作者：曾伟 董凯林 顾金宝 王鹏 时凯华 舒军
单位：自贡硬质合金有限责任公司
来源：《金属加工（冷加工）》2019年第5期
硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物和金属粘结剂通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，硬质合金作为主体材料的刀具，具有高硬度、耐磨的特点，其常温硬度可以达到 69～81HRC，且硬质合金刀具具有很好的热硬性，1 000℃时，其硬度依旧可以保持60HRC，同时，硬质合金具有良好的化学稳定性，耐腐蚀。当今硬质合金加工的方法有砂轮法、尼龙刷法、磁力法、喷砂法和激光法等。喷砂法分为干喷砂和湿喷砂两种，由于干喷砂法粉尘飞散及处理表面粗糙度等问题，现在越来越多地采用湿喷砂法。
湿喷砂法是喷砂机喷枪通过压缩空气喷出液体混合的磨料（通常为刚玉），磨料在一定距离内以一定速度与角度冲击工作物，以达到加工目的的方法。该方法通常在硬质合金加工中用于切削刀具的刀片切削刃处理或硬质合金表面清洁作用，此方法在国内外已经运用多年，如图1所示。湿喷砂工艺控制是个比较复杂的过程，影响其喷砂效果和喷砂效率的因素较多，主要因素、次要因素及各因素值大小趋势是怎样的，这些问题需要用科学的方法进行试验摸索，关于数据统计分析的方法很多，包括概率、数理统计和极差等，本文主要讨论以正交试验极差分析法确定湿喷砂加工硬质合金刀片的主次因素及最优工艺参数的方法。
1．湿喷砂的工艺参数
湿喷砂用于硬质合金的加工，通常有通过式和转台式两种工作方式。以某国产通过式湿喷砂机为例，分析其影响加工效果的工艺参数。影响喷砂效果及喷砂效率的工艺参数有：喷枪Y轴速度、喷枪Y轴定位距离、喷枪Y轴移动频次、喷枪Z轴高度、喷枪角度、喷枪压力、砂水浓度、砂的粗细和种类、工件输送速度和工件输送定位距离等。
磨料通常选用刚玉砂，刚玉常用的有白刚玉、棕刚玉及铬刚玉3种，粒度为 F150~F320，数值越小，颗粒越大，对于硬质合金的加工通常选择F180~F220。以上3种刚玉砂可根据加工需要选择，其耐磨性好。
由于产品盘尺寸确定，则喷枪Y轴定位距离可以确定，磨料砂的选择，由于实验用刀片将用于CVD涂层，故选铬刚玉，同时凭借经验选择F220粒度，喷枪角度由设备夹具固定，采用8把枪以45º夹角环形固定安装；喷枪高度由于与喷枪压力呈反比，为节约能源、提高喷砂效率，尽可能选择最低点，工件输送速度由于喷枪Y轴移动频次与工件输送定位距离相关，且每次前进的距离很短（20~30mm），速度大小可以设定为20mm/s。于是，整理上述10个工艺参数如表1所示。
2．正交试验
正交试验是研究多水平多因素之间交互影响的一种试验方法，是根据因素之间正交性，从所有试验点中选取部分有代表性的点进行试验，这些被选取的有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。在因素和水平数较多的时候能有效的减少试验组，是一种高效率、快速和经济的试验设计方法。
针对表1中5个待定的工艺参数，采用正交试验法对以上工艺指标设计试验方案，制定正交试验各因素水平如表2所示。
本试验有1个3水平因素，4个两水平因素，查得正交试验常用正交表，选用L12（31·24）正交表安排试验，样品选择硬质合金刀片CNMA120408，如图2所示，试验数据如表3所示。
注：时间为每次装8盘产品，加工完成需要时间。
3.极差分析加工时间
极差分析法常用于正交试验的结果处理分析，其分析结果简洁、直观。采用极差分析法研究钝化工艺指标对加工时间的影响程度的主次顺序和试验范围内各参数的最优组合。
计算如表4所示。
