机械零件毛刺控制及去除工艺现状

发布时间:2014-04-03
姚敏茹 万宏强 李福援
西安工业学院机电工程学院 710032)
  摘 要:阐述近几年来机械制造领域中毛刺控制技术的研究成果及研究进展,列出了毛刺去除工艺的应用状况、新的去毛刺方法及其研究,并指出了去毛刺技术的发展方向。
  关键词:毛刺控制;去毛刺工艺;研究现状
  
机械零件在加工制造过程中产生的毛刺,对零件的加工精度、装配精度、使用要求、再加工定位、操作安全和外观质量等许多方面都会产生不良影响。因此,对去毛刺工艺的要求越来越高,使去毛刺技术得到了普遍重视,去毛刺工艺也得到了迅速的发展,已从简单的手工作业向机械化、自动化、智能化方向发展。
  机械加工中,毛刺的产生往往不可避免,在研究去除毛刺时,首先应从设计着手,研究设计少产生或不产生毛刺的零件结构;其次才是针对不同类型的毛刺探索先进的去毛刺工艺技术。
  毛刺有正毛刺和负毛刺之分,切削塑性材料及铸造、注塑、冲压等机械加工产生的毛刺,以凸出成型面为特征,形成正毛刺,毛刺的高度和大小与加工的工艺参数有关。切削硬脆材料时,零件棱部往往产生崩口等缺陷,形成所谓的负毛刺,负毛刺可能形成微小的裂纹缺陷,甚至可能导致产品的报废[1]。下面就毛刺控制和去除工艺技术作一简介。
  1 毛刺控制技术
  机械加工中的毛刺控制,是在加工中通过一系列的技术手段或特殊工艺,使毛刺尺寸小、数目少或不产生毛刺,科研人员对毛刺控制进行了大量研究,取得了一定的研究成果。
  1.1 金属切削毛刺控制
  金属切削产生毛刺,可分为2侧方向(沿主切削刃、副切削刃)毛刺和进给方向(切入、切出)毛刺。在各种不同形式的毛刺中,切出进给方向毛刺的尺寸Z大,其影响也Z大[2]
  金属切削毛刺是在切削加工过程中形成的,有关试验表明,切削毛刺的形态和尺寸主要取决于工件材料的组织状态和力学性能,刀具的几何参数,切削用量,切削加工的方式以及被加工工件终端部的
支承刚度等。
  王贵成[3]建立了2侧方向毛刺形成的数学-力学模型,认为被切削层金属沿刀具切削刃向工件2侧的自由表面产生塑性流动是形成2侧方向毛刺主要原因。在金属切削中可以依据工件材料特性、刀具参数、切削条件和刀具-切屑接触状态等对2侧方向毛刺的形成与变化做出预报。
  赵殿君[4]研究了在铣削加工过程中毛刺的产生,对前毛刺的形成机理做了试验研究,总结出在铣削加工中控制和减少前毛刺的若干途径。
  常海平[5]从工程应用的角度叙述了金属切削过程中毛刺的控制方法,从工件材料、工件形状、刃口尺寸参数、切削用量、加工方法等方面作了分析,对实际金属切削中的毛刺控制具有一定的指导意义。
  王高平[6]总结了切削加工中控制边角毛刺的方法,认为应从以下几方面着手:控制切削深度、切削速度、刀具角度、切削方向、刀具锋利程度、棱角效应等。
  1.2 冲压加工毛刺控制
  冲压加工中的毛刺控制研究主要集中在模具设计及冲制工艺方面,通过大量的生产实践和试验研究来控制毛刺。
  徐洪[7]通过一系列薄件冲裁时毛刺与间隙关系的试验,认为对于厚度为0.3mm以下的金属板材,模具刀口间隙应接近于零,并应适当提高压边力,可有效减少薄件冲裁的毛刺。然后从模具结构方面,提出了软凹模、组合凹模、斜刀口等方法,在实际使用中取得了良好的效果。
