（机械工程专业论文）65mn钢平台磨削淬硬加工中毛刺的形成机理及其控制.pdf

摘要 毛刺的产生是金属切削加工中长期存在的问题，切削毛刺的控制与去除技术 是现代机械制造技术的两大发展方向精密与超精密加工和自动化加工中的 关键技术之一。毛刺虽小，但是危害极大。各种毛刺的存在不但影响整个工件的 可靠性，给加工、装备、检验、产品性能、使用寿命以及安全和外观都带来危害。 随着工业化水平的提高，机械零件的制造精度要求越来越高，这就要求工件的毛 刺尺寸尽量小或者没有。本文以平面磨削淬硬试验为基础，对6 5 m n 钢磨削的两 侧方向和切削方向的毛刺产生和控制进行了研究。通过改变磨削中各个参数变 量，来控制各个参数对平面磨削淬硬加工中产生的两侧方向和切削方向上毛刺的 影响。本文主要的内容包括： ( 1 ) 介绍了毛刺研究的意义、国内外研究现状和6 5 m n 钢磨削毛刺研究所呈 现的主要问题，以及传统与现代去除毛刺的方法。 ( 2 ) 磨削加工的基本原理以及毛刺的生成机理和分类，得到磨削淬硬加工中 毛刺的两种基本形式，即两侧方向毛刺和切削方向毛刺。 ( 3 ) 对6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工中毛刺的形成试验得到，在工件的两侧方 向和切削方向的毛刺生成比较突出，通过改变磨削中的参数，来确定各个参数对 6 5 m n 钢平面淬硬磨削中生成的毛刺影响，从而提出相应的实验结果，进一步提 出控制6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工中毛刺的方法。 关键词：切削毛刺；6 5 m n 钢；磨削加工 a b s t r a c t n l ec o n t r o l l i n ga i l dd e b 嘶n gte c ：i l f l o l o g ) ro fm a c h i 面n gb u r r si so n eo ft h ek e y t ec _ h n o l o 百e so ft h ep r e c i s i c n0 rs u p e 印r e c i s i o n 锄da u t o m 撕cp r o c e s s i n g ，w 1 1 i c ha r e t 、) i ，om a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o n so ft h em e c h a i l i c a im 柚u 绷n g a l m o u 9 1 lb u 玎sa r c s m a l l ，t l l eh a z a r d sc a u s e db yb u r 瑙a r cv e 巧i a 曙e b m r si l o to l l l yi n f l u e f l c em e p r e c i s i o no fw o r k p i e c e ，b u ta l s oa 觚tn l er e l i a b i l i 哆o fw h o l em a c h i n ea i l db r i n ga 伊e a th 锄t op m c e s s i n g ，弱s 锄b l i n g ，t e s t i n g ，p r o d u c tp e r f o 肌觚c e ，l i f es p 孤，s a f 匆 锄d 印p e a m c e w i t l lm ei m p r o w 釉e n to fi n d u s t r i a l i z a t i o n 锄da u t o m a t i o n ，n l e r e q l l i f e m e r 如o fm a n u f a c 嘶n ga c c u 船c ya i l da p p l i c a t i o nc o n d i t i o i l sb e c o m eh i g h e r 锄dh i 曲既删s r e q u i r e s 廿l a tp a i t so f t l l eb u r rs i z ei s 鹤s m a l l 嬲p o s s i b l eo rn 0b u 璐 0 l i lt 1 1 eb 嬲i so ft l l es u r f a c e 鲥n d i n 乎h a r d e n i n gt 锱t ，出es i d e w a r db u r 瑙锄dc u t t i n g d i 删i o nb u r r so f6 5 m ns t e e lw e r e 咖d i e d b yc h a l l 西n gv 撕o l l sp a r 锄e t e r so ft 1 1 e g r h l d i n gv a r i a b l 懿t 0c o n t r o l l ee f f e c t so fv 撕o u sp a m m e t e r so nt h eb u r ro nb o m s i d e so fn l en a tg r i n d i n gh a r d e ：1 1 i n gp r o c e s s i n gd i r e c t i o n 锄dc l u t t i n gd i r e c t i o n t h e m a