不銹鋼薄壁材料工件自動(dòng)化機(jī)械拋光技術(shù)優(yōu)化探討

商愛莉，宋磊

（1.山東景閏工程研究設(shè)計(jì)有限公司，山東 日照 250000；2.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照 276806）

1 設(shè)計(jì)思路

第一步要做的是給這項(xiàng)技術(shù)提供最基本的理論依據(jù)，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(xué)等，這個(gè)模型從微觀的角度說明了磨粒和有關(guān)的工藝參數(shù)跟材料去除率之間有什么樣的關(guān)系。模型所表達(dá)出的關(guān)系為：材料去除率與組織號(hào)、磨具粒度大小成一個(gè)非線性的關(guān)系，與工件的圓周線速度和進(jìn)給速度、法向拋光壓力、磨具旋轉(zhuǎn)時(shí)所用的切線速度成正比例關(guān)系。（2）還建立了工件表面的粗糙度和拋光的工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型，建立時(shí)使用的時(shí)回歸分析和正交實(shí)驗(yàn)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(jìn)給速度和法向拋光壓力成正比，與磨具旋轉(zhuǎn)速度成反比。在進(jìn)行這兩個(gè)模型建立和研究時(shí)，需要用到數(shù)學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，結(jié)果表面理論和實(shí)驗(yàn)的所得結(jié)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(zhǔn)確性，有利于自動(dòng)化機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展。

第二步在進(jìn)行拋光時(shí)，提出了一種分別能給工件的內(nèi)表面和外表面進(jìn)行拋光的多工位多磨具自動(dòng)化機(jī)械拋光技術(shù)，用以滿足高效拋光的要求。主要的技術(shù)要求是這樣拋光技術(shù)的機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、同步調(diào)整各工位姿態(tài)的裝置的設(shè)計(jì)、裝夾工件的夾具的設(shè)計(jì)，并且根據(jù)這些需要的技術(shù)設(shè)計(jì)來制造出多工位多磨具機(jī)械拋光機(jī)床的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，磨具需要與工件形狀做到自適應(yīng)，所以提出了一種以示教法為基礎(chǔ)的拋光刀位數(shù)據(jù)生成方法，并將其應(yīng)用于自動(dòng)化拋光系統(tǒng)。

與現(xiàn)階段施行的拋光工藝相結(jié)合，得到了適合應(yīng)用于不銹鋼薄壁材料小家電自動(dòng)化機(jī)械拋光的一套工藝方法。根據(jù)工件的實(shí)際形狀特征，對其表面進(jìn)行分塊處理，采用設(shè)計(jì)的自動(dòng)化機(jī)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(jì)算方法做了研究。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)，并且與現(xiàn)行的拋光技術(shù)所得經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，得出了一套用于不銹鋼薄壁材料小家電自動(dòng)機(jī)械化拋光的工藝流程。

拋光需要的不僅僅是質(zhì)量，除質(zhì)量外非常重要的一點(diǎn)就是效率。我們需要對拋光的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而在保證質(zhì)量的同時(shí)提高效率。以材料去除率和表面粗糙度的值作為目標(biāo)，采用正交的試驗(yàn)方法，獲得在確定的試驗(yàn)條件下最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。通過試驗(yàn)得到工件表面材料去除率與工件的圓周線和進(jìn)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(xiàng)成正比，而與磨具切線速度成反比。

通過上述的各項(xiàng)研究，使用選擇得出的最佳參數(shù)組合，在設(shè)計(jì)好的機(jī)床上進(jìn)行電熱水壺的批量拋磨實(shí)驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拋光得到的工件表面粗糙度低、質(zhì)量均勻，達(dá)到了企業(yè)的要求，整個(gè)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(jī)械化自動(dòng)拋光方的地位。

