柴油机零部件去毛刺技术研究

2013 届本科毕业设计（论文）提 要大连柴油机厂柴油机零部件去毛刺工艺长期处于落后状态，影响了产品质量。本文通过对多种去毛刺方法的分析和比较，瞄准世界先进水平，在柴油机缸体去毛刺工艺方面采用了新的技术和装备，并已部分实施。本文介绍的发动机缸体线所采用的去毛刺技术解决了在发动机生产过程中产生的毛刺对产品质量带来的影响，提高了产品质量，降低了劳动强度，使大连柴油机厂的产品制造水平上了一个新的台阶。缸体超高压清洗去毛刺设备的引进和新产品缸体自动去毛刺设备的技术方案的设计，体现了国内柴油机缸体生产线去毛刺技术的先进水平。关键词： 汽车; 柴油机; 缸体; 去毛刺目 录第一章 绪 论 . 11.1 当前国内外发动机零部件去毛刺技术的发展状况 . 11.2 大连柴油机厂柴油机零部件去毛刺技术应用现状 . 21.3 本文主要研究内容 . 3第二章 影响柴油机零部件毛刺产生的因素及对策分析 . 52.1 毛刺的种类分析 . 62.2 影响柴油机零部件加工毛刺产生的因素分析 . 72.3 毛刺对策分析 . 12第三章 去毛刺方法分析 . 163.1 机械去毛刺 . 163.2 高压水射流去毛刺 . 203.3 挤压珩磨加工去毛刺 . 243.4 几种去毛刺方法对比 . 29第四章 缸体主油道孔高压水射流去毛刺设备的应用 . 304.1 规划思路 . 304.2 设备概况描述 . 304.3 加工工位安排 . 324.4 使用效果 . 34第五章 大柴厂新产品缸体机械去毛刺设备方案设计 . 372013 届本科毕业设计（论文）5.1 规划思路 . 375.2 加工零件及部位 . 385.3 加工内容及工位安排 . 415.4 机床结构规划简介 . 42第六章 总结 . 45参考文献 . 47摘 要 . iABSTRACT . v第一章 绪 论1.1 当前国内外发动机零部件去毛刺技术的发展状况在现代机械制造工业中，尽管不断采用精铸、精锻、精冲以及粉末冶金等新技术、新工艺，但机械加工量仍占机械零件总加工量的 60-70%1。在金属零件的制造过程中，现有的加工、制造方法在不同程度上都会产生毛刺。毛刺的生成与工件材料、结构形状、产品设计、工艺设计、加工制造方法、生产组织和管理水平等诸多因素有关。毛刺的产生影响了零件或产品的质量和精度，并在零件的检测、装配、使用性能、工作寿命、安全和外观等方面产生各种不良影响和缺陷。在柴油机零部件加工过程中，在很多情况下都会产生毛刺，毛刺生成与许多因素有关，如工件材料、结构形状和加工制造方法等等。毛刺的存在影响了发动机零件和发动机产品的质量和精度，从而导致零件的后续加工、检测、装配、使用性能、工作寿命等方面的各种弊病和副作用。如柴油机缸体、曲轴等零部件油孔中的毛刺脱落后，一旦进入润滑系统回路中，不但会使虑网堵塞，而且还会进入曲轴与轴瓦的间隙中，产生烧瓦等质量事故；对曲轴来说，其上面的毛刺可能使曲轴油封在装配时产生划伤，导致漏油；而对于柴油机喷油嘴来说，其上的毛刺可能使喷油嘴卡死，造成无法喷油等故障。因此研究毛刺产生的因素，检测毛刺的产生，去除零件上的毛刺，在发动机零部件制造过程中占有非常重要的地位。一般来讲，去除各种各样零部件上的毛刺是为了获得优质低成本的零件或产品。具体来说，柴油机零部件去毛刺的目的有三个方面：1为零件的进一步加工和检测提供合格的加工基准和检测基准。防止或避免因为毛刺的存在影响零件定位和夹紧，降低加工精度，在检测方面，防止或减少因毛刺存在使检测超差，废品增多。2为柴油机装配作业提供合格的装配零件，防止因毛刺存在造成配合零件间的干涉和卡死，特别是在自动装配中这一点尤其重要。3在产品功能方面，防止因毛刺存在或脱落而引起的清洁度达不到标准，造成柴油机加快磨损和产生故障。