机械零件去毛刺工艺的现状与发展.doc

机械零件去毛刺工艺的现状与发展第17眷第4期2肿1年l2月北京建筑工程学院JOURNALOFBEUEjGINbITUrEOFC日N陬AARa印rIECnJREVd.17No.4Dee2001文章编号:10046011(2001)04005806机械零件去毛刺工艺的现状与发展张惠生(机电工程系,北京100O44)摘要:本文简要阐述了机械零件加工过程中毛刺危害与形成原因,毛刺的预防措施.去毛刺工艺厦发展趋势.关键词:毛刺;机械零件;工艺中围分类号:TH16文献标识码:AO引言机械零件上的毛刺,有些是由于切削加工过程中塑性变形引起的;有些是铸造,模锻等加工的飞边,还有些是焊接挤出的残辩.随着工业化和自动化程度的提高,机械加工领域,特别是航空,航天,仪器仪表领域中,对机械零件制造精度要求的提高和机构设计的微型化,毛刺的危害性尤为明显,逐渐引起人们的普遍重视.并开始对毛刺的生成机理及去除方法进行研究.1953年,日本许多厂家就开始研制用于汽车刹车鼓,汽缸体,变速箱体等大中型铸件的专用自动去毛刺机.由于这种去毛刺机械对零件的适应性差,价格贵等因素未能得到普遍推广应用.但这为后来发展起来的铸件去毛刺技术奠定了良好基础.在理论研究方面.1958年日本京都大学的奥岛教授发表了关于切削过程中的毛刺现象的论文,对产生毛刺的现象及毛刺的分类进行了论述.1959年.宇都官大学隈部教授发表了题为用振动切削减步毛刺的探讨的论文.1967年,静岗大学财满教授发表了关于铝合金板钻孔形成的毛刺的研究一文.同年,美国的R威廉提出了将研磨剂与硅树脂混合在一起,作为介质,压人装有零件的模具中.将零件内表面和孔的毛刺去掉(即挤压珩磨去毛刺技术),取得初步成功,现该项技术已成为美国专利.1971年.日本综合铸件中心在职业训练大学木下教授等的指导下.研制了数控式砂带磨削装置.牧稿日期:2oo1一l109作者简介:稚嘉生:(1956年一),男,工学学士,机槭设计与制造可以去除任意形状铸件的毛刺.同年12月.日本磨粒加工研究会举办了去毛刺工艺讲座,会上发表了磨粒,砂布,超声波,化学,电解等方法去除毛刺的论文.1972年,小山株式会社研制的铸件去毛刺机,日本小松制作所的汽缸体自动去毛刺装置均获得日本自动化机械奖.日本东京芝浦电气生产技术研究所的高孝哉对2O余种主要的去毛刺方法的去毛刺原理,毛刺的大小,位置,去毛刺零件的形状,自动化难易程度,作业设备费用,特征等进行了深人研究和论述.1973年,美国狄地洲大学格里列斯皮完成了题为机械加工中毛刺形成与性质的论文.分析了机械加工过程中毛刺的形成原理,并论述了实验过程中对毛刺的观测.美国对机械零件去毛刺技术比较重视.是因为美国机械制造业发展迅速.产量高,批量大,质量要求高等因素.而用手工去毛刺满足不了生产发展的需要.1974年美国制造工程师学会首先成立了毛刺技术分会,着手对去毛刺技术进行研究,这是毛刺问题正式例人议事日程的开始】.1976年前后,日本已有去毛刺技术方面的专利300余件,其中有关塑料工件去毛刺技术的专利约有9O件.其间,日本的技术人员对产生毛刺的原因及预防措施进行了大量的研究和实验,取得了一定进展,其中振动光饰去毛刺机(又称振动滚磨机)的研究与应用在世界上得到好评.1984年以来.日本横滨大学中山一雄教授以切削加工中最基本要素切削方向和刀具切削刃为基准,对切削毛刺进行了第4期张惠生:机械零件去毛刺工艺的现状与发展59较为全面,系统的定义分类,先后对车削,刨削加工中被加工件的物理性能,工件形态,刀具的几何参数等因素对切削毛刺的影响进行了大量的实验研究与理论分析,这对有效抑制和减小毛刺的产生奠定了理论基础.