  杜虹[8]、李建华[9]等采用负间隙冲裁法实现了板料的无毛刺冲制,具体工艺为:冲孔模具的凸模的直径需大于凹模孔的直径,冲孔时,凸模对材料进行不完全冲裁,即对于不同料厚的材料,保证在冲裁终了位置时凸模下端距凹模上表面有一定的
距离,然后,冲孔模具上的反顶装置对被压凸部分进行反顶并使之与板料分离,此时,致使板料在下表面出现类似其上表面的塌角,从而有效地控制了毛刺的产生。
  1.3 工艺设计控制毛刺
  在进行零件设计及安排加工工艺时就对预防和减少零件加工中产生毛刺给予考虑。
  汪俭[10]针对零件毛刺对产品质量的影响从工艺设计角度介绍了一些在进行零件工艺设计时预防和减少零件毛刺的方法及措施。如采用少无毛刺工艺(如振动切削、电解加工等);合理安排切削加工顺序和热处理工序;合理选择切削用量和走刀方向;采用复合刀具;采用多件加工和附件加工等。
  2 毛刺去除工艺
  虽然可在一定程度上通过采取多种工艺技术控制毛刺,但加工毛刺的产生有时不可避免,因此,如何去除产生的毛刺显得更重要。
  编制加工工艺时,如倒角、倒圆等去毛刺工艺是和其他工艺同时考虑安排的。而独立的去毛刺工步,Z原始的是人工用锉刀、特种刮刀、油石、砂布、钢丝刷等工具去毛刺,适用于去除精度要求不高的小型零件表面的毛刺。其劳动强度大,生产效率低,质量不稳定。
  对于中小型零件则采用特制的刷子,通过动力驱动(或手动)刷子旋转,对工件进行磨削去毛刺,还可以对工件进行倒棱、微精加工和抛光。相对手工操作,该方法操作简单,移动方便,成本低,效率高。毛刺去除方法的研究一直在进行,下面按去除毛刺时所使用的能量和方式方法进行分类简介。
  2.1 机械方式去毛刺
  采用机械方式去毛刺是Z早使用并应用Z广的。主要有振动去毛刺、喷射去毛刺、滚筒研磨去毛刺、涡流式研磨机去毛刺等,这些去毛刺的方法和设备,应用较为普遍。此外,还有采用砂带磨削设备和其它特种机械设备来去除毛刺的方法和技术[22]
  2.2 热能去毛刺
  热能去毛刺是将氢、氧气体分别通入高压密闭容器中,电爆引燃,产生瞬时高温高压和冲击波,使工件的毛刺熔化,多余的氧气将毛刺氧化成灰,从而去除毛刺。该方法效率高,无污染,对金属、塑料、橡胶等任何结构形状零件的毛刺,尤其是零件形状复杂、难于用手工去除的毛刺,效果显著。但不适用于面积体积比过大及易变形薄壁件毛刺的去除,且设备投资大,氧化灰难以清除,适应零件少。上海航天某所[11],对头盖、阀套、阀芯等零件的相交孔毛刺进
行了试验。中航某厂[12]也实现了喷注盘微小喷注 孔机加工后的热能去毛刺加工。
  2.3 电化学(电解)去毛刺
  电化学去毛刺是在电极和零件之间有一定间隙,通过电解液导电形成电流,此时,电极作为阴极,零件作为阳极,使得阳极(零件毛刺部位)不断溶解,去除毛刺。该方法去毛刺的质量高,稳定可靠,特别适用于形状复杂零件和机械方法难于去除的内表面毛刺,对铂、镍、钛、高硬度合金淬火后零件的毛刺去除效果显著,但不适用于非金属零件的毛刺去除。南京航空机电液压工程研究中心用该方法实现了某壳体零件的深小孔交叉处毛刺的去除,电火花加工方孔、圆孔内氧化色的去除,孔口毛刺的去除[13]
  程红亮[14]等研究了电化学去毛刺问题,给出了加工工艺参数对加工间隙的数学关系式,为分析电解加工机理提供了可靠的理论依据。烟台大学对阀体类零件电化学去毛刺工艺作了深入研究,而合肥工业大学则对电解液配方作了针对性研究。安军等把脉冲电化学去毛刺工艺[15]成功运用于喷油嘴内孔、液压阀体内孔、活塞套、轴承保持架以及纺机分梳辊用金属针布等零件的去毛刺加工,应用效果良好。
