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1、毕业设计外文文献翻译2011 届利用机械锤击硬化对冲压模表面进行精学生姓名 何斌 学 号 0407070109 系 别 工程与技术系 专业班级 机自 0701 指导教师 黄朝阳 完成日期 2010-10-31 1利用机械锤击硬化对冲压模表面进行精加工摘要机械锤击硬化（MHP）是一种新型的表面精加工处理方法。这种方法是利用一种球形的硬质合金工具对工件表面进行锤击。本文的主要研究目的是评估在球墨铸铁广泛用于模具材料的情况下，MHP 是否能可靠的替代手工抛光。要实现这一目标，我们采用了球墨铸铁样品进行锤击与评估。表面质量的变化用表面粗糙度值、硬度、光学图像的测定来评估。首先，工件表面变得光滑。第二，
2、工件表面硬度得到了显著提升。第三，球墨铸铁表面的球状石墨粒也得到了改善，尽管这些变化仿佛是非常小，同时也不为肉眼所见的。这种作用可能会创造一个不易磨损的模具表面，这是因为在成型工序中这些石墨腔不能再被板材填充。此外，通过 MHP 的表面光滑效果也可以减少模具表面抛光时的加工余量。关键词：机械锤击硬化 冲压模 表面精加工 球墨铸铁 GGG70L1 引言汽车模具每年都层出不穷。对于每一个这样的模具，都必须设计与制造一个新系列的模具。冲压模的制造包括许多个阶段，其中就有机加工与人工抛光这种费时费钱的庞大工序。有超过 65%的时间是用来进行机加工与人工抛光的 1。一辆现代化的汽车多采用低碳钢与高强度钢
3、板材料。而球墨铸铁通常被选为这些板材的成型模具材料。铸铁的使用已经从合金灰铸铁变迁到球墨铸铁，以及当今的全珠光体结构材料 GGG70L 也是常常用到的。GGG70L 是一种珠光体基体中夹杂着球状石墨微粒的球墨铸铁 2。模具材料从合金灰铸铁到球墨铸铁的转变的一个原因是由于环境问题、后处理的花2费以及新法律法规带来的压力问题，在一个现代化的冲压车间里再也不需要额外的润滑剂。因此，模具材料都要求改进其工作表面的摩擦磨损性能 2。模具失效的主要原因，特别是在没有润滑剂的成型工序中，是板材转移到了模具上面。也就是通常所说的磨损。这种转移产生了不稳定的摩擦条件，同时对工件以及道具的表面都产生了影响 36。
4、减少这种磨损的方法有很多，比如说抛光 6。但是，模具表面的抛光是一件费时又费力的过程 1。因此，人们正在寻求一种可替代的抛光方法。图 1 锤头安装示意图1 锤头、2 机床夹头、3 数据线接口、4 气源接口、5 锤击头、6 锤击球机械锤击硬化（MHP）是德国 Konstruktion und-Werkzeugbau Lcker 公司开发的一种新的表面精加工方法。这种方法是利用一种球形的硬质合金工具对工件表面进行锤击。图 1 所示为一个基本的锤击头图例。锤击频率和锤击力度可以有多种变化，并且可以由一个专用的控制系统来控制。锤击头式可以更换的，同时有多种直径可以选择。锤头可以安装在一台机床上，见图
5、2。锤头的运动路径可以由 CAM 软件编程决定。唯一一个与正常机床不同的就是没有主轴的旋转。锤头的垂直运动由一个内部的电机来驱动，冷却方式采用加压的空气来冷却。由于 MHP 是一种比较新的方法，所以其相关的文献少之又少。其中一些可作为参考的只有一篇硕士论文。他的文章介绍了 MHP 的平滑处理和工件表面硬化作用 7。它也提到了要特别注意工件的几何形状和材料特性。在 MHP 过程中如果遇到一种变化非常大的材料属性（比如硬度）时，则会对工件上尖锐的几何形状或者表面缺陷产生破坏 7。然3而，在这项研究中表面粗糙度的主体采用 Ra（轮廓算数平均偏差）是不够的，特别是在对比不同的工序时。MHP 主要的好处