近年来，随着科学技术的进步和生产的发展，探索毛刺生成的机理和特性，研究简便而实用的检测方法、检测仪器和新的去毛刺方法，制定不产生毛刺或减2013 届本科毕业设计（论文）少毛刺生成的工艺规程，研制经济、高效去毛刺设备等为中心的去毛刺技术和去毛刺工艺学越来越受到各工业发达国家的高度重视，并相继设立了许多专门机构，大力开展对去毛刺技术和去毛刺工艺学的研究、推广和应用。许多新的去毛刺方法和设备，如热能去毛刺、激光去毛刺、高压水射流去毛刺、挤压珩磨去毛刺等设备相继问世，并在生产实践中取得了显著成果，应用日益广泛。再者，NC-CNC 技术和工业机械手也被应用于去毛刺技术中，从而大大促进了去毛刺技术的发展和进步。到目前为止，所研究出的各种去毛刺方法有 60 余种1。如此繁多的去毛刺方法使去毛刺技术的内容更加丰富，应用领域更加广泛。随着生产的发展和自动化水平的提高，去毛刺技术不仅提到设计、制造、管理人员的议事日程上来 ，越来越受到人们的重视，而且已列为重要的研究课题和攻关项目。这样无疑将使去毛刺技术不断快速发展，使去毛刺工艺学日臻完善。实践证明，去毛刺技术的发展和进步必须有从事产品设计、工艺设计、加工制造、企业管理等相关人员的密切合作、大力协同和共同努力，才能取得较好的效果，加速促进去毛刺技术的发展和应用。1.2 大连柴油机厂柴油机零部件去毛刺技术应用现状大柴厂目前主要以生产 CA6DE 系列六缸柴油发动机和 4D32 系列六、四缸发动机产品为主，年产量能够达到 10 万台柴油机。自制的零部件主要有缸体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴。缸体、缸盖的材料为合金铸铁，曲轴、连杆、凸轮轴的材料则为中碳合金钢。上述零部件的典型加工工艺主要有铣削、钻削、镗削、车削、攻丝和磨削等，缸体、缸盖的加工方式主要以专用机床自动线为主，线外配置少量加工中心，用以变型产品加工；曲轴、连杆、凸轮轴则以单机加工为主。大柴厂在去毛刺技术的应用方面比较落后，长期以来，没有对在零件加工制造过程中产生的各种各样的毛刺给于足够的重视。往往把重点放在能直接取得经济效益的各种加工工艺和生产设备的投资上，而忽视或不愿意在去毛刺工艺设备方面进行投资，因此大多数都是用手工方法去毛刺，所以效率低、质量差、成本高，主要体现在以下三个方面：1对于零部件加工过程中毛刺产生的机理缺乏系统的分析，对影响毛刺产生的各种因素分析不够，对策针对性不强，不能采取最佳的去毛刺方法。2没有有效的毛刺检验方法，特别是针对缸体、曲轴深油孔和交叉孔内毛刺的检验，通常采用手电筒照射目测方式，检测精度无法保证，对于无法目测的部位有时不得不采用剖切方式，成本很高。3采用的去毛刺工艺方法还很落后，以手工去毛刺为主，工作效率低，质量难以保证。因此，需要采取有效的措施进一步加以改进和完善大柴厂的去毛刺工艺。1.3 本文主要研究内容在国内外发动机制造厂家对发动机零部件的去毛刺技术日益重视的情况下，结合大柴厂在去毛刺技术上存在的难题和产品质量问题，更考虑到大柴厂将于 2005 年投产的一汽从德国道依茨公司引进的高水平 1013/2012/2013 系列发动机产品，引进产品对柴油机零部件去毛刺的要求更高，按大柴厂目前掌握的去毛刺技术水平，已经不能满足将来新产品的生产需要。本文将结合工作实践，并吸取借鉴国外同行的先进经验和理念，力求对柴油机零部件去毛刺技术进行系统研究，并应用到大柴厂生产实际和新产品规划中去。具体内容如下：1针对毛刺检验手段落后的问题，提出缸体、曲轴等零部件深油孔内毛刺2013 届本科毕业设计（论文）的检验方案，提高毛刺检验手段。2结合生产实际、针对零部件典型的加工工艺对毛刺产生的因素进行分析，提出毛刺的解决对策建议。3重点分析高压水射流去毛刺、挤压珩磨去毛刺和机械去毛刺三种去毛刺技术的基本原理和影响因素，通过对三种去毛刺方法的特点比较，得出对大柴厂零部件去毛刺工艺方法选择的适用范围。4对从德国引进的缸体超高压清洗机进行特点分析，总结高压水射流去毛刺技术在去除缸体主油道孔毛刺上的实际应用效果，供同行业相关工作人员参考和借鉴。