  2.4 磁力研磨去毛刺
  工作时,在工件和磁极间填充磁性磨料,磁性磨料在磁场力的作用下沿磁力线形成磁力刷,以一定的压力压向工件表面。工件回转时,磁性磨料对工 件表面进行研磨,将毛刺去除。
  高云峰[16]等通过试验证明利用磁力研磨法能 够去除棱边毛刺,并保持适宜的棱边圆角半径。得出影响毛刺去除速度和棱边圆角半径的因素有:磨料粒度、工作间隙大小、磁感应强度、工件回转速度等。
  2.5 超声波去毛刺
  是1种利用超声能量进行去毛刺加工的技术。华北工学院[17]针对复杂模具型腔表面、深孔表面等目前去除毛刺方法较难实现的部位,研制了1套超声波去除毛刺装置,可以方便地更换超硬磨料工具系统而将毛刺去除。中国一拖集团利用超声波去毛刺机实现了PB86J喷油器的去毛刺工艺。
  2.6 激光去毛刺
  利用聚焦的激光束产生的热能熔蚀、气化毛刺。对于精度要求很高的集成电路和大规模集成电路等电子元件,用激光去毛刺效果显著。
  2.7 放电加工去毛刺
  利用电极间放电现象,将工件的毛刺去掉。此法能去除较大的毛刺,且生产效率高,设备简单,制造容易,成本低。但不适用于复杂零件,这是因为对复杂零件上毛刺,电极与工件毛刺间的放电距离不易调整,去毛刺效果较差。
  2.8 磨料水射流去毛刺
  通过高压水携带磨料从喷嘴喷射出去,巨大的冲击能量和磨粒的切削力将毛刺从零件表面去除。适用于去除孔内毛刺,如深孔、盲孔、小孔和狭缝等那些手工难以去除部位的毛刺,西安工业学院李福援[18]等在这方面作了一些研究。
  2.9 挤压珩磨去毛刺
  挤压珩磨是采用含有磨料的、具有黏弹性、柔软性和切削性的磨流介质在挤压力作用下形成1个半固态的、可流动的“挤压块”往复流过工件预加工表面,从而产生磨削作用,抛光工件表面或去除毛刺。上海航天某所[19]针对电磁阀、减压阀结构内的相贯孔处的毛刺采用挤压珩磨去毛刺,中国航空工业制造工程研究所也用挤压珩磨实现了航空机载零件内腔深孔、交叉孔、沟槽的毛刺去除和棱边、尖角的倒圆加工。
  除上述方式外,有的研究人员在进行多种方法复合去毛刺技术的探索[20]
  选择毛刺去除方法时,除考虑费用外,还应考虑零件的加工要素及毛刺大小和部位,尽量采用加工质量稳定、能降低劳动强度和提高生产率的去毛刺方法。且应保证,去毛刺加工后能达到工艺要求,不降低零件尺寸精度、位置精度和形状精度,不改变零件表面形貌及表层材料的热处理状态,不改变零件物理、力学性能。
  在选择去毛刺设备时,在综合考虑零件的产量、生产周期,零件的性能、材质、形状、尺寸、加工精度,毛刺存在部位、大小等因素时,还要考虑设备投资大小,加工稳定性,不同类零件的适应性,可操作性及环境问题[21]
  3 结语
  为提高去毛刺技术的研究水平和使用效果,建议从以下几方面着手。
  1)加强技术转化,研究推广无毛刺加工工艺和新型去毛刺技术,尽快改进已有试验用设备,投入实际生产,加强成熟技术的推广应用。
  2)深化理论研究,在总结生产实践经验和试验研究数据的基础上,探索去毛刺的新技术、新工艺,研究多方法复合加工技术。
  
3)应用数字技术设计制造自动化、智能化去毛 刺设备,提升机械制造行业的整体水平。
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来源:《新技术新工艺》•机械加工工艺与装备 2005年第12期