2 不銹鋼薄壁材料小家電現(xiàn)狀

2.1 市場現(xiàn)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(wèi)生、使用壽命較長的滿足人們飲水需求的小家電。有關(guān)數(shù)據(jù)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(nèi)生產(chǎn)只有20 年的時(shí)間，產(chǎn)品主要作為出口，在國內(nèi)的銷售時(shí)間也只有15 年，雖然時(shí)間短暫，但發(fā)展十分迅速。所以就目前來看，電熱水壺等類似產(chǎn)品在我國普及率較低，根據(jù)調(diào)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(hào)是最常用的不銹鋼型號(hào)。而且NTK D-11 新鋼種正在憑借價(jià)格和性價(jià)比優(yōu)勢逐漸取代SUS304 成為生產(chǎn)的主要原材料。在加工的過程中，不銹鋼會(huì)因?yàn)閴毫秃附邮沟帽砻嫘纬梢粚友趸ぃ@層或黑色或灰色的氧化皮粗糙度非常大，影響著產(chǎn)品的外觀以及使用，所以拋光成為一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它不僅使產(chǎn)品更加美觀，而且提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。常用的NTK D-11 不銹鋼在拋光時(shí)有以下特點(diǎn)：（1）拋光時(shí)產(chǎn)生的碎屑容易黏附在表面，而且會(huì)堵塞砂輪。（2）在磨削的過程中，會(huì)需要較高的溫度，因此，會(huì)造成加工表面的燒傷。因?yàn)椴讳P鋼的導(dǎo)熱能力差，在加工的過程中，摩擦產(chǎn)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(shí)候會(huì)出現(xiàn)退火現(xiàn)象。（4）工件容易發(fā)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(xiàn)塑性變形。（5）加工時(shí)夾裝困難。不銹鋼的韌性大，但是壁薄，在加工時(shí)使用機(jī)械夾裝的方法夾裝工件，會(huì)因?yàn)轭澱癞a(chǎn)生波紋，大大影響質(zhì)量。

3 技術(shù)優(yōu)化的目的

現(xiàn)在大部分企業(yè)在生產(chǎn)制造不銹鋼產(chǎn)品時(shí)所用的拋光方式都是手工，很大的問題是質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低、會(huì)造成環(huán)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(fā)展，在拋光技術(shù)方面必須有所改進(jìn)。本篇文章探索的就是研究出能滿足大中小不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的拋光設(shè)備，并且以此設(shè)備為基礎(chǔ)，運(yùn)用先進(jìn)的工藝，做到拋光過程的全自動(dòng)化。這樣可使拋光的效率得到提高，質(zhì)量得到保證，同時(shí)減少環(huán)境的污染，將不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)從低效的手工拋光中解放了出來。

4 自動(dòng)化拋光技術(shù)

現(xiàn)在，國外已經(jīng)針對復(fù)雜曲面的拋光技術(shù)做了很多的研究并且取得了成果，拋光系統(tǒng)正在變得智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化。但是，從成果來看，主要針對的工件為自由曲面和光學(xué)鏡片，而且采用機(jī)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(chǎn)質(zhì)量數(shù)量和速度都要求較高的工件的生產(chǎn)。而且專門針對電熱水壺的自動(dòng)化拋光技術(shù)還在以傳統(tǒng)的手工拋光為基礎(chǔ)，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(dòng)化拋光技術(shù)和工藝就非常有必要。針對性地研發(fā)就要對不銹鋼薄壁工件材料去除率模型進(jìn)行分析。通過建立的磨粒的去材料率關(guān)系的理論模型，并且進(jìn)行仿真試驗(yàn)得知：磨具旋轉(zhuǎn)的線速度、工件圓周線速度、法向拋光壓力和工件進(jìn)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(yàn)得到的結(jié)果一致，顯示了模型是可行的。之后又以回歸分析和正交實(shí)驗(yàn)的方法為基礎(chǔ)建立了表面粗糙程度和拋光工藝參數(shù)之間的模型，工件表面粗糙程度隨磨具旋轉(zhuǎn)切線速度增大而減小，其他三項(xiàng)都成正比。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，也顯示著實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。由此，我們就獲得了設(shè)計(jì)自動(dòng)拋光技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文以不銹鋼小家電企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀為背景，對現(xiàn)有設(shè)備的不足進(jìn)行分析，探索并研究出一整套適用于電熱水壺的自動(dòng)化高效拋光技術(shù)，以及相應(yīng)的自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)。對工件的表面去除率和粗糙度建立模型，為自動(dòng)化拋光工藝提供了強(qiáng)有力的依據(jù)。希望這一研究能為我國不銹鋼薄膜材料工件自動(dòng)化拋光技術(shù)的發(fā)展帶來幫助。