5针对大柴厂引进的新产品缸体工艺方案规划，提出缸体去毛刺方案的规划思路，确定缸体机械去毛刺设备的基本方案，分析在今后实施过程中可能存在的问题，为大柴厂机械去毛刺技术的进一步应用奠定基础。第二章 影响柴油机零部件毛刺产生的因素及对策分析在零件加工制造过程中，就大多数加工方法而言，都不可避免地会产生毛刺。对同一零件而言，所选用的加工方法不同，毛刺生成的机理、形状、尺寸大小、位置和特性也是不同的。因此，所生成的毛刺也是多种多样的。如凸轮轴零件上面凸轮的粗加工，在采用仿形车削加工和外铣加工时所产生的毛刺是不同的。一般来说所谓毛刺，基本上可以理解为在零件加工制造过程中，在切削刀具，如车刀、铣刀、钻头、镗刀、铰刀和砂轮等的强力作用下，在零件上产生塑性变形，从而导致产生超出零件两个相邻表面的理论交接部位的材料，以及铸件和锻件飞边、冲裁毛边、焊接和塑料成形中所形成的残料等，都可称为毛刺。以机械零件的金属切削加工为例，在切削加工过程中，材料的变形大致可分为刚性区和塑性区（图 2-1） ，如果材料的塑性变形区都不低于理论切削表面（图 2-1a） ，工件表面就不会产生毛刺。相反，如果材料的塑性变形区低于理论切削表面（图 2-1b） ，就会在切削力作用下，因材料撕裂和挤裂而产生毛刺。同时，临近该塑性变形区的自由表面如边楞、孔口等也会产生毛刺。2.1 毛刺的种类分析2013 届本科毕业设计（论文）在零部件机加工过程中，由于零件本身材料特性和结构形状不同，所选用的加工方法也不同，因此形成的毛刺也各不一样。一般来说，大致分类如下：按毛刺成形状况分,可以分为挤裂毛刺、弯曲毛刺、撕裂毛刺、切断毛刺、切断毛刺等。按机加工方法分,可以分为车削毛刺、镗削毛刺、铰削毛刺、钻削毛刺、磨削毛刺、珩磨毛刺、拉削毛刺等。按毛刺断面形状分,可以分为长方形、三角形、扁圆形和其他形状等。此外，按毛刺尺寸大小又有大毛刺、小毛刺和微细毛刺等。通常，金属切削加工过程中形成的毛刺基本上有下列四种形态，下面以三面刃铣刀铣槽时毛刺生成状态为列进行分析（图 2-2） 。1泊松毛刺是切削刀具在零件的切入段和侧面产生的毛刺。一般是由于切削缘伸越零件边缘时而形成。如图 2-2 中（6） 、 （7） 、 （8）所示。2滚卷毛刺当切削刀具脱离被加工零件表面时，由于零件材料在切削力强力作用下发生塑性变形，在切削方向上零件材料被挤裂而滚卷成的毛刺。如图 2-2 中（ 5）所示。3撕裂毛刺与滚卷毛刺形成项类似。也是在切削刀具脱离被加工零件表面时，由于零件材料未被切断，仅从零件上材料被斯裂而形成的毛刺。如图 2-2 中（3） 、 （4）所示。4切断毛刺在切断或锯切过程中形成的毛刺。2.2 影响柴油机零部件加工毛刺产生的因素分析毛刺的生成受很多因素的影响，在不同加工条件下，采用的加工方法和设备不同，则生成的毛刺也各不相同。一般来说，在柴油机零部件机加工过程中影响毛刺生成的因素主要有工件材料、切削用量、刀具类型和几何参数、切削力或2013 届本科毕业设计（论文）切削分力、走刀方向、工件结构形状等。2.2.1 工件材料工件材料的物理力学性能，特别是材料的延展性对毛刺生成有很大影响，在其它加工条件相同的条件下，脆性较大的材料，在切削加工中生成的毛刺较小。通常，生成毛刺的大小还受工件其他物理力学性能影响，如变形硬化指数、延伸率、硬度和抗拉强度等。例如同样是采用端面铣削，缸体、缸盖切削加工产生的毛刺要比曲轴、连杆、凸轮轴产生的毛刺小。因此，从减小或控制毛刺生成的角度考虑，在零件设计时，在满足强度计算要求的前提下，如果材料的抗拉强度基本相近时，应选用延伸率和变形硬化指数较小的材料，以控制毛刺的生成，使其尽可能小些。如用球墨铸铁材料的曲轴代替合金钢材料的曲轴等。2.2.2 影响平面铣削加工毛刺生成的因素分析在柴油机零部件加工过程中，大量采用了平面铣削工艺，如缸体、缸盖平面铣削，连杆平面铣削，曲轴、凸轮轴端面铣削等。在平面铣削加工过程中，影响毛刺生成的因素主要有切削深度、进给量、切削速度、切削力和刀具脱离（端面）角等。