i nc o n t e n to f 1 i sa n i c l ei n c i u d e ： ( 1 ) t h i sa n i c l ed e s c 曲e sm eb u 玎s s i 鲥f i c 锄c eo fn l es t l l d y ，n l er 鹃e a r c hs t a t i l s 龃dm em 勾o rp r o b l e m so f6 5 m i ls t e e l 鲥n d i n gb u n s ，懿w c l l 勰蛔d i t i o n a la 1 1 d m o d 锄m e t l l o d st 0r e m o v em eb u n - s ( 2 ) t h eb a s i cp d n c i p l e so ft l l e 鲥n d i n ga i l dt l l ef 0 衄a t i o nm e c h a n i s ma n d c l a s s i 丘c a t i o no f b u r r sw e r ed e s c 抽e d ，t 、) l ，ob a s i cf o m so f b u 仃so f 西n d i n g h 莉e n e d p r 0 c e s s i n gc a n b ea t t a i n e d ，t h a ta r es i d e w a r db u n 芯a n dc u t t i n gd i i l c c t i o nb u n s ( 3 ) t h r o u g hm eb u r rf o 肌a l i o nt e s to f6 5 m ns t e e ln a t 蛳n d i n gh a r d e l l i n g p r o c e s s i n t h eb u r r sg e n e r a t e di nm ec u t t i n gd i r e c t i o na i l dt h ed i r e c t i o no fb o t l ls i d e s o ft l l ew o r k p i e c ea r cm o r ep r o m i n 锄t w ec 锄c h a i l g e t l l e 鲥n d i n gp a r a m e t e 瑙t 0 d e t e 玎：i l i n em ee f l e c t so fv 撕o u sp 鲫i n le t i 琊t 0t h eb u r r so f6 5 m ns t e e lh a r d e n e d 鲥n d i n gg e l l e r a t e d ，t h mm a d em ec o r r e s p o n d i n ge x p 商m t a lr e s u l t s ，f u r c h e rr a i s e m 劬o d so f c o n 仃o l i n gb u r r si nt h e6 5 m ns t e e lf l a t 鲥n d i n gh 捌e l l i n gp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：m a c h i n i n gb u n 葛；6 5 m ns t e e l ；g r i n d i n g l i 第一章绪论 第一章绪论 金属切削毛刺是指在零件加工过程中，由于切削力的作用，残留在工件各面 上的变形金属。在车削、铣削、磨削及钻削等机械加工中产生的各种毛刺是金属 切削过程中产生的特殊现象之一，工件的形位精度和尺寸精度直接受到毛刺的影 响，而且在工件的后续加工、装配、运输及其使用等方面也会带来诸多的负面影 响，甚至会影响到工件的使用性能及其寿命等。所以毛刺的去除或抑制对金属切 削加工有很大意义。 1 1 工程背景与研究意义 近些年来，随着机械制造业向着自动化、高精度、高效率方向的发展，对于 切削加工精度也有着的越来越高的要求。尤其是在精密加工、柔性制造系统 ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m 缩写为f m s ) 和其他自动化加工中，去除毛 刺工作常常会成为增大工件的加工成本、降低其系统生产效率的直接原因之一 【i 一7 】 o 所谓磨削淬硬，指的是磨削过程中增加表面淬火工艺，选用合适的磨削用量， 使未经过淬硬的钢形成含有超细化马氏体和压缩残余应力的磨削表层，同时在磨 削表面无裂纹。该工艺将表面热处理集成到机加工生产线中，缩短了生产周期， 节省了生产成本，减少了能源的消耗以及对环境的污染，具有显著的经济和社会 效益【h 1 。 所谓的金属切削毛刺是指切削加工中，工件的边、角、棱等部位上部分或全 部被切削层金属受到刀具前刀面和切削刃的作用后，部分地或全部地遗留在工件 理想尺寸的凸起或凹入的部分2 - 6 】。如图卜1 所示。 