为交流有关毛刺问题的科研成果,国际毛刺技术组织在1976年9月28-30日在美国德克萨斯湖的霍斯顿召开了首届抑制毛刺的国际会议,对有关毛刺问题进行了学术交流;之后,于1977年6月在美国费城召开了控制毛刺和表面加工精度的第2次国际学术会议,又于1979年10月召开了第3次毛刺问题的国际学术会议,交流研究及控制毛刺的科研成果.国际生产工程学会(CIRP)也在其学术会议上,相继就关于切削毛刺生成机理与去除技术等研究内容进行了学术交流,促进了毛刺生成机理与控制研究的深入发展.在200o年9月召开的第5届国际去毛刺和表面精整大会上.讨论了以IS09o00为基础的毛刺检查标准,其中包括40多项关于毛刺的技术问野.目前,去毛刺技术已受到各工业发达国家的普遍重视,我国原机械部液压行业就把去毛刺技术列为七五期间提高液压产品质量的主要攻关项居.随着我国工业化进程的加快,零件去毛刺技术的应用范围日益广泛,有越来越多的部门开始重视零件去毛刺技术的研究和应用,并已取得丰硕的研究成果.1毛刺的产生原因及危害机械零件加工方法大致可分为去除材料加工,变形加工,附加加工等.在各种加工中,与所要求的形状,尺寸不符的,在被加工零件上派生出的多余部分即为毛刺.毛刺的产生随加工方法的不同而变化.根据加工方法的不同毛刺大致可分为:铸造毛刺:在铸模的接缝处或浇口根部产生的多余材料,毛刺的大小一般用毫米表示.锻造毛刺:在金属模的接缝处,由于锻压材料的塑性变形而产生的.电焊,气焊毛刺:电焊毛刺,是焊缝处的填料凸出于零件表面上的毛刺;气焊毛刺,是瓦斯切断时从切口溢出的熔渣.冲压毛刺:冲压时,由于冲模上的冲头与下模之间有间隙,或切口处刀具之间有间隙,以及因模具磨损产生毛刺.冲压毛刺的形状,根据板的材料,板的厚度,上下模之间的间隙,冲压零件的形状等而有所不同.切削加工毛刺:车,铣,刨,磨,钻,铰等加工方法也能产生毛刺.各种加工方法产生的毛刺,随刀具和工艺参数的不同而产生不同的形状.塑料成型毛刺:与铸造毛刺一样,在塑料模的接缝处产生的毛刺.由于毛刺的存在将导致整个机械系统不能正常工作,使可靠性,稳定性降低.当存在毛刺的机器做机械运动或震动时,脱落的毛刺会造成机器滑动表面过早磨损,噪音增大,甚至使机构卡死,动作失灵;某些电气系统在随主机运动时,会因毛刺脱落而造成回路短路或使磁场受到破坏,影响系统正常工作;对于液压系统元件,如果毛刺脱落,毛刺将存在于各液压元件微小的工作间隙内,造成滑阀卡死,使回路或滤网堵塞而造成事故,还会引起流体紊流或层流,降低系统的工作性能J.日本液压专家认为,影响液压件性能和寿命的原因有70%是毛刺造成的;对于变压器,带有毛刺的铁心比清除毛刺的铁心铁损增加20-90%,并随频率的增加而加大.毛刺的存在还影响机械系统的装配质量,影响零件后序加工工序的加工质量及检验结果的准确性.2常见去毛刺方法及选择选择去毛刺方法时应考虑零件本身的材质,加工精度,几何尺寸及毛刺大小和部位等因素;还要注意改善去毛刺作业的环境和条件,降低生产成本,提高生产率.毛刺清除后应能达到所期望的去毛刺标准,不能降低零件尺寸精度要求和改变零件表面形态.在选择去毛刺设备时,应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,还要考虑加工后不能产生二次毛刺.