6、是可以减少加工时间。上文提到的论文 7的作者已经表明 MHP 大概的速度大概是手工抛光的三倍之多。Hacini 9等描述过另外至少存在的一种由 de recherche dHydro-Qubec 研究所开发，锤击硬化表面的方法。不过，该方法的主要功能是释放残余应力。图 2 机械锤头安装在一个 5 轴联动加工中心上， 左边 的管制用来通冷却气体， 右边 的数据线用来提供锤头垂直运动的信号本研究的主要目的是评估机械锤击硬化能否可靠地替代模具制造中的手工抛光。其次是验证以前的研究结果，并为未来的工艺发展与优化开创一个起点。2 材料与方法在本研究中，我们先对工件表面进行了锤击然后评估。评估的方法是用表
7、面粗糙度值、硬度、光学图像来测定表面质量的变化。表面粗糙4度的测定我们采用了白光干涉法。设备采用了 WYKO RST-PLUS 型表面粗糙度轮廓仪。通过不同的放大比例，使我们得到了测量面积和横向采样空间的不同组合，用来研究表面在几个层次的细节。然而，目前工作中计算出的粗糙度参数和比例尺敏感分形分析是基于 2.5 倍放大倍率得到的一个 1.59mm 的 2.48mm 测量面积 3.37um 抽样的横向空间。测量出五个测量值的平均值，可靠度在 95%以上。粗糙度值的分析采用了 Digital Surf 公司的 MountainsMap 软件与 Surfract 公司的 Sfrax 软件。测试数据全
8、部都被保留，没有做其他数据处理与过滤。Sfrax 采用了比例尺敏感分形分析的分析方法。比例尺敏感分形分析是基于明显的可视范围下的粗糙度值分析原则分析的。ASME（美国机械工程师协会）标准给了比例尺敏感分形分析一个完整的解释，同时申明了该方法适用于文献 11-14。在 Sfrax 软件中，用到了两组参数：相对面积与复杂性。相对面积计算使用三角测量法中的测量区块算法测量表面形态。在每种比例尺下，所有区块都有相同的面积，但不一定都有一样的形状。每种比例下的相对面积是该比例下划分的区域的额定面积。每个比例下的总面积是由在该比例下每个区块的面积乘以区块的数量得到的。而区块的面积也可以反映比例的大小 14
9、。复杂性是计算超过一个数量级比例下的相对面积的斜率 10。计算与绘制复杂性可以更方便的分辨相对面积的变化的数值范围。相对面积和复杂性的计算的表面是从 471 个从 5.7m 2（大致相当于取样间隔的平方）到 1,260,000m 2（大致相当于测量区块面积的一半）不等的先经过铣削再进行锤击的表面。在工件表面，压痕的产生是由于 HRC 硬度测试仪定位图像标记与粗糙度数值而产生的。一部分这些压痕可通过图 7 与图 8 看到。此过程使人们有可能对研究在单一要素影响下的锤击效果以及上述各种统计粗糙度评价。硬度数值的测定采用了 Future-Tech 公司的微型硬度测试仪 FM-700。测量值是由两种质
10、量下的压入深度得到的 1 千克与 100 克。所得出的结果是根据七个测量值取平均值得到的，有信心水平为（95） 。一个装有数码摄像头的光学显微镜被用来观察工件表面的形态。在锤击之前，试样工件表面用球头铣刀进行精铣以尽量达到实际模具要求的表面质量 15。铣削刀具直径为 12mm，铣削参数如下所示：主轴转速 1060RPM、fz=为 0.08 mm, ae 为 0.688 mm,道具角度 15。这些切削参数可以使工件表面达到毛刺在0.01mm 一下的表面。本文研究用的材料是球墨铸铁 GGG70L（EN-JS-2070） 。5锤击工作在 Hermle C40U Dynamic 机床上进行，它是一个带
11、有 Capto C5 主轴接口的5 轴联动加工中心。锤头直径为 8mm 锤击频率为 200HZ,效力设置为 95%，这个效力能设置在 0%到 100%之间。而实际的锤击参数，比如锤击力度，取决于锤击频率。工件表面与锤头间的正常倾斜角是 30，进给量是 3,500 mm/s，每步在 0.2mm 以上。参数的选择是出自开发者的推荐。安装示意图见图 2。3 结果与讨论实验显示了锤击的几个作用。首先，工件表面变的更光滑；第二，工件表面硬度得到了显著提高；第三，球墨铸铁表面的球状石墨粒似乎得到了改善，它们变得更小，更难以看见。3.1 表面粗糙度工件表面经过锤击以后看上去更加光滑。使用表面粗糙度可以使作用
