熱水壺的自動化拋光技術和工藝就非常有必要。針對性地研發就要對不銹鋼薄壁工件材料去除率模型進行分析。通過建立的磨粒的去材料率關系的理論模型，并且進行仿真試驗得知：磨具旋轉的線速度、工件圓周線速度、法向拋光壓力和工件進給速度是影響工件表面材料去除率的主要因素，并且隨著它們的增大而增大。仿真與試驗得到的結果一致，顯示了模型是可行的。之后又以回歸分析和正交實驗的方法為基礎建立了表面粗糙程度和拋光工藝參數之間的模型，工件表面粗糙程度隨磨具旋轉切線速度增大而減小，其他三項都成正比。仿真與實驗結果是一致的，也顯示著實驗的準確性。由此，我們就獲得了設計自動拋光技術的理論基礎。

5 結語

本文以不銹鋼小家電企業生產現狀為背景，對現有設備的不足進行分析，探索并研究出一整套適用于電熱水壺的自動化高效拋光技術，以及相應的自動化設備和系統。對工件的表面去除率和粗糙度建立模型，為自動化拋光工藝提供了強有力的依據。希望這一研究能為我國不銹鋼薄膜材料工件自動化拋光技術的發展帶來幫助。