常见的去毛刺方法及其特点为:1)人工去毛刺人工去毛刺是最普通,最传统的方法之一,适用于去除精度要求不高零件表面的毛刺.人工去毛刺的工具主要有锉刀,油石,砂布,钢丝刷等,去毛刺效果主要依靠放大镜等检测器具完成.这种方法不仅劳动强度大,对工人技术要求高,北京建筑工程学院第l7卷而且浪费工时,生产效率低,去毛刺质量不稳定.2)刷子去毛刺刷子去毛刺是利用特制的刷子(圆形刷,碗形刷,宽幅刷,侧磨刷,底磨刷,直线刷,弯曲刷,挠曲磨孔刷等),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.这种去毛刺方法分干法去毛刺和湿法去毛刺毛刺可分为金属类毛刷和非金属类毛刷.各种刷子的适用范围,要根据零件形状,材料,毛刺部位和大小等因素选择.去毛刺时,研磨刷旋转并做轴向进给,刷子对工件产生磨削,毛刺被去掉.该方法因其操作简单,移动方便,成本低等特点得到广泛应用.具有挠性的刷子可适应工件的形状,还能去掉一些复杂外形棱边上的毛刺,适于圆筒类零件的精密珩磨和内表面抛光的粗加工等.去金属类工件毛刺,应选用琴钢丝,不锈钢丝等制成的毛刷;去软材质的毛刺时,应选用铜丝毛刷.去塑料类工件毛刺时.宜选用化学纤维丝或动物纤维丝类毛刷,这样能达到较好的去毛刺效果.去毛刺时,刷子去毛刺与砂带磨削去毛刺方法并用的情况较为普遍.去毛刺效果较为理想.3)振动光饰去毛刺振动光饰去毛刺也称振动滚磨去毛刺,去毛刺机床有立式和卧式两种,工作原理基本相同.振动光饰去毛刺机床是长期以来使用普遍的去毛刺和光整加工设备.50年代日本,德国就开始使用.1965年我国皖南机械厂生产的ZL一25型振动光饰去毛刺机床已在一些工厂使用,去毛刺效果良好.其后,国内一些厂家陆续研制成100L,250L,直至900L的振动去毛刺机J.振动光饰去毛刺是一种振动磨削过程.将需要去毛刺的工件,放进按一定比例配制好的磨料和填加剂的容器中,依靠容器的周期性振动,使工件与磨料产生相对运动,相互磨削,把凸出于工件表面和周边毛刺磨掉,达到去毛刺的目的.振动光饰去毛刺方法具有操作简单,生产效率高,磨料来源广,用途广泛,可以加工黑色金属,有色金属,甚至可以加工塑料及加工质量稳定等特点.振动光饰加工不但可以去除毛刺,还可以去除零件表面氧化皮,以及棱边倒圆等.合理选择磨料,可对内孔或臆蔽表面的工件以及易变形的工件去毛刺加工;还可以对零件抛光加工,对形状复杂的工件抛光效果尤为明显.4)喷射法去毛刺喷射法去毛刺有喷射砂粒去毛刺和喷射水去毛刺两种方法.喷射砂粒去毛刺是将配制好的喷射物质,通过管道输送到喷嘴,从喷嘴高速喷射到工件的毛刺部位,使喷射材料对零件进行切削,达到去毛刺的目的.优点:不受零件形状,加工部位的限制,只要喷射物质能喷到的地方都可以去毛刺和倒角,对大型零件特别是铸造件效果尤为显着.但去毛刺时噪音大.长期工作对人体有一定伤害.喷射水去毛刺是利用高压水力喷射时所具有的冲击力和切割作用去除零件表面的毛刺.日本利克斯公司研制出的Rx7O7型深孔精密去毛刺机.采用数字控制,通过高压水的喷射,可去除铝件等精密深孔内部的毛刺,效果良好.5)热能去毛刺热能去毛刺工艺是由美国莫托洛的克斯国际公司于1970年首先研制出来的.1971年美国福特公司首先使用.1973年德国,日本随之研制成功,并有产品在市场销售.8O年代初,工业发达国家生产的汽车气化器壳体90%以上使用热能去毛刺工艺.1981年我国徐洲液压支架厂从德国引进了一台热能去毛刺机,之后国内远东机械厂,威海东华机械厂也相继研制出热能去毛刺机,井已作为产品销售.