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加l ：中毛刺的形成机理及其控制 a ) 毛刺外观b ) 毛刺断面尺寸 一高度，一根圆半径6 一厚度 图卜1 毛刺外形和尺寸 金属切削加工中，例如刨削、铣削、车削、钻削等加工中产生的毛刺经常给 零部件或工件的后续加工、装配、运输及使用带来不必要的问题【7 l ： ( 1 ) 直接或间接影响到加工工件的形位精度、尺寸精度以及表面粗糙度； ( 2 ) 对下道加工工序的定位造成一定的影响和破坏； ( 3 ) 装配工序中，会影响到零部件的装配质量，甚至使其不能正常装配； ( 4 ) 工件的测量精度也会受到影响或干扰； ( 5 ) 在零部件( 或工件) 的加工及运输过程中，不仅对操作人员的安全构成 威胁，而且还会影响人员对工件的操作和使用： ( 6 ) 在零件使用中，有可能因为毛刺的脱落而使得机械传动受阻、还会破坏 机械传动平稳性，会发生电器短路等电路方面的故障，使毛刺成为引起这些事故 的直接隐患； ( 7 ) 在机械加工过程中，毛刺的突然脱落往往会使得被加工工件出现亏缺 ( 或者被称为负毛刺) ，直接导致了工件尺寸出现超差或报废等现象； ( 8 ) 在自动化加工和f m s 中，去除毛刺常常成为加大加工成本的主要原因之 一： ( 9 ) 液压或者气压的传动部件上倘若带有毛刺，会使其使用性能受到损伤、 并且会对其工作效果产生直接的影响； ( 1 0 ) 直接的影响了工件的外表美观度，并且会对后续的产品销售产生影响。 近年来，在机械制造中精密加工和自动化技术随着科学技术的不断发展进 步，应用范围也在不断扩大。尤其是一些高端高科技含量高的事业，其快速发展 后对切削加工精度要求很高。一些比较特殊的零部件其加工方面的精度要求在控 2 第一章绪论 制在l 朋或0 5 朋左右。但是我们可以看到在机械发达的美国、德国等国的现 代化工厂的车间里，还可以能看到：工人手持着简单工具如：钢刷、锉刀等，做 着繁重、令人厌恶的去除毛刺的工作。日本工业调查研究会的的份统计分析表 明：毛刺的去除工序所要花费的工时大概可以占到总加工工时的5 一l o 。由 于未搞清楚金属切削毛刺的生成机理，所有至今还没有有效的抑制或去除毛刺的 方法。 因此，研究如何抑制或减小毛刺的新技术、新方法和新工艺，对消除生产的 隐患、提高机械加工质量和生产效率有重要的意义。 1 2 国内外对毛刺所作研究状况 日本精密工学会前副会长，著名的金属切削专家中山一雄曾指出：切削毛刺 和切削处理是迄今为止金属切削技术中尚待解决的两大难题。所谓切削处理技术 就是采取各种手段和措施，促使切屑在生成或流出的过程中以一定的长度折断， 防止连绵不断的切屑向刀具或工件上缠绕，进而确保切削加工的顺利进行。尽管 切屑的形状和流出与工件的加工表面紧密相联，但切屑毕竟是金属切削加工中所 遗弃的部分。切削毛刺与切屑有明显不同，毛刺同工件的已加工表面密切相连并 融为一体，其尺寸和形态直接影响工件的精度和表面粗糙度等。因此，为了保证 精密加工和自动化加工的顺利进行，必须对切削毛刺的生成机理及其抑制技术进 行系统、深入的研究伯q 目。他以毛刺伸出方向和刀具切削刃作为参考系，金属切 削毛刺可以分为沿刀具切削刃横向流动所形成的毛刺即切入和切出方向毛刺、两 侧方向毛刺、倾斜毛刺等四个大类部分，并研究了两侧方向其毛刺形成的机理。 研究结果显示口1 ： ( 1 ) 两侧方向毛刺的根部厚度和高度随着切削厚度的增加而增大； ( 2 ) 切削毛刺的尺寸随着切削速度的提高而减小； ( 3 ) 随着刀具前角增大，则毛刺的尺寸减小。 中山等找出了在二维切削中的两侧方向毛刺尺寸与切屑剪切应变的关系，指 出了两侧毛刺的生成及变化主要是由切屑剪切应变的变化所引起的。 1 9 9 6 年，在国际生产工程协会( c i r p ) 年会上，一些学者发表了有关磨削 3 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加l ：中毛刺的形成机理及其控制 淬硬的工艺研究方面的论文n 6 1 。他们对退火态a i s ie 5 2 1 0 0 钢和调质态d i n 4 2 c r 进行了磨削淬硬的试验研究，得到的结论是：磨削淬硬通常适用于能承受中等强 度载荷作用零件表面的热处理。同时指出，磨削热能强化未淬硬钢质工件表面的 理论。短时间内工件表层的奥氏体自淬火向马氏体转变，这现象即为磨削淬硬。 所以粗磨工艺参数的合理选用，能够使得工件磨削淬硬层形成马氏体的结构，使 其表面无裂纹，存在压缩残余应力。从而开始了磨削淬硬工艺研究，为后续的研 究提供了有效部分试验数据。 随后，针对a i s l 4 1 4 0 钢，b r o c k h o f f ，t 在早期研究的基础上，进行了单因 素磨削淬硬的试验研究和理论分析。摩擦学试验结果表明，磨削淬硬零部件的 表面耐磨性相对于非淬硬零部件可提高三到七倍。通过试验分析得到： 1 ) 在进给速度的中间阶段会出现最大淬硬层深度，进给速度很低或很高的 时候都难以达到令人满意的试验结果； 2 ) 淬硬层深度与磨削速度间不存在普遍的对应关系； 3 ) 磨削深度的增加，相应的会导致淬硬层深度发生变化，出现一定的增加； 4 ) 获得较深的淬硬层必须对调制态零件进行磨削淬硬。 学者们的这些研究为深入研究磨削淬硬工艺奠定了坚实的理论基础。 2 0 0 2 年，在一定的磨削工艺条件下，澳大利亚的z a r u d i ，l 等学者对调质 态a i s l 4 1 4 0 钢进行了磨削淬硬试验，该研究充分的证明了淬硬加工工艺的应用 优势。分析结果表明，磨削工程中，应力场与温度场的共同作用，磨削淬硬组织 外表层获得具有超细板条马氏体( 0 5 m ) 和多边形、胞状的位错结构。