在切削用量中，切削深度对切削力的影响较大，随着切削深度的增加，切削力成倍增加，则生成的毛刺也越大。显而易见，缸体平面粗加工工序由于切削深度较大，产生的毛刺也较大，半精加工、精加工产生的毛刺也依次减小。在平面铣削加工过程中，铣刀每齿进给量 a 可用下式表示：a=V/（ n Z）式中：a铣刀每齿进给量（毫米/每齿） ；V工作台每分钟进给速度（毫米/分） ；n铣刀转数（转 /分） ；Z铣刀齿数。从使毛刺生成的尽可能小的角度出发，应使 a 越小越好。为此应使铣刀的转数和齿数增大，工作台进给速度 V 减小。但因 V 减小，会使生产效率降低，因此，在精铣加工中常采用提高转数和增加齿数的办法来控制毛刺。但是，齿数增加不仅会使刀具强度降低，而且因铣刀容屑空间变小，使排屑不畅，反而会使生成的毛刺增加。因此，工艺设计时应根据加工要求和加工条件，通过试验确定最佳参数，通常，建议采用硬质合金或陶瓷、立方氮化硼等高速切屑刀具进行高速铣削。另外平面铣削毛刺的生成也受到铣削方向的影响。一般说来，采用端铣刀铣平面时，有三种铣削方式：对称铣、不对称逆铣、不对称顺铣。对称铣削如图 2-3 所示。在这种铣削方式中，工件安装在端铣刀的对称位置上。在铣削加工过程中，当铣刀通过 C 点时，在工件侧面上的 C 点处所生成的毛刺受铣削力的合力 F 的分力 Fg 影响很大（Fg 与工件侧面 b 垂直） 。这样在铣削加工过程中，在零件的 a 侧，即铣刀切入侧不产生毛刺，而在零件 b侧，即铣刀切出侧则产生较大毛刺。在铣削终了时，在零件的 B 处无毛刺，而在零件的 A 处则生成毛刺。另外，当铣刀刀尖与零件楞边所成的入口角度 越大时，则越难以生成毛刺。这样可以通过调整铣刀相对零件的偏心量来增大铣刀入口角度，从而可使生成的毛刺尽可能的减小。也就是说，采用不2013 届本科毕业设计（论文）对称铣削形式。此外，为使 Fg 减小，应选择合理的刀具切削方向和切削条件。不对称铣削中，零件相对铣刀是不对称安装的。这样在铣削加工过程中，因切削方向的变化不同，铣刀入口角度则不一样。 因此，为减少毛刺的生成，应尽量使刀尖入口角度 大些，根据经验，铣刀入口角度如大于 35，则铣刀出口侧产生的毛刺会很微小。为此在选择刀具和确定工件相对刀具的安装位置时，应有利于刀尖入口角度的增加，以使生成的毛刺尽可能的减小。此外在平面铣削时，铣刀进给量和刀具后面磨损对产生毛刺有一定的影响。刀具后面无磨损时，生成的毛刺厚度随每齿进给量的增加而增大，二者基本成线性关系。而当后刀面磨损后，对生成毛刺的影响较复杂。起初生成毛刺的厚度随着每齿进给量的增加而减小，但是，当小到某一值时，则随每齿进给量的增加又有所增大；又根据切削理论，刀具的几何参数对生成毛刺影响较大，如具有较大后角的刀具，在加工中生成的毛刺较小，刀具磨损后，则容易生成较大的毛刺。众所周知，刀具后角的主要作用是减少后刀面与工件表面之间的摩擦，增加后角可使后刀面和加工表面之间的间隙变大，减少接触磨擦面积并使刃口锋利，减轻刃口对工件材料的挤压，有助于减少毛刺的生成。但是，后角不是越大越好，后角太大，刀具强度和刚性下降，散热条件变差，为此应确定合适的后角。如粗铣时后角应小些，精铣时选择较大的后角。当工件材料韧性或塑性较好时，为减少刃口挤压和后刀面与加工表面之间的接触磨擦，减小生成的毛刺，则应取较大后角；当工件材料韧性或塑性较小时，可取较小的后角。2.2.3 影响钻削加工毛刺生成的因素分析钻削加工在柴油机零件加工中普遍应用，如缸体、缸盖水孔、油孔加工，曲轴、凸轮轴油孔加工，连杆螺栓孔加工等。在钻削加工过程中，影响毛刺生成的因素主要有切削条件（如钻头转数、进给量、冷却润滑液等） 、钻头（如结构形状、几何参数、尺寸和精度及锋利度等） 、工件（如材料特性、热处理、钻孔部位和周围结构形状等） 、机床（如刚性和主轴回转精度）等。对钻削加工来说，当钻头钻通一个孔时，常常在进刀面和出刀面处产生毛刺。特别是出口处产生的毛刺既大又难以去除。