Kj为第j列因素水平对应的试验指标和，kj为Kj的平均值，由kj的大小可以判断j因素的优水平和各因素的优水平组合。Rj为第j列因素的极差，即j列因素各水平指标值的最大值与最小值之差，Rj反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也越重要，于是依据极差Rj的大小，就可以判断因素的主次。
对于喷枪速度Vy而言，均值1＞均值2＞均值3，可以得到喷枪速度Vy=10m/min时，该工艺用时最长；对于工件输送定位距离Sx(传送带)而言，均值1＞均值2，可以得到工件输送定位距离Sx(传送带)=20m/min时，该工艺用时最长；对于喷枪频次n而言，均值2＞均值1，可以得到喷枪频次n=2次时，该工艺用时最长；由于喷枪压力与砂水浓度与工艺运行时间没有关系，故不做分析。
因此，对于加工时间而言，极差R2＞R3＞R1，即影响工艺加工时间最长的因素，其主次顺序为：工件输送定位距离Sx(传送带)＞喷枪频次n＞喷枪速度Vy。
如果要工艺的加工时间最长，工艺参数应该为：Sx(传送带)=20，n=2，Vy喷=10。
如果要工艺的加工时间最短，工艺参数应该为：Sx(传送带)=60，n=1，Vy喷=30。
4．极差分析刀片切削刃钝化半径
采用专用切削刃检测设备——Alicona-Infinite Focus SL自动变焦三维表面测量仪，对硬质合金刀片切削刃钝化值进行了检测，每个样品选取两条边进行检测取均值。
采用极差分析法，分析湿喷砂工艺指标对刀片切削刃钝化半径影响程度的主次顺序和试验范围内各参数的最优组合，计算如表5所示。
对于喷枪速度A-Vy而言，均值1＞均值2＞均值3，可以得到喷枪速度A-Vy=10m/min时，钝化半径最大；对于工件输送定位距离Sx(传送带)而言，均值1＞均值2，可以得到工件输送定位距离Sx(传送带)=20m/min时，钝化半径最大；对于喷枪频次n而言，均值2＞均值1，可以得到喷枪频次n=2次时，钝化半径最大；对于喷枪压力p而言，均值2＞均值1，可以得到喷枪压力p=0.35MPa次时，钝化半径最大；对于砂水浓度m而言，均值2＞均值1，可以得到，砂水浓度m=30%时，钝化半径最大；因此，对于钝化半径而言，极差R2＞R5＞R3＞R4＞R1,即影响刀片切削刃钝化半径的因素，其主次顺序为：
传送带速度Sx(传送带)＞m(砂水浓度)＞喷枪频次n＞p（喷枪压力）＞喷枪速度Vy
如果要刀片切削刃钝化半径较大，工艺参数应该为：Sx(传送带)=20，m=30%，n=2，p=0.35MPa，Vy喷=10。
如果要刀片切削刃钝化半径较小，工艺参数应该为：Sx(传送带)=60，m=20%，n=1，p=0.30MPa，Vy喷=30。
5.结语
湿喷砂工艺影响因素较多，工艺参数的选择需要大量的试验，采用正交试验极差分析法可以大幅减少试验次数，用极差分析的方法可以得出各因素的大小趋势或最优组合。当然，对于湿喷砂机工艺的制定，还有些因素需要考虑：砂水浓度m及喷枪压力p越大，对管道及喷嘴的磨损越快，使用成本越高；砂水浓度由低到高容易，由高到低则不便于实际使用等等。另外，由于各厂家湿喷砂机结构不同，其湿喷砂工艺参数基本不通用，应根据实际情况按照上述方法摸索出适合自身设备及工艺的工艺参数。
“刀具”约稿函
2019年金属加工（冷加工）杂志“刀具”栏目约稿如下：
（1）刀具的先进技术及发展趋势。（2）刀具的先进设计理念与制造经验。（3）刀具的选型和应用。（4）在实际加工过程中使用刀具的心得。（5）刀具使用的具体案例分析或解决方案的改进等。
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