与常规淬 火相比较，淬硬组织亚表层的马氏体板条尺寸沿着淬硬层由外向内逐渐增大，磨 削淬硬组织的热化学性能稳定性也因高硬度、超细化晶粒与多边形位错结构而增 加，使磨削淬硬的摩擦系数、疲劳寿命和磨损率得到了显著的改善。 随后，z a r u d i ，l 等学者利用坐标网络法、j a e g e r 磨削热模型及c a h n 相变 理论，模拟了某一特定工艺条件下的磨削淬硬组织淬硬层深度方向的变化。得到 的模拟结果吻合于工艺条件下的磨削淬硬试验结果。虽然模拟分析是在相对理想 环境下进行的，但这提供了一种可行的磨削淬硬的组织形成机理及变化规律理论 研究分析。 在2 0 世纪，我国也相应的开展了，有关磨削淬硬方面的研究工作。其中， 4 第一章绪论 山东大学的王珉曾提出新设想，利用b p 神经网络来研究磨削淬硬，编制磨削淬火 方面的仿真系统，利用该系统对磨削力、磨削温度、淬硬层深度和表面粗糙度等 进行了预测，并于实测值进行了比较。刘菊东、王贵成和王保林等老师全面而深 入的研究了磨削淬硬的形成机理及其数值模拟，并且取得了一系列的成果m 1 ： ( 1 ) 发现了磨削淬硬层中马氏体组织得变化是沿其深度方向，并且均呈现 出了“细略粗细”的规律； ( 2 ) 通过应变场和磨削温度场的耦合作用，阐明了6 5 m n 、4 5 、6 0 和4 0 c r 等材料在不同磨削试验条件下的磨削淬硬层组织的形成机理； ( 3 ) 考虑了实际边界条件，并建立了实际磨削淬硬温度有限元模型，利用 a n s y s 软件对工件中的温度场进行了仿真，预测了磨削淬硬层的深度； ( 4 ) 对磨削淬硬加工中两侧方向毛刺的形成与控制的进行了研究等( i - 1 5 1 。 磨削淬硬过程是一个复杂的过程，经过了磨削力、磨削热和组织转变三方面 共同的作用。磨削淬硬工艺不仅减少零件加工工艺、资源与能源的消耗以及对环 境的污染，缩短了零件的生产周期，而且还可以减少专用热处理设备及人员等的 投入。磨削的加工工艺条件，通常会通过对周围磨削区应力场的大小、分布、及 热源强度与加热速度以及热作用时间的影响，直接影响到零件表层的奥氏体及转 变后组织的结构与形态变化，所以在可淬硬钢零件的磨削加工、表面淬火集成制 造中具有广阔的应用前景，并具有良好的社会效益和技术经济效益，为表面处理 和加工工艺提供了有效的手段。 1 3 抑制或减少毛刺的基本措施 在9 0 年代，在汽车制造业中。采用了譬如精锻、精铸、及特种加工和精冲等 新技术、新工艺对零件进行加工，但金属切削加工量，在零件机械加工总量中仍 占据了大约6 0 9 6 7 0 的份额。各种加工方法在金属切削加工过程中会在不同程度 上产生毛刺。毛刺的产生是不可避免的，但可以抑制。如果毛刺的存在，则会严 重地影响零件或产品的精度和质量，并最终导致零件的各种弊病和副作用。因此， 加工后应该想办法把零件毛刺去掉。 各种各样零件上的毛刺的去除，在实际生产过程中不仅工时花费量大，而且 还会增加零件的生产成本。发达国家美国和日本的一些相关调查结果表明，在机 5 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加r 中毛刺的形成机理及其控制 械加工生产中，去除毛刺所需成本，可以占到零件总加工成本的3 倍左右：去除 毛刺工序花费的工时，可以占到总加工工时的5 1 0 9 6 。由此可见，毛刺问题直 接影响到产品的更新换代、质量的提高。它是降低成本的至为关键的重要因素， 也是在实现车间生产自动化的一大主要障碍。有很多影响毛刺生成的因素，国内 外对如何减少和控制切削毛刺的生成，进行了大量行之有效的研究和试验。实践 表明：对毛刺生成之前的事前措施和生成之后的事后措施进行考虑，结合这些措 施的经济性，才能得到一个完整有效的去毛刺对策。所以在工艺和零件设计，及 刀具设计中，研究控制毛刺生成的事前基本措施，分析最佳去毛刺方法，及选取 有效的事后基本措施n 钔。 传统减少金属切削毛刺的一些基本措施及优缺点的简要探述n 9 。翻。 ( 1 ) 零件设计时的基本措施 1 ) 工件材料：毛刺的生成有很大程度上受到工件材料的物理机械性能的影 响。如在切削加工过程中，工件的变形硬化指数、延伸率、硬度和抗拉强度等使 得铸件生成的毛刺要比钢件小得多。因此，在可以满足强度要求的前提下，尽量 选用延伸率和变形硬化指数较小的材料，以减少毛刺的生成。但是这种方法不能 从毛刺的形成原理上解决毛刺的问题，而且在材料的选择上耗时耗费比较大，不 利于不同材料工件的加工。 2 ) 结构形状：合理的结构形状有利于毛刺形成的抑制。金属切削毛刺主要产 生在零件的棱边上，零件两相交面间的角( 棱角) 越大，生成的毛刺越小。在零 件结构设计时，最基本的就是要利用其棱角效应，并采用倒棱结构等原理来减少 毛刺生成。当棱角为1 5 0 。时，零件上基本不会生成切削毛刺。在对零件结构 做合理设计时，还应该考虑到棱边的位置分布、形状及数量，对其会产生的影响。 此外，在做零件结构设计时，还应尽量让加工毛刺产生在对零件质量不会产生影 响的非工作表面上，例如退刀槽等。这是因为切削毛刺的不良影响多数会体现在 零件的工作表面上。实际工作发现：变内加工面为外加工面，变曲线棱边为圆形 棱边或直线棱边，减少加工表面等一些方法，都是可以有效的减少去毛刺成本的 基本措施n 劬。有时候对工件结构的改变也会对零件本身的稳定性有一定影响，故 而此方法的应用范围比较狭小，只适合于优先考虑时使用。 ( 2 ) 工艺设计时的基本措施 6 第一章绪论 1 ) 采用合理的加工方法：不同加工方法所产生的切削毛刺的形状、大小也是 各不相同。所以在进行工艺设计时，应尽量选用毛刺生成较小的加工工艺方法。 例如在加工平面时，采用顺铣比采用逆铣更好，这是由于逆铣生成的毛刺较大， 而顺铣时因切入层厚、切出层薄使得生成的毛刺较小。 2 ) 合理安排加工顺序：应尽量将可能生成毛刺较大的工序优先安排，把会生 成毛刺较小的工序安排在后面，这样就可以合理利用其后工序的加工，来去除上 道工序产生的切削毛刺。例如：对带有键槽、轴类零件做加工时，我们可把工序 安排为先铣后车，这样加工工序安排比先车后铣更为合理，因铣削加工时生成的 大毛刺在车削时会被车掉，而车削加工所产生的毛刺较小，去除会相对容易。 3 ) 合理选择加工时的走刀方向：在金属切削加工时，根据毛刺的棱角效应尽 量使出刀口位于容易去除毛刺的部位和使出刀口位于零件棱角较大的部位，以减 少毛刺的生成。 4 ) 合理安排热处理的加工工序：在加工工艺过程的不同阶段，热处理工序合 理安排可以改变工件材料的物理机械性能，如延伸率、硬度等，还可以在加工过 程中减少零件生成的毛刺。 5 ) 合理选择切削用量：切削毛刺变大都是在零件切削加工过程中产生较大的 切屑时形成的，此时的切削热增多，加剧了刀具的磨损，使刀具的耐用度降低， 而切削抗力却出现了增大，使工件材料的塑性变形加剧。所以，对零件的精密加 工，零件加工一般可以通过一些方法，比如减少加工时的切削深度和刀具走刀量 来减少毛刺的生成。此法要求对切削时切削参数对切削毛刺的生成的影响明确。 6 ) 采用附件加工：在零件加工出刀口处采用相应的一些辅助支承件、心轴等， 可以提高加工零件时其出刀口处的刚性，使切削变形减小，进而会减少出刀口处 毛刺的生成n 羽。 7 ) 采用多件重叠加工工艺：活塞环精车及磨削外圆和内孔加工时，采用零件 成组叠加后在其两侧方向附加垫块的方法，可使活塞环零件上的毛刺去除，而使 毛刺产生在附加的垫块上面。这就是采用了多件零件重叠加工，使一个零件的出 刀口紧贴另一个零件的入刀口方向，n 钔这样既在缩短切削行程的同时也提高了其 生产效率，减小了切削变形，并且增强了工件的刚性，合理有效地抑制了毛刺的 生成。方法简单却十分有效，但其增加了工件的边缘尺寸，不利于工件的装夹。 7 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加r 中毛刺的形成机理及其控制 8 ) 采用少无毛刺工艺：某些精密零件在加工时需要采取措施，严控毛刺的产 生，可采用少无毛刺的先进加工工艺。例如电解加工、振动切削等。 ( 3 ) 刀具设计时的基本措施 1 ) 选用合适的刀具材料：刀具材料的本身性能会对刀具切削性能产生直接影 响。刀具在整个切削过程中，既会因为高温加热而产生氧化，又要承受很大的切 削力，其工作条件相当恶劣。使得刀具出现磨损加剧、切削刃钝化，产生难去除 的粗大毛刺。因此，须根据工件加工时的要求和材料性能，在作刀具设计时考虑 选取较为合适的刀具材料。 2 ) 选择合理的刀具角度：刀具角度方面，其前角、后角、主偏角、副偏角等 都会影响到毛刺的生成。可通过适当增大刀具的前角，减少切削过程中切屑的变 形，有利于减少毛刺的生成。适当增大刀具后角，可以使刀具刃口锋利，减轻刀 具刃口对工件材料的挤压，避免了己加工表面的切屑的滞留，也有助于减少毛刺 的生成。影响切削残留面积的因素主要有主偏角和副偏角，所以在切削加工时， 常常在工件残留面积上生成毛刺。通过利用毛刺棱角效应原理，增大刀尖角可以 减少毛刺的生成，但过大的刀尖角又会引起振动，使得加工条件恶化，无法继续 进行加工。因此，一般措施是在刀尖处磨出一段横刃( 修光刃) ，减小副偏角，增 大主偏角。 3 ) 采用适宜的刀具结构：不同结构形式的刀具能够不同程度上控制毛刺的生 成，例如在加工过程中，通过采用复合刀具，使得前一刀具切削时生成的毛刺会 被其后刀具切削时去除，这样不仅控制了切削毛刺的生成，而且还改善了工件加 工质量。 ( 4 ) 选择最佳去毛刺方法 影响去毛刺的因素很多，主要是零件加工条件和加工要求，要根据被加工零 件的尺寸大小、生产批量、结构形状、材料特性、加工精度，及产生毛刺的位置、 大小等各因素，综合考虑选择最佳的去毛刺方法。不同去毛刺方法其加工原理、 特点、应用场合也是各不相同。应该根据不同零件和加工方法所能产生的毛刺类 型，来选取相应合适的去除毛刺的方法。去除毛刺方法的加工能力、现有设备、 其经济性、技术水平高低；某些去除毛刺方法所产生的副作用，如零件表面会出 现的的损伤、划痕、变形、渗杂、租糙度、残余应力及加工精度高低、色泽变化 8 第一章绪论 等，都是我们要全面考虑的因素。根据零件加工要求和综合加工经济费用来合理 选择去毛刺方法。在加工过程中通过多次试验，选择确定加工最佳参数减少毛刺 的生长。 通常，以上方法还不能全面解决毛刺问题。还要根据下述方式去选择合理去 除毛刺的方法。 a 、对多种去毛刺方法的优缺点进行详细分析和比较后，考虑已有的技术、 经验，来选取较为合适的去除毛刺的方法。这是目前采用较多的选择方法； b 、按零件结构形状或加工要求进行分组，再选择去毛刺方法； c 、根据被加工零件的尺寸大小、种类、研磨量和所能达到的表面粗糙度等 级，来选择合理的去除毛刺方法； d 、利用计算机来为我们选出最佳的去除毛刺方法。