当工件材料一定时，钻床的系统刚性、工件材料硬度和钻头转数对生成毛刺的影响可用下式表示：式中：b 毛刺根部厚度；常数；N钻头转数；B工件布氏硬度；K钻床系统刚性。由上式可知，对生成毛刺影响较大的主要是钻头转数 N 和工件材料布氏硬度，而钻床系统刚性则影响很小。提高钻头转数和增大工件材料硬度，可使生成毛刺厚度减小。2013 届本科毕业设计（论文）钻削加工时，钻头进给速度增加，生成的毛刺厚度也随之增大。当钻头进给速度减小时，生成的毛刺厚度也随之减小。此外，钻头的几何参数、结构形状和刃磨形式等对毛刺的生成也有一定影响。采用特殊设计的钻头，如大螺旋角钻头和良好的刃磨形式，可以显著地减少生成的毛刺。因为钻头螺旋角增大，则前角也增大，有利于改善排屑和降低切削力，减少毛刺生成。但螺旋角过大，将减弱切削刃的强度、刚性和散热条件。钻头锋角对毛刺生成的影响，一般来讲随着钻头锋角增大，毛刺的厚度也增加，但当钻头的锋角大于一定的数值后，生成毛刺的厚度则随锋角的增大而减少。但是，这种减少并不是无限的，当锋角增大到 180后，锋角再增大，生成毛刺厚度又略有增大的趋势。此时生成毛刺受切削厚度和切削力等因素的变化影响较大，由于锋角的增大，切削厚度增加，切削抗力增大，产生更多的切削热，致使刀具磨损加快，耐用度降低，毛刺变大。在零件加工过程中，尽管影响毛刺生成的因素有很多，但由上述可知，在加工中，产生较大切削厚度的加工方法和切削刀具，则生成毛刺较大；刀具的几何角度参数对生成毛刺的影响较大。此外，还应考虑加工系统刚性等。再者，用弹性或震动刀具和多刃刀具切削时，生成的毛刺也较小。研究表明，通过淬硬钻头出口处工件材料表面，提高材料的剪切强度，以及减少钻削扭矩和轴向分力，都可使生成的毛刺尺寸减小。大柴厂在毛刺的检测，特别是缸体、曲轴、缸盖等零部件的内腔以及深油孔内毛刺的检测，一直以来没有有效的检测手段。经过考察了解国内外同行业厂家的应用情况，采用工业内窥镜测量缸体、缸盖及曲轴内腔和深油孔内的毛刺情况，易于观察，效果良好。工业内窥镜主要原理，是采用光纤束，将光源通过光纤束直射到需要观察部位，再通过一套光学目镜系统（可接相机或电脑显示屏） ，观察内腔及深油孔中毛刺，其中光纤束具有一定程度的柔性，并可在 120-150 范围内自由转动，并插入所要观察的深孔或内腔中，插入深度一般可达 1200m 左右，检测效果良好。但工业内窥镜的使用也存在一定的局限性，主要有三个方面的问题：1限于光纤管的制作工艺及强度限制，很难实现 4mm 以下直径，光纤管制作，也就是说小于 6mm 的孔很难采用工业内窥镜检验。2光纤管的强度较低，检测毛刺时需要操作人员仔细操作，避免划伤光纤管，造成管子断裂，影响寿命。3操作人员在使用前应经过一定的前期培训，熟悉操作方法和所检零件的内腔情况，以合理使用检具。2.3 毛刺对策分析毛刺的对策是指零件性能设计时，正确确定棱边质量，在工艺设计、加工制造、生产管理等方面，防止和减少毛刺的生产。因此，从零件设计、加工制造，到毛刺的去除都应该考虑其使用性能，保证质量，并使生产总成本尽可能降低，以期提高经济效益。一般来讲，用传统的工艺加工发动机零部件时，毛刺的生成是不可避免的。因此，如何减少毛刺生成以及怎样去除毛刺，是广大产品设计人员、工艺人员和生产管理人员应认真考虑的问题。由上述可知，影响毛刺生成的因素很多，毛刺的生成不仅与产品或零件设计、工艺设计、加工制造有关，而且还与零件材料特性、切削用量和切削刀具等因素有很大关系。为此，在保证产品或零件性能、质量和使用要求的条件下，应2013 届本科毕业设计（论文）力求使产品或零件设计的合理，此外，在零件设计上不能消除毛刺的生成时，就应想方设法在零件加工制造过程中，通过合理的工艺设计，选择最佳的切削参数和刀具几何角度等，把生成的毛刺控制在最小限度，或尽可能采用不产生毛刺的各种加工方法，如激光加工、挤压珩磨加工等。对业已生成的毛刺，则应选择经济而合理的去毛刺方法，以期以最低的代价获得最佳的效果。