东风化油器有限公司等国内生产企业也对热能去毛刺工艺进行了大量研究,取得了良好的效果.热能去毛刺是一种简单的化学反应过程.将待除毛刺的零件放置在坚固的密封室内,利用通人混合的氢气和氧气点燃时发生爆炸的瞬间,将零件表面,棱边,内孔的毛刺去掉.该项技术具有去毛刺质量好,效果稳定,生产率高等特点,但加工成本较高对金属,塑料,橡胶等任何结构形状零件的毛刺,特别是形状复杂而用手工难于去除的零件效果显着.但不适于面积体积比过大及易变形的薄壁零件随着精密零件的大量使用,热能去毛刺的应用领域将日益扩大,前景广阔.6)化学去毛刺化学去毛刺是利用化学能进行加工的,适用于钢及其合金,铜及其合金,铝及其合金及其它金属材料的零件去毛刺.实际应用时,由于零件形状,零件大小,毛刺大小,零件材质,所用设备等的不同而有所区别.化学去毛刺溶液的配方,去毛刺时间,溶液第4期张惠生:机械零件去毛刺工艺舶现状与发展61温度等也应按实际情况确定.化学去毛刺的特点是生产效率高,去毛刺效果好,节省人力,降低劳动强度7)电化学去毛刺1989年瑞典研制出一种精密和环境安全的电化学去毛刺方法,后美国引进了该项技术并对其进行了深人研究.在美国工业中,真空管电极就是用这种方法去毛刺的.以研究毛刺而着称的美国本迪克斯(Bendix)公司吉莱斯皮(Gillespic)研究所研制出的电化学毛刺去除系统已用于小直径管内的毛刺和内角部位的毛刺去除我国也于8O年代开始研究电化学去毛刺工艺及设备,并已用于生产实践c电化学去毛刺的基本原理是利用电能,化学能进行阳极溶解来达到去毛刺的目的,是由电解加工发展而来的一项新工艺,电化学去毛刺与机械去毛刺相比,具有质量高,效果稳定,生产效率高,使用范围广,容易掌握等特点.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;对去除钼,镍,钛,高硬度合金淬火后零件的毛刺效果显着.由于去毛刺的零件必须具有导电性能,不适于非金属零件去毛刺8)刷子,电弧放电去毛刺这种方法是利用去毛刺装置接通电源并与工件上毛刺产生电弧,将毛刺去掉,是一项用途广泛的去毛刺技术但是,这种去毛刺方法有一定的局限性,要求被加工工件有一定的导电性能,因此只适用金属零件去毛刺.9)电热丝去毛刺这种去毛刺方法只适用于塑料零件.原理是利用电加热的细钢丝切断零件的飞边和毛刺.去毛刺的时间和被切轮廓的长度成正比.这种去毛刺方法,被切处光滑,但由于钢丝细长,在切断毛刺时纲丝要挠曲,容易引起位置误差,井容易残留毛刺,因此不适于要求太精密的零件lO)放电加工去毛刺放电加工去毛刺是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,设备簖单,制造容易,成本底.但复杂零件不能用放电加工去毛刺.因为,放电加工去毛刺电极外形简单,对复杂零件上的一些毛刺电极与工件不能调整到放电距离,去毛刺效果较差.l1)磁力研磨去毛刺磁力研磨法去毛刺6O年代起源于前苏联,保加利亚等东欧国家.8O年代中期日本对其去毛刺机理和应用进行了深人研究.磁力研磨时,工件放人两磁极形成的磁场中,在工件和磁极的间隙中放人磁性磨料.当工件在磁场中旋转并做轴向振动时,在磁场的作用下,工件和磨料发生相对运动,磨料就对工件表面进行了研磨加工.目前,日本,美国,德国,法国,前苏联和保加利亚等国都在研究和应用这一技术,已研制出专用多工位自动磁力研磨机,可对旋转体内外表面,平板类零件,齿轮轮齿,复杂型面等进行研磨加工;对清理印刷电路板上的毛刺也能收到较好效果.