「毛刺工艺」金属切削毛刺形成与控制

毛刺是指在工件切削加工过程中，切屑与工件分离时，残留在工件面与面相交处所形成的刺状物或飞边。毛刺作为切削加工中最典型的负面现象，更是切削研究领域的一大瓶颈。毛刺有正毛刺和负毛刺之分，正毛刺以凸出成型面为特征，一般产生于切削塑形材料的过程中；负毛刺以产生崩口等缺陷为特征，一般产生于切削硬脆材料的过程中。无论是正毛刺还是负毛刺，其存在都是百害无一利的，其危害主要表现在以下方面：①影响工件的尺寸精度、形位精度和表面质量等；②影响工件的装配甚至无法装配；③降低零件或整机的使用性能和使用寿命；④加速刀具的磨损；⑤对生产操作者造成伤害。毛刺的去除技术已成为现代机械制造技术的两大方向(精密与超精密加工和柔性加工)的关键技术之一。为此，本文首先从毛刺的形成机理和毛刺去除工艺两个方面进行了介绍分析，而后对毛刺的去除工艺进行了发展预测与建议，以期为后续的去毛刺工艺提供技术参考。

来源：工具技术

1 毛刺形成机理的研究

(1)国外研究进展

国外对毛刺形成机理的研究较早，最先始于1958年日本京都大学奥岛教授等通过对刨削加工和车螺纹加工的试验研究，对二维切削中所产生的毛刺进行了分类，并提出了若干抑制毛刺的方法。其研究结论虽然可以比较直观地反映毛刺的形态，但其研究内容主要集中在二维切削上，但毛刺给机加工带来的障碍主要体现在三维切削加工中。因而，其研究内容具有一定的局限性。1973年，美国犹他州立大学的L.K.Gillespie等又将切削产生的毛刺分为泊松毛刺、撕裂毛刺、翻转毛刺和切断毛刺四大类(见图1)。

图1 L.K.Gillespie的毛刺分类体系

L.K.Gillespie的毛刺分类体系研究能准确反映毛刺的主要特征，但其分类体系困难，也忽略了工件材料、切削参数、加工工艺、刀具参数等参数对毛刺的影响，所以在实际应用中也受到了限制。1987年，中山一雄等通过对黄铜进行切削试验，把毛刺的形态分为8种，并对两侧方向毛刺的形成机理进行了深入研究，其研究考虑了切削运动在毛刺形成中的影响，有助于对毛刺进行系统研究，但其不能体现刀具、加工方式等因素对毛刺大小的影响。2000年，I.W.Park等运用ABAQUSExplict软件模拟了工件终端角、刀具前角及支撑材料的使用对毛刺形态及尺寸的影响，但其研究缺乏对后期仿真结果的试验验证，科学严谨性不强。2011年，Ravi Lekkala等对铝和不锈钢微铣削端铣毛刺的形成机理进行了研究，运用统计学的方法建立了毛刺的预测模型，但该研究主要针对铝和不锈钢材料，建立的预测模型适用性不强。公众号：切削之家

(2)国内研究进展

我国学者对毛刺形成机理的研究起步较晚，始于20世纪末。1995年，江苏大学的王贵成教授通过对毛刺形成机理的试验研究，最终确立了以切削运动—刀具切削刃为基准的切削毛刺分类新体系。2005年，上海交通大学的马春翔等研究了振动车削毛刺的形成机理，并对椭圆振动车削、普通振动车削和普通车削过程中形成毛刺进行实验分析。2011年，哈尔滨工业大学的白清顺等利用灰色理论对黄铜圆槽顶端锯齿状、须状和旗帜状三种形态的毛刺进行了预测分析。2012年，哈尔滨工业大学的倪海波分别对平头微铣刀和球头微铣刀微铣削加工槽顶毛刺形成的影响因素进行了研究，并建立了三维有限元模型。以上是各学者利用自身的分析方法和理论对毛刺形成的机理而进行的研究，缺乏具有普遍意义的数学—力学模型。

2 毛刺去除工艺技术

毛刺去除工艺分为传统的被动去毛刺工艺和主动抑制去毛刺新工艺。所谓的被动去毛刺，就是在零件的加工工序后，加一道去毛刺(手工或者自动)工序，若通过去毛刺工序后，工件表面质量还未达到工艺要求，则反过来继续从精加工开始，如此循环，直至工件表面质量达到工艺要求(见图2)。主动去毛刺则是在加工过程中通过合理的刀具选择，对工件进行必要的预加工、预处理，最优化加工路线的制定等一系列措施，尽量最小化，甚至避免毛刺的产生，减少或取消后续去毛刺工艺(见图3)。