当然，毛刺的生成和存在不影响产品或零件的工作性能，也不妨碍其使用要求时，则可不必去毛刺。因此，在产品设计和工艺设计时应该明确规定出允许毛刺存在的标准。正确而合理的毛刺对策，必须考虑其经济性。通常，去毛刺总成本是由去毛刺成本和防止毛刺生成成本组成。而最佳去毛刺总成本应该是两者最小值之和。图 2-4 所示是从产品或零件构思开始到性能设计、工艺设计、加工制造、装配等过程中，应该考虑的毛刺对策。实现毛刺对策大致分四个阶段。首先明确产品或零件性能与毛刺的关系，确定毛刺存在对产品或零件性能的影响和副作用；第二阶段，在零件设计时考虑变更材料，改变零件结构形状和加工制造方法，能否有效地控制或减小毛刺的生成；第三阶段，在工艺设计时，为使生成的毛刺减至最小，或是毛刺在有利于取出的方向和部位生成或根本不让它产生。这就要选择合理的工艺方法，编制正确的工艺规程，设计理想的切削刀具，选择最佳的刀具几何角度和其他参数；第四阶段，选择经济而合理的去毛刺方法以及相应条件。毛刺对策的总体思路在以上四个阶段中，使毛刺的总成本最低。对于大柴厂发动机零部件的去毛刺对策的思路建议应采用控、除结合的思路， “控”主要是减少毛刺的产生，主要从以下四方面采取措施：1在产品或零件设计上，由于在被加工零件表面相交处的棱边上，往往产生各种各样的毛刺，特别是当切削刀具或砂轮在零件切出端方向切削时，零件的棱边大小对毛刺生成影响很大。实践表明，当零件棱角越小时，产生的毛刺越粗大，反之，棱角越大则产生的毛刺越细小。按上述棱角效应改变零件棱边形状是产品和零件设计时，应采用的毛刺对策的基本方法。2在零件工艺设计上，采用合理的加工工艺规程，如采用不对称铣削、高速铣削、高速钻削等工艺方法，能够有效的减少毛刺产生。3在刀具设计和选择上，合理选择刀具参数，采用硬质合金、CBN、和金刚石等高效、高速刀具材料，以及采用复合刀具，减少加工毛刺的产生。2013 届本科毕业设计（论文）4 在生产管理上，加强生产和工艺管理进行文明生产，防止人为造成的毛刺、磕碰产生；尽量采用强制换刀，以减少由于刀具过渡磨损而产生毛刺；另外在选用合适的冷却、润滑液方面，应进一步细致研究，有效降低切削温度，减少刀具与切屑或工件之间的磨擦，不仅提高刀具耐用度，还能控制毛刺产生。“除”的关键是要选择高质、高效、经济、适用的去毛刺方法，并尽快的应用起来，尽早见效。第三章 去毛刺方法分析到目前为止，各种各样的去毛刺方法已有 60 多种。这些方法虽然其加工特点各不一样，应用场合也不尽相同，但是，其基本加工原理还是有某些相似之处，即它们都是以某种方式，如机械运动、化学反应、电化学反应和电磁效应等，使作为去毛刺的工具或工作介质获得一定的能量，而对零件去毛刺、导圆和精整。各种去毛刺方法大致分为机械的、磨料的、电的、化学的和热能的五大类1。这些基本的去毛刺方法就其自动化程度而言，有的是手工操作，有的是半自动或自动操作，而有的可组成自动生产线或用机械手自动去毛刺。这些去毛刺方法中的大部分已经用于生产实际，并取得了较好的效果。下面主要结合发动机行业的的应用情况，对机械动力刷去毛刺、高压水射流去毛刺和挤压珩磨去毛刺等三种去毛刺方法进行分析与比较。3.1 机械去毛刺机械去毛刺就其实质而言，是一种切削加工去毛刺方法，用机械法去毛刺时，加工刀具都必须与被加工零件的毛刺或导角部位相接触，才能达到去除毛刺的目的。它可以利用各种刀具以手工操作，也可以在专用机床，即自动线上完成对零件的去毛刺和倒角，本文将重点介绍机械去毛刺中，使用动力刷去除毛刺的方法。3.1.1 去毛刺原理2013 届本科毕业设计（论文）刷子去毛刺是一种常用而又简便易行的加工方法，对于机械加工后的零件去毛刺，所用刷可以用手工操作，也可以用机械操纵，当采用机械操纵刷子去毛刺时，又称为动力刷去毛刺或机械刷去毛刺。动力刷实际上是一种多刃切削工具，刷子的每根刷丝都能进行切削加工。在加工过程中，通过刷子与工件的相对运动（旋转运动或直线往复运动） ，借助于刷丝对工件的多次反复压接、摩擦、切削和弹性冲击，达到去毛刺的目的。