我国科技人员对磁力研磨去毛刺机床,去毛刺工艺等也进行了大量实验研究,并对一些零件进行了去毛刺尝试,达到了预期要求.l2)激光去毛刺利用聚焦的激光束产生的热能熔蚀,气化毛刺.此方法用于加工金属和非金属零件,质量好,精度高.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着.激光去毛刺是一种很有发展前途的去毛刺技术.l3)超声波去毛刺超声波去毛刺是利用它所产生的高频振动清除金属零件表面的毛刺的,适用于小而精密零件的去毛刺加工.l4)机器人去毛刺对由难于加工材料制成的外形复杂的零件,去毛刺工作靠手工或常规去毛刺机械难于完成,为此,国外开发了机器人去毛刺技术.随着计算机技术的发展,美国,日本,德国和加拿大等国已相继研制出由微机控制的去毛刺机器人,其位置重复精度达o10.o5毫米.计算机控制的去毛刺机器人,带有由专家系统构成的知识库,可与CAD/CAM结合使用.用机器人去毛刺,能保证零件质量的一致性,不出废品,并可提高工效34倍.国内航空航天领域已开始使用机器人去除航空发动机叶片上的毛刺,提高了叶片的磨削加工精度和叶片使用寿命,并可减少废品发生,被称为最具前途的叶片加工工艺方法.3去毛刺技术的发展趋势北京建筑工程学院第l7卷目前,去毛刺技术已受到各工业发达国家的普遍重视,相继成立了许多专门研究机构,进行了大量实验研究.去毛刺工艺已由手工作业向机械化,自动化的方向发展,去毛刺的工艺方法也在逐年增加.据粗略统计,1972年,去除毛刺的方法仅有22种,1975年增加到3O种,1990年则已达70余种J,已涉及机械加工的各个方面,并不断有新的去毛刺研究成果问世.随着中国加入WTO,改革开放进程的加快,产品竞争会目益激烈.提高产品内在质量,增加系统可靠性,降低成本是企业面临的唯一选择;另外,随着国家机电产品出口比率的加大,也为去毛刺的研究和应用带来锲机.有迹象表明,欧,美,日本,台湾,香港等国家和地区的一些企业,考虑或正在我国大陆设立光整设备生产基地和设置服务中心,以抢先占领中国市场.去毛刺技术的重要性越来越受到人们的关注,但作为一项重要的应用技术,我国与先进工业发达工业国家尚有差距,须作出更大的努力筠J,为此,应重视以下几方面的工作:1)加强我国去毛刺技术的研究,缩小与国外先进水平的差距国家机械行业主管部门应注重去毛刺技术的应用研究及设备开发工作,加强对成熟技术的推广应用,通过多种形式开展企业问的技术合作与交流.及时了解该项技术国际上的流行趋势与研究方向,为机械制造业整体技术水平的提高创造良好的外部环境与条件;编制,完善去毛刺技术和设备手册,制订行业去毛刺技术标准.开展去毛刺技术标准化工作,使其能对去毛刺技术的应用起到指导作用;制定,完善有关政策.鼓励工程技术人员和工人进行技术革新,提高去毛刺技术水平,缩小管理,技术协调及标准化方面的差距.加强毛刺生成机理和去毛刺技术的研究,开展去毛刺设备重点攻关,协调去毛刺研究成果的推广应用,缩小去毛刺技术和设备方面的差距2)加大无毛刺技术设计的研究力度去毛刺技术按加工技术可分为两类:一类是无毛刺加工技术(包括控制毛刺高度在允差范围内);另一类是去毛刺技术.国外许多公司已在研究无毛刺技术的应用.无毛刺技术即在产品和工艺设计阶段就考虑毛刺的形成机理及去除方法,将毛刺降低到最低限度,无毛刺设计主要包括以下内容:a.尽可能选用无毛刺或小毛刺材料.塑性好的材料易产生毛刺.而硬质材料在切削时很少产生毛刺.b.在可能产生毛刺的边棱上增加凹槽,切口,圆角等,减少毛刺的发生.c.