德国斯图加特( s t u t t g a r t ) 大学的生产技术和自动化研究所编制了e d p 程序语言，能够利用计算机技术选出 最佳得去除毛刺方法。国外还研制了一种去毛刺系统：计算机辅助的机器人，其 构成是由专家系统构成的知识库，其中存贮了大量有关精加工方面的技术数据。 另外，它还可以与其他计算机辅助技术有机结合，实现毛刺的控制。 因此，我们知道，传统去除毛刺的方法很单一，方法原始，得到的零件表面 质量较低，得不到要求中的质量要求。费时费力，效率很低。 现在的技术已经得到飞速发展，所以去除毛刺的方法也得到了很大的改善。 人们通过不断的实验研究和实践，总结探索得出了一些去除毛刺的方法。现在常 用的修边去毛刺主要有以下这么几种睁捌，它们的优缺点对比如下。 ( 1 ) 手工去毛刺：传统的方式是钢锉，砂纸，磨头打磨；而修边刀逐步取代 了这些传统的方法，使用起来简单方便，不需要技术处理，节约成本并且环保。 人力资源消耗较大，耗时，去除方法比较单一。 ( 2 ) 化学去毛刺：基本原理是利用电化学反应对由金属材料制成的零部件有 选择地、连续地完成去除毛刺的作业。在液压、气动、油嘴油泵、工程机械、汽 车、发动机等行业有着广泛应用，同时也广泛应用在不同金属材料的连杆、泵体、 阀体、柱塞针阀偶件等零件的去除毛刺加工中。主要适用于难去除的内部毛刺以 及精加工的零件和热处理后的零件。根据要去除的不同工件材料的毛刺，来选取 不同化学溶液。溶液主要是由盐酸、硫酸、磷酸、盐酸二基苯胺和水等成分按一 9 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加j i ：中毛刺的形成机理及其控制 定比例配制。化学去毛刺适用于较小的金属零件，这种方法可以去除厚度小于 o 0 7 咖的细小毛刺。适用范围较小，且成本较高，化学危险系数大，有毒，污 染环境。 ( 3 ) 电解去毛刺：利用电解作用去除金属零件毛刺的一种电解加工方法，英 文简称e c d 。将工具阴极( 一般用黄铜) 固定放置在工件有毛刺的部位附近， 两者相距一定的间隙( 一般为o 3 1 毫米) 。工具阴极的导电部分对准毛刺 棱边，其他表面用绝缘层覆盖起来，使电解作用集中在毛刺部分。加工时工具阴 极接直流电源的负极，而工件与直流电源正极相接。压力为0 1 0 3 兆帕的 低压电解液( 一般用硝酸钠或氯酸钠水溶液) 流过工件与阴极之间。当接通直 流电源后，毛刺便产生阳极溶解而被去除，被电解液带走。电解液有一定腐蚀性， 工件去毛刺后应经过清洗和防锈处理。电解去毛刺适用于去除零件中隐蔽部位交 叉孔或形状复杂零件的毛刺，生产效率高，去毛刺时间一般只需几秒至几十秒。 这种方法常用于齿轮、花键、连杆、阀体和曲轴油路孔口等去毛刺，以及尖角倒 圆等。此法适用于黑色、有色金属零件，特别适用于机械、手工方法难以去除的 内孔、交叉孔及内表面的零件及形状复杂的零件，能去除特硬材料如镍、钼、钛、 淬火零件的毛刺。缺点是零件毛刺的附近也受到电解作用，表面会失去原有光泽， 甚至影响尺寸精度。 ( 4 ) 超声波去毛刺：超声波去毛刺就是利用产生的超声能量在稀疏状态液体 里振动，使液体撕裂成很小的空穴( 即内部是真空的) ，这些空穴在破裂的时候 会产生高达几百个大气压的瞬间压力把附着在部件上的毛刺清除干净。针对一些 微观毛刺，超声波可以用原来去毛刺，但适用范围有限。如果毛刺需要用显微镜 来观察的话，一般就都可以尝试用超声波的方法去除。在超声磨削工件振动过程 中，随着砂轮磨粒直径、工件速度和磨削深度的增加，超声振动使磨削力呈现上 升的趋势；当磨削用量变化趋势减缓时，磨削力也会随之减缓。砂轮速度的增加 也会使磨削力呈降低的趋势。切向超声振动变化稍弱，而径向超声振动使切向磨 削力f t 出现下降，而轴向超声振动使之有较大幅度的上升；法向磨削力f n 会受到 这三种超声振动方式影响而大幅降低，其中切向超声振动影响稍弱，轴向超声振 动的影响最弱，而径向超声振动使之降低最为明显1 。由此可见，不同的超声振 动加工方式对磨削力的影响很大。超声振动对磨削力影响的研究，为我们能进一 l o 第一章绪论 步优化加工工艺参数、提高零件加工表面质量而提供有力的依据。也就是说，这 样能在加工过程中减少毛刺的形成。目前这种方法只在理论之中研究，实际运用 没有。 ( 5 ) 高压水喷射去毛刺：此方法是利用水的瞬间冲击力来达到清洗、去除加 工后产生的毛刺和飞边的目的。多次试验测试得到，要达到去毛刺的效果，水压 范围为3 0 m p a 5 0 m p a 。压力不足，无法去除毛刺；压力过高，可以去除毛刺， 但是也会损伤工件。高压水喷去毛刺设备简单可分为两类：喷嘴移动式和工件移 动式。喷嘴移动式通过数控机床控制，能够有效的调整阀体毛刺产生部位与喷嘴 的距离，对阀体内部的斜孔和盲孔以及交叉孔有效地进行去除毛刺。但此设备造 价高，适用于汽车的心脏部位和工程机械的液压控制系统等核心部件。工件移动 式设备造价低，适合简单阀体毛刺的去除和清洗，其缺点是阀体与喷嘴的配合度 不理想，阀体内部斜孔、交叉孔的毛刺去除效果不好； ( 6 ) 热爆炸去毛刺( 电热学去毛刺) ：它是通过将一些易然气体，冲入到一 个设备炉中，然后通过一些介质及条件的作用，让气体瞬间爆炸，利用爆炸产生 的能量来溶解去除毛刺。爆炸法主要运用在一些高精密的零部件领域，如汽车航 天等精密零部件。该工艺针对一些毛刺所处部位偏僻，传统工艺比较困难的产品， 有比较好的应用，其本身具有一定的技术要求，具有保持产品原机械性能的优势， 但也有一定的局限性。