刷子一般由刷轮（或刷柄、刷杆） ，刷丝以及导套和拉杆组成。针对零件的材料不同，选用的刷子材料也不相同。一般来说，刷子的材料有金属和非金属两大类。金属刷材料主要有钢丝、不锈钢丝、和铜丝等，非金属材料主要有合成丝、尼龙丝、合成橡胶、植物纤维和动物毛等。金属丝主要是经淬火或非淬火的高强度碳钢、不锈钢和各种有色金属如黄铜、镍银合金、磷青铜和铝等制成。淬火的碳钢刷丝耐磨性和强度显著提高，切削作用强，工作寿命长，抗疲劳性高。不锈钢其性能虽不及碳钢，但用来去除铝或不锈钢等工件则优于碳钢，因不锈钢对被加工表面的诱导修饰较小。镍银合金、黄铜等质地较软，弹性冲击小、切削作用较弱，用于较小毛刺的去除和有精整要求的零件。对镁合金一类零件，则可采用加工中不发生活化的磷青铜等刷子，以防止加工中产生爆燃。合成丝其种类繁多，其中主要有尼龙、聚丙烯塑料等，该类材料可溶入适量的磨料，以提高切削性能。合成丝具有耐碱、耐酸易成形和易清洗等优点，应用日益广泛。植物纤维和动物毛，切削作用较小，主要适用于贵重金属。上述的各种材料制成的刷丝都可以粘附一定的磨料，而对金属丝来说，还可涂镀各种磨料，如碳化硅、氧化铝、碳化硼等，以提高切削性能，延长加工寿命。根据零件的加工要求不同，可将刷子制成各种形状，见图 3-1 所示，如端面刷、侧面刷、轮式刷、杯形刷、圆柱刷、圆筒刷以及组合刷等。刷子适于去除金属、塑料、橡胶和某些陶瓷等材料上的毛刺。通常金属刷子用于去除尺寸较大的毛刺，而非金属刷用于去除较细小的毛刺，同一类零件可采用几种不同类型的刷子进行顺序加工。刷子在去毛刺过程中，刷子的工作面像砂轮或砂带上的磨粒一样，其表面对零件呈现无数个单独的刃口，进行切削。所不同的是刷子具有更多的自2013 届本科毕业设计（论文）采用动力刷去毛刺时，对刷子的类型、刷子的工作速度、刷与零件的接触压力以及刷子的进给速度等必须进行合理选择，另外还要考虑所用刷丝的材料、尺寸、伸出长度、编排形式以及充填磨料种类、粒度、含量和弹性模量等，才能取得较好效果。一般来讲，刷丝直径随其材料不同而异。对钢丝刷、不锈钢丝刷，刷丝直径为 0.1-0.8 毫米左右，对于黄铜刷，刷丝直径则为 0.1-0.3 毫米，而熔有磨料的尼龙刷，刷丝直径大约为 0.4-1.4 毫米左右。刷的表面工作速度一般为 1000-3500 米/分。3.1.2 动力刷机械去毛刺特点分析动力刷机械去毛刺具有以下优点：2013 届本科毕业设计（论文）1去毛刺质量好，使工件表面粗糙度有一定减小，不会对零件产生划痕，在机械去毛刺同时，并可进行倒圆、抛光、去锈等。2可以减少或消除工件表面应力，提高零件耐磨性和抗疲劳性，延长零件使用寿命。3刷子种类繁多，可以制作成各种尺寸和形状，各种刷子可用简单方法便可装于各种机床上，使其具有较大的适应性。4加工成本较低，不需要技术高的工人，便可进行精加工。操作简便，调整容易。5可有选择的去毛刺，并能控制倒圆大小。6加工过程中，振动小，噪音低，对环境污染也小，易实现自动化生产，并且很容易纳入自动生产线内，如图 3-2 所示，采用机械手或多工位机床可显著提高生产效率，进行大批量生产。其缺点和局限性是：1受零件和刷子结构形状限制，难以去除复杂型腔内部隐蔽的毛刺，刷子本身不能做得很小，因此对细微孔和窄缝处的毛刺难以去除。2难以去除尺寸较大的毛刺（毛刺高度大于 300 微米） 。3动力刷的使用寿命，特别是国产动力刷的质量与使用寿命不是很稳定，国内供货货源也较少。3.2 高压水射流去毛刺高压水射流去毛刺，又称水喷射去毛刺、超高压去毛刺等，很久以前人们就采用高压水对零件进行清洗，对零件进行清理，但将高压水用来去除零部件上2013 届本科毕业设计（论文）的毛刺在国内则是近十年的事，在国外已有 30 年的历史，目前已经是成熟技术，国内一汽大众公司、沈阳三菱发动机公司、哈尔滨东安发动机公司等企业在发动机缸体、缸盖、曲轴等零件加工上已经采用了高压水射流去毛刺技术和设备。