改变零件的几何形状,使毛边变为非功能边,或使毛刺易于清除.d精确设计零件加工工序,可减少毛刺数量或缩小毛刺尺寸.e保持切削刀具锋利,提高刀具性能,有利于减小毛刺尺寸.f.采用例如化学切削法的方法,控制毛刺的形成.g.研制,推广有效控制毛刺生成的新工艺,新技术.h.在冲压件加工中,采用聚胺脂橡胶冲模,以实现无毛刺冲裁.3)研究减少毛刺的措施选择合理的机械加工方法,从工艺角度合理安排并优化机械加工工艺,采取措施减少,或不产生毛刺.是去毛刺领域的研究方向.普遍认为选用合理的加工方法,合理安排加工工序,优化刀具设计,合理安排走刀方向,合理安排走刀用量,提高切削速度,合理安排热处理工序,应用附件加工,采用多件重叠加工,尽量采用少毛刺或无毛刺加工技术是值得研究注意的课题.4)去毛刺向高新技术方向发展由于自动化技术的应用,数控机床已发展为柔性制造单元(FMC),柔性制造系统(FMS)及功能完善的计算机集成制造系统(CIMS),加工生产率成倍提高.而去毛刺技术未能适应其发展要求.从某种意义上讲.切削毛刺的产生在一定程度上延缓了机械工业向自动化,无人化方向发展的进程,阻碍了切削加工效率和加工精度的提高.为自动加工设备配套的去毛刺机械是今后的研究方向.目前.国外已成功研制了用于CNC数控机床上的去毛刺技术.并已投入使用.该项技术的核心是一套按不同几何形状确定的刀具,由刀杆,去毛刺工具和特殊轴承结构三部分组成,具有非常短暂的工作节拍和很高的去毛刺质量.国内研制的由PC控制一组轮刷作为切削工具的半自动齿轮端面去毛刺机床已研制成功并投入使用:铸件去毛刺是一项重体力劳动铸件形状复第4期张惠生:机械零件去毛刺工艺的现状与发展杂,体积一般较太,品种多,批量小,给自动化清理带来一定困难.同时,作业时工具噪音太,震动太,易给操作者带来损伤.因此,多品种小批量生产的铸件清理作业机械是发展方向,有些国家已开始使用机械人,数控机床去除铸造工件上的毛刺.展望去毛刺技术,无毛刺冲制工艺已经研制成功,以德国Bosch公司研制的柔性去毛刺系统FDS(FlexibleDeburring)和包括切屑处理,清洗在内的柔性清整系统FFS(FlexibleFinishingSystem)为代表的高度自动化的去毛刺技术已得到应用.这标志着去毛刺技术正向高新技术领域迈进.参考文献:1吴敏镜.毛刺工程的产生和展望J.新技术新工艺,加00.7:19201刘维云,等.机械零件去毛刺工艺M.中国农业机械出版杜.19843王贵成sll-关于韧削毛刺生成机理与去除技术的研究Jj工具技术,1991,25(3):31324:张芳丽(泽).检查毛刺.wMEMcJ.1999(3)8:28305秦宗旺发展去毛刺技术J.航空精密制造技术1990,2:162O6棣立稀金属切削毛莉的生成机理与对策J湖北汽车,1995,3:3941:7:剐嘏敏,等.去毛刺技术在制造工程中的地位和现状J.航空科学技术,1993,4:2729,48:8邢鄙美.毛辅发生机理与形毒及去豫方法的探讨J航天反回与遥感,2000,21(2)6:4049:9寨宗旺几种新童去毛刺和光整加工设备J.航空精密制造技术1993,29(3):2o一22,3410隶成昭重(日)求力喷射去毛刺J.工具技术1994,28(11):2930t1蒋怀青.热能去毛棚工艺J航空精密制造技术.1991,3:2O一2312皮启僖.热能去毛刺锌台金钝化件的前处理J材料保护,2000,33(8)8:22涤尘.高温去毛刺工艺J.摩托车技术.1990.3:2630张悔岩齿轮的