其一，生产效率一般比较低。由于该工艺要求在比较严格 的环境底下进行，在这种爆炸设备中，能大批量处理的数量比较有限。其二，处 理成本偏高。购买一台爆炸的去毛刺设备，一般需要上百万。很多中小型企业根 本没有能力承担这种费用。其三，易导致产品生锈。产品在高温的爆炸炉中，极 容易导致生锈。其四，工件易变形。其五，操作有一定的技术要求，不是普通人 容易操作的。 ( 7 ) 滚磨去毛刺：把一定比例的工件和磨料放入封闭的滚筒中转动，在这个 过程中，零件与零件、零件与磨料间产生一些磨削，以此方法来去除切削毛刺。 可用木屑、石英砂、碳化硅、氧化铝、白云石、陶瓷、金属环等作为磨料。滚磨 去毛刺设备主要有离心滚抛机和专用去毛刺机两种。我们可以根据加工零件的尺 寸、形状、材料以及毛刺分布部位和其大小等来进行合理选择。用此方法，在滚 磨当中容易再生成两侧毛刺，但是零件变形小，设备简单，易操作，磨料来源广， 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加t 中毛刺的形成机理及其控制 经济性好。对大毛刺的去除难度大。 ( 8 ) 高温去毛刺：在紧固的密封室内放入需要去毛刺的零件，注入适量的氢 氧混合气体，使室内具有一定压力，在火花塞点火后，混合气体会出现瞬时爆炸， 释放出大量的热，温度甚至可以高达3 3 0 0 以上。瞬时的高温可以烧掉零件毛刺， 而零件的其他部分瞬时不会受到影响，从而达到去除毛刺的目的。在爆炸的时候， 产生的高温高压气体进入零件的所有内孔、交叉孔、槽、深孔等里面，从而使得 它们的毛刺被高温高压烧掉。这种方法可以适用于任何结构形状的塑料、橡胶及 金属零件毛刺的去除，尤其适用于形状复杂，用手工难以去除毛刺的零件。此方 法要求零件在去毛刺前，先要清洗干净并烘干；而且去毛刺后，还需要放入磷酸 混合溶液中进行中和处理，来去除零件表面的氧化膜啪1 。此方法需要有专用高温 去毛刺机床，所以一般来说，去除毛刺造价大，机床适合方位有限，且操作较为 复杂。 ( 9 ) 挤压珩磨：利用携带磨料的粘弹性基体介质( 研磨介质) 在一定压力下 反复摩擦加工表面而达到抛光或去除毛刺作用的特种加工，又称磨料流动加工。 工件固定安装在夹具中，夹具被上、下两只盛有研磨介质的挤压简压紧。加工时， 上、下挤压筒中的活塞由液压系统驱动上、下同步移动，从而推动和挤压研磨介 质，使之反复通过工件的被加工表面，由磨料颗粒产生磨削作用。加工所用的挤 压力为l 3 兆帕，也有高达1 0 兆帕的。研磨介质是由磨料和基体介质( 一种半 固体状的高分子聚合物) 均匀混合而成。在实际使用中还根据不同的加工对象加 入一定量的添加剂，如润滑剂、增塑剂和减粘剂等，以改变基体介质的粘度和流 动性等物理性能。磨料一般采用碳化硅或氧化铝，有时也采用碳化硼或金刚石粉。 磨料粒度范围是2 0 并6 0 0 # 。粗磨料一般用于去除毛刺，而细磨料则用于抛光。 磨料含量是l o 6 0 ，依具体加工情况而定。夹具使研磨介质按规定路径通过 被加工表面，同时还起着安装固定工件的作用，因此央具结构应根据工件形状、 尺寸和加工要求设计制造。对小型工件可采用多工位夹具，一次可安装许多工件 同时进行加工。挤压珩磨机床一般为立式结构，分为全自动式和半自动式两种类 型。机床的主要组成部分是蜗杆螺旋顶重器、主液压系统、副液压系统、控制回 路和辅助设备等。机床的操作控制参数是挤压力、研磨介质流量、加工循环次数 和循环时间等。夹具材料一般采用耐磨工具钢和尼龙等，也可采用碳钢或铝等材 1 2 第一章绪论 料，磨损后加以更换。夹具须具有足够的强度和密封性。因此成本较大，且需要 专门的机床来进行去除毛刺，不利于多零件的加工，耗费较高。这种加工方法最 初主要用于去掉零件中隐蔽部位或交叉孔内的毛刺，后来又应用到抛光模具或零 件的表面，还用于抛光电火花加工的表面或去除表面变质层，对机械零件的棱边 倒圆等。挤压珩磨具有加工效率高、能自动操作、抛光效果好等优点。 通过传统方法与现在去除毛刺方法的介绍对比，知道它们的优缺点，有利于 我们对6 5 m n 钢磨削淬硬加工形成毛刺抑制措施的研究和改进。 1 4 存在的主要问题 在磨削加工中常常会产生切削毛刺，我们根据切削运动一刀具切削刃毛刺分 类体系对平面磨削加工中产生的毛刺进行分类的话，就有切入和切出切削方向毛 刺，切入和切出进给方向毛刺和副切削刃两侧方向毛刺计五种毛刺形式h 。一般 来说，切出切削方向的毛刺尺寸相对较大，去除较困难。作为精密加工的一种， 磨削在6 5 m n 中也存在一些主要的问题。 ( 1 ) 对磨削淬硬形成机理的研究尚需深入 磨削淬硬层组织的形成易受到如下方面影响啪1 ：磨削用量选用、砂轮的特 性、磨削方式选择、工件尺寸形状、其冷却条件及原因组织形态等磨削条件的变 化。在磨削加工过程中，磨削力对机械能转化成热能的转换起着至为关键的作用， 是一个重要的参数阳刀，也是导致磨削过程中出现相变、温度等变化的最为根本 的因素。而目前针对磨削机理方面的研究，没能综合考虑上述磨削条件的影响， 都只是采用单因素分析法来研究，对一些磨削条件方面的研究还不够深入和全 面。 ( 2 ) 对磨削淬硬的研究领域还需拓宽 在磨削淬硬试验中，实验者为了研究方便，往往选用简单的磨削方式来磨削 形式规则、尺寸单一的工件，此外，磨削淬硬研究选用的材料也很有限。 