12、变得量化。两种类型的分析将被用于分析粗糙度数据： 粗糙度参数评估 16 比例尺敏感分形分析 103.1.1 粗糙度参数评估图片 3 显示了评估结果。显然，工件表面明显变得更加光滑。表面均方根高度(Sq)减小了 75%，表面算术平均高度（Sa）减小了 77%。轮廓最大高度减小了（Sz）66%。这些效应也可以在图 7 和图 8 右边的柱状测量图上看到。这些柱状测量图是在同一位置测出的。人们可以看到，图片左侧的精铣留下的波纹也被抚平了。也可以观察到，在更小的比例下的粗糙纹理也变得更光滑。3.1.2 比例敏感分形分析图片 4 显示了相对面积测算结果。在这张图片中，可以轻易将区别比 20,000m 2的
13、比例。在这些比例下，经过锤击的表面具有更小的相对面积。更小的相对面积标志着跟平滑的表面。图片 5 显示了复杂性的测算结果。这张图片更明显的看出，在同一比例下，铣削与铣削后锤击之间的区别。对于铣削的表面，在 100,000and250,000m 2有一个急剧的上升。6图 3 铣削（ Mill）与铣削后锤击（ MHP）的表面粗糙度。可靠水平为 95%， Sq 指的是表面均方根高度，Sz 代表轮廓最大高度。图 4 根据 471 个区块测算的铣削（Mill）与铣削后锤击（MHP）相对面积，可靠程度为 95%这与精铣工艺后观察到的平坦的波纹对应良好，因为，在 Sfrax 软件中三角元素是用来代表比例尺。
14、因此，100,000m 2的比例相当于 447m 的长度，因为4472100,000 开平方根；而 250,000m 2则大致相当于 707m 的长度。锤击的切削参数若用于铣削，则会产生一个有 688m 的波纹表面，如图 7 所示，688m 对应着236,672m 2。7另外还有一个在开始的大概 10,000m 2上升的复杂性，并且比例越小，上升越急剧。这些对应着图示的铣削后的石墨斑小球和相对粗糙的表面纹理。在相同比例下，锤击后的的表面复杂性则要小许多。表面纹理的平滑过程与石墨小球的减少原因将在第三节介绍。3.2 硬度锤击后发现表面变得更坚硬了。图 6 显示了测算结果。通过 1 千克压入重量的
15、测试，观察到硬度有所增加。然而，由于测量结果的变化，这一结果的不是在 95%的置信水平上得到的。若将压入重量设置为 100 克，则提升的硬度更大（大约 100HV） ，而且置信水平为 95%。这些结果显示 MHP 工艺提升了工件的硬度，这个硬度局限于表面。强化深度的提高有待在以后的研究中改进。图 5 根据 471 个区块测算的铣削（Mill）与铣削后锤击（MHP）复杂性，可靠程度为 95%图 6 铣削（Mill）与铣削后锤击（MHP）的工件表面硬度，可靠水平为 95%，压入重量分别为 1 千克和100 克83.3 石墨颗粒在本文的研究中，锤击工件表面对石墨颗粒的影响很难定量测定。在这些颗粒上，
16、光线不是按相同的方式反射，而是漫反射。因此，这些颗粒难以定量测定。相反，这一点的评估也应采用显微镜观察表面和测量研究个别表面粗糙度质量。在这些测量值中，那些被假定为石墨颗粒的区域是那些不做测量的微小组成部分（直径约为 20-250 微米的区域也做了观察） 。例如图 7 与图 8。然而，锤击对用作定位的压痕的作用可以清楚地观察到。图 7 与图 8 显示的锤击前后是相同的压痕。该凹处已经变的更小，直径的变化量大概在 0.20.5 之间。可以观察到，通过 MHP，较大的石墨颗粒的受到了影响。在图 7（左）可以看到的那些黑色的圆形斑点，也就是石墨颗粒，在图 8（左）相同位置再也找不到了。这表明，石墨颗粒在锤击过程中被轧平了。相反，可以在石墨颗粒的凹槽观察到一些闪亮的表面。