图2 被动去毛刺工艺流程

图3 主动去毛刺工艺流程

(1)被动去毛刺工艺

①人工去毛刺

人工去毛刺是最普通、最传统的方法，其主要通过锉刀、油石、砂布、钢丝刷等工具对工件表面的毛刺进行去除。此种方法不仅劳动强度大，工时长，生产效率低，且对工人的技术要求高，很难保证去毛刺质量，主要用于新产品试制和小批量生产。

②机械去毛刺

机械去毛刺是利用振动和滚动等方法达到去除零件表面的毛刺、修光锐角和锐边的目的。机械式去毛刺的应用较早，也较为普遍，常用的有滚磨去毛刺、振动光饰去毛刺、喷砂(水)去毛刺等。滚磨去毛刺通过转动的毛刷迫使工件旋转，在旋转过程中，毛刷对工件上的毛刺产生载荷力使毛刺脱落。该法适用于去除回转类零件和较大平面表面外毛刺，如齿轮、转子、侧板等。振动光饰去毛刺是利用机器的高频率振动，使混合均匀研磨介质在工件内部呈螺旋涡流状滚动，达到研磨抛光工件表面的目的。此种方法适用于形状简单的零件，如压板、衬套、淬火小齿轮等，工作效率高，容易实现自动化，但其难以去掉工件内部的毛刺。喷砂去毛刺是通过高速喷射束将喷料喷射到需要处理的工件表面，冲击的磨料对工件表面的产生切削作用，以去除工件表面的毛刺。该方法可适用于复杂形状的工件以及工件内部的毛刺，且精度较高，但其工作效率较低，难以实现自动化。

③磁力研磨去毛刺

磁力研磨是利用电磁场带动磁性磨料旋转与工件形成碰撞来实现对工件表面毛刺的去除。李彦俊等研制了一种电磁研磨机来去除微小喷嘴棱边处的毛刺，其工作原理图见图4。其电磁研磨机主要由铁芯、套筒、线圈和容器等组成，容器置于套筒内，容器内部充斥着磁针和混合液。工作时，将工件置于容器内，线圈通上三相交流电，套筒的旋转带动容器的旋转，容器内部的工件与磁针也随之高速旋转，通电的线圈在旋转的套筒内产生旋转磁场，使容器内部的磁针得以磁化。在旋转过程中，由于工件与磁针的质量差异较大，使得工件的旋转速度低于磁针的旋转速度，则在旋转过程中工件与磁针发生随机的相对碰撞，以去除工件表面毛刺。经过试验验证磁针对工件表面可以起到良好的抛光效果，但其试验装置相对来说较为复杂，技术要求性较高。

图4 电磁研磨机工作原理

④热能去毛刺

热能去毛刺的原理是利用高热能瞬间去除工件表面的毛刺，其过程为将工件放在具有足够密封强度的容器类，在容器内送入一定比例的预混合可燃气体，点燃混合气体瞬间产生高温以去除毛刺。此种方法效率高，无污染，主要应用于结构复杂、精度要求高的零件，如高精度齿轮、转子等，但其不适用于面积体积比过大及易变形的薄壁件，且易氧化零件表面，容易破坏零件。中航某厂利用此法对喷注盘进行了去毛刺加工。

⑤电解去毛刺

电解去毛刺是利用金属在电解液中产生阳极溶解对金属零件进行加工，同时利用毛刺处电流密度大以及电化学溶解速度快的特点(即电化学的“尖端效应”现象)，使毛刺等突出部位得到去除。范会玉等利用此法对阀芯微小孔内的毛刺进行去除(见图5)。电解去毛刺时，电源正极(阳极)接零件，负极(阴极)接工具电极，正负极之间保持一定的距离间隙，间隙内部充满流动的电解液，接通电源后，电化学反应开始。利用此法去毛刺，效率高、质量好，且阴极无损耗，可重复利用，成本低，特别适合微小孔去毛刺，但其对阴极的要求较高，需合理选择加工时间，保护好工件的非加工表面，以免对工件其它部位造成腐蚀。

图5 电解去毛刺

⑥超声波去毛刺

超声波去毛刺的原理是利用超声的高频振动抛磨工件，并利用超声波产生的空化作用对工件表面的毛刺进行空蚀去除。此种方法适用于加工具有复杂结构的硬脆零件，加工后无热变形和残余应力，且超声加工机床结构简单，操作维修方便，但其只能去除精加工后的微细毛刺，无法去除大而硬的毛刺，适用性不广。辛志杰等研制了一套可对复杂模具型腔表面和深孔表面加工的超声波去除毛刺装置。