而实际生产中需要表面淬硬的零件不仅形状、尺寸各异，而且磨削方式、材 料属性等也千差万别，对生产实际中应用较广的大表面平面、零件外圆及成形面 的磨削淬硬研究也较少，这种不相适应无疑将制约磨削淬硬技术的研究和推广应 1 3 6 5 m n 钢平面磨削淬硬加l ：中毛刺的形成机理及其控制 用。 ( 3 ) 尚未能完全实现对磨削淬硬层质量的预测 虽然目前的研究在磨削淬硬层中的晶粒大小、组织转变量、位错密度、温度 场和淬硬层深度等进行定量计算取得了很大进展3 8 1 ，但还不足以完全掌握对长 期磨削淬硬加工的理解，也没有完全实现磨削淬硬层质量的预测预报3 删。在磨 削淬硬过程中，主要的各种相关模型及其耦合关系还没有建立起来，这无疑直接 影响到磨削淬硬加工的研究和发展。 ( 4 ) 尚未能对磨削淬硬工艺进行多因素优化 国内外目前对磨削淬硬工艺的研究，还不能摆脱只采用单因素试验，来对不 同磨削条件下磨削淬硬层组织及其性能影响进行研究，还没开展多因素优化磨削 淬硬的工艺。 所以，目前有关磨削加工中毛刺的研究主要都是集中在精密的磨削加工场 合，而对磨削淬硬加工中毛刺的有关研究论文及成果报道较少。因此，深入研究 磨削淬硬加工中毛刺的形成机理及其变化基本规律，寻找出行之有效的去除毛刺 的新技术和新方法“幻。这些都对提高磨削淬硬加工的技术水平和促进磨削淬硬的 工程应用具有重要的实际意义。 1 5 拟开展的主要研究工作 以6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工试验为基础，对其两侧方向毛刺和切削( 切入、 切出) 方向毛刺的主要形式及其形成进行分析，并研究两侧方向毛刺及切削( 切 入、切出) 方向毛刺在不同的磨削用量、磨削方式和磨削行程下的变化规律，借 助实验观察和相应的理论分析，找出影响两侧毛刺和切削( 切入、切出) 方向毛 刺生成与变化的主要因素，寻找抑制或减少两侧方向毛刺和切削( 切入、切出) 方向毛刺的方法。重点解决的问题是两侧方向毛刺和切削( 切入、切出) 方向毛 刺尺寸变化基本规律的研究，及寻找抑制或减少两侧方向毛刺和切削( 切入、切 出) 方向毛刺的方法。 论文共分为以下几章： 第一章简述了切削毛刺去除或抑制的研究现状和意义及存在的主要问题。 1 4 第二章介绍了磨削基础和毛刺生成机理及分类体系。 第三章6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工的试验材料和研究方法 第四章对6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工的试验结果进行分析，得出相应两个方 向上的去除毛刺措施。 第五章通过试验，得出一套较为完整的毛刺抑制措施。 1 5 6 5 m n 钢平而磨削淬硬加i ：中毛刺的形成机理及其控制 第二章磨削基础及毛刺生成机理和分类体系 研究6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工中毛刺的形成机理，其中对磨削和毛刺的基 础要有深刻的认识。本章主要分别从磨削的基础知识、毛刺的生成机理及其分类 体系两方面进行介绍，通过深入研究磨削原理和毛刺生成机理，有利于研究6 5 m n 钢平面磨削淬硬加工中毛刺的形成机理和控制方法。 2 1 磨削加工的基本原理 2 1 1 磨削的定义及其类型 磨削加工是较为常见的精加工方法。磨削是利用旋转的砂轮来加工零件表 面，而砂轮则是由许多小而坚硬的磨料经粘结、烧结而成1 。每个磨粒的作用 如同一把刀具。从这个意义上说，磨削加工在一定程度上类似于铣削的加工。但 由于磨料形状并不规则，在砂轮表面上的分布又具有随机性，造成磨削加工机理 要比车削和铣削加工等更为复杂。同样，磨削加工中毛刺生成机理也更为复杂。 磨削加工包括外圆、内孔和平面磨削加工。外圆磨削和内孔磨削加工都是有两个 回转运动( 砂轮和工件同时以一定的速比相对转动) 和一个直线运动组合而成， 而平面磨削加工是由一个回转运动和两个直线运动组合而成1 。为了研究问题方 便，我们可以把砂轮当做一把整体的刀具( 具有较大的行程) ，利用切削运动对 磨削加工中的毛刺进行分类和研究。 2 1 2 磨粒的切削刃形状和分布 ( 1 ) 磨粒的切削刃形状 由于制造砂轮磨粒过程的破碎方法不同以及磨粒晶体的生长机理不同，所以 磨粒的几何形状不规则，但磨粒几何形状将很大程度上影响磨具的硬度、磨粒韧 性和结合剂与磨粒的比例，以及磨粒间隔的均匀性。它的形状近似于多棱锥体形 状，可以分别用长( f ) 、宽( 功、高( 助和楔角( 们表示。我们可以从切削刃的 共锐性、磨粒表面状况、宏观外形等方面对磨粒的形状进行比较。磨粒形状很不 规则，也很难直观测量，它与磨粒的化学成分及制粒过程的破碎方法有关。事实 上，在磨削时每个磨粒会出现多个顶尖，有多个顶锥角。磨粒的尖锐性可用其顶 1 6 第二章磨削基础及毛刺生成机理和分类体系 尖角、圆角半径来进行表示。圆角半径和项尖角的大小会随着磨粒直径的减小而 相应减小。磨粒在砂轮中的分布是随机的，这主要取决于砂轮结构及制造工艺方 面的原因决定。由于在磨粒有效磨刃间距和磨粒切削刃尖端距砂轮表面间的距离 不一定会相等，所以在磨削过程中有的切削刃是有效的，有的切削刃是无效的h 7 1 。 但是磨粒切削刃具有一定的圆角，它不是绝对尖锐的。 ( 2 ) 磨粒的分布 在实际的磨削加工过程中，由于磨削运动的关系，使得埋入一