(2)主动去毛刺工艺

随着加工精密制造技术的发展，毛刺在加工过程中的危害尤为突出，传统的被动去毛刺技术已无法满足现代化生产技术的需求。为此，为缓解此矛盾，化被动为主动，许多专家和学者随即提出了主动去毛刺的技术，其基本思路是在其加工过程中尽量避免毛刺的生成，以减少甚至取消后续的去毛刺工艺，提高生产效率和自动化程度，降低生产成本。1975年，德国斯图加特大学的T.Schaller等通过优化零件的结构达到有效抑制毛刺生成的效果。1995年，王贵成教授通过试验在工件的自由表面上涂敷速干墨水，结果表明两侧方向的毛刺会相应减少。2001年，Sung-Lim Ko等发现可以通过优化钻头的结构(如采用具有适当阶梯角和阶梯尺寸的阶梯钻头)可有效抑制毛刺的生成。2005年，Simon S.F.Chang指出在超声振动钻削加工中采用较高的振动频率能有效减小毛刺的生成。2010年，陕西法士特齿轮有限责任公司的梁宝忠等通过在心轴上镶带倒锥孔的合金，使其合金孔口形成的锋利刃口在旋转零件钻圆周上其他油孔或卸下工件时就会将工件外部的毛刺切掉。

小结

针对以上论述，提出发展对策及建议如下：

(1)加大重视程度和扶持力度

目前，国外工业发达国家都非常重视去毛刺技术的研究，也都相继成立了专门研究机构，而我国在这方面明显与工业发达国家有一定的差距。因而，我国的相关部门应加大对去毛刺技术的应用研究及设备开发的重视程度和扶持力度，加强对成熟技术的推广应用。时时关注国际上前沿的研究方向，为机械制造业整体技术水平的提高创造有利的外部条件。组织高水平的技术研究人员编制完善去毛刺技术的设备手册，规范去毛刺技术的行业标准，使其能对去毛刺技术的应用起到一定的指导作用。

(2)以主动去毛刺为主，加强毛刺形成机理的研究

传统的被动去毛刺工序一般很难做到自动化，是整个自动化流水线加工的瓶颈，其严重阻碍了我国精密与超精密加工自动化技术的发展。为改变这种被动的局面，需要加强对主动去毛刺技术的研究，而主动去毛刺的核心是对毛刺形成机理的研究。研究主动去毛刺技术可以从以下方面着手：①仔细分析零件结构，设计少产生或不产生毛刺的零件结构，如在可能产生毛刺的边棱上增加倒棱、倒角圆角等；②尽可能选用不易产生毛刺的材料，硬质材料在切削时不易产生毛刺，而塑性材料易产生毛刺；③优化零件的加工工序，合理选用切削参数；④保持切削刀具锋利，合理设计刀具的几何参数，提高刀具性能。

(3)加强学科渗透，研制有效抑制毛刺生成的新技术

毛刺形成机理的研究涉及到多个学科领域，需通过不断引入材料科学、计算机科学、信息技术、化学技术等相关学科的新理论和新方法深入的研究毛刺的形成机理，研制有效抑制毛刺生成的新技术，如采用化学切削法，可有效抑制毛刺的形成。

(4)逐步开展精密与超精密加工中毛刺的形成研究

随着切削加工精度逐步朝着微/纳米精度方向的发展，其切削深度亦达到1nm以下，在微观领域，其切削现象的本质发生了变化，其待加工工件已不再是连续的固体，而微观领域离散的物理现象。为此，传统的连续介质力学基础上的有限元方法已不再适用微观切削领域，需逐步开展精密与超精密加工过程中毛刺的形成机理的研究。

(5)开发适合分析毛刺的有限元软件

目前，分析毛刺的有限元软件主要来自国外，如ABAQUS、AdvantEdge、DEFORM-3D等，均存在一定的局限性，且其精确不高。为此，需开发专用的有限元软件来提高分析毛刺形成机理的效率和精度。

毛刺是零件切削加工过程中的普遍现象，也是金属切削研究领域的亟待解决的一大关键问题。我国现有的毛刺去除技术已明显滞后于当前精密技术的发展，为解决当前的技术问题，应加强对毛刺形成机理的研究，开发适合我国的去毛刺新工艺。

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