3.2.1 高压水射流去毛刺基本原理高压水射流去毛刺是利用专用泵把水或含有 3-5%清洗剂的水加压到一定压力后，从特殊设计喷嘴喷射出去，产生巨大的冲击能，利用这种冲击能量对零件的冲击作用，达到去毛刺的目的（图 3-3） 。通常，由专用泵产生的高压水，通过管路最后从喷嘴以水射流形式喷出时，所产生的冲击力，可按下式计算：F=QV （1）式中：F冲击力（公斤力） ；流体密度（公斤力.秒 2/米） ；Q体积流量（米 2/秒） ；V 水射流的平均速度（米/秒）从流体力学可知，流量可用喷嘴的出口截面积 A 和射流速度的乘积表示：2013 届本科毕业设计（论文）由（4）式可知，水射流的冲击力与速度的平方成正比，与喷射压力成正比。这样，在高压水射流去毛刺过程中，为获得较高的冲击力，则必须增大射流速度，也就是说应采用较高的压力，水射流去毛刺一般采用的压力为 2500-3500 牛顿/厘米2，在此喷射压力下所产生的冲击能量足以将零件上的毛刺去除。3.2.2 影响高压水射流去毛刺的因素影响高压水射流去毛刺的因素是很多的。其中主要有喷射压力、喷射量、喷嘴尺寸的位置以及喷嘴和零件的相对运动速度等。这些参数的选择必须根据零件材料性质、结构形状和毛刺特性等来决定。通常大多数情况由试验确定出最佳的参数值。由上述的高压水射流去毛刺原理可知，随着喷射压力的增加，水射流对零件产生的冲击力或冲击能量也随之增大。但在零件去毛刺加工过程中，为了不使零件受到损伤和设备消耗功率过大，常常采用的喷射压力为 2500-3500 牛顿/ 厘米 2。有时根据加工要求和加工目的不同，可采用低压和高压两级清洗去毛刺。所谓低压加工就是采用喷射压力为 50-100 牛顿/ 厘米 2 的压力水去除零件上的油脂、尘埃和切屑等杂物，而后用喷射压力为 2500-3500 牛顿/ 厘米 2 的高压水去除毛刺。压力水的喷射量一般为 100-200 升/ 分。喷嘴的结构尺寸、形状和材料对高压水射流法去毛刺来说也是至关重要的因素。这些因素不仅影响去毛刺质量、去毛刺的效率，而且对加工的经济性也有很大影响。喷嘴的材料选择不当，结构尺寸和形状设计的不合理，会使喷嘴工作寿命大大降低，去毛刺效果也不好。喷嘴材料主要有不锈钢，合金钢、金刚石、陶瓷和宝石等。不锈钢和合金钢等金属材料与其他金属材料相比，机械加工切削性好，表面粗糙度易达到要求，但因硬度较低，在高压高速射流冲蚀下使喷嘴几何形状改变，导流作用下降，压力减少，以致报废。非金属材料的喷嘴虽然加工较难，但工作寿命长。喷嘴的结构形式是多种多样的，主要有圆形喷嘴、扇形喷嘴、管状喷嘴和特殊喷嘴等。其中圆形喷嘴和扇形喷嘴应用较多。不同类型的喷嘴，其功用相差很大。圆形喷嘴具有很好的导流作用，水射流流经喷嘴出口处不发生偏斜，故可获得理论流量的 95%。扇形喷嘴虽然在喷嘴出口处也不发生偏斜，但导流作用差些，只能达到理论流量的 85%，在整个喷嘴射程范围内，其打击力与圆形喷嘴大致相等。但单位面积上的打击力显著下降，这是由于扇形喷嘴的喷扫范围较宽所致，当然也与喷射角度和喷嘴至零件的射距有关。管状喷嘴和特殊喷嘴其理论流量仅为 47%-76%，因流体射流在喷嘴内通过时，突然产生偏斜，因此打击力也较小。2013 届本科毕业设计（论文）喷水法去毛刺的加工设备与普通金属切削机床相比较，其结构较简单，要求的精度较低，制造也容易。但是，因为使用水作为切削工具，因此，设备的防腐蚀，零件的防锈等必须给以足够重视，在设备设计中，采取有效措施，保证去毛刺加工正常进行，以期提高设备使用寿命。通常，喷水法去毛刺加工设备由工作室、喷嘴、高压水发生装置、水处理装置、输送装置和电器控制装置等组成。根据加工要求和加工条件，零件的清洗和去毛刺加工可在一台半自动或自动设备上完成，或者将二者分别在两道工序完成。3.2.3 高压水射流去毛刺的特点分析高压水射流去毛刺的优点有：1能去除一般去毛刺方法所不能去除的深孔、盲孔、小孔和狭缝等部位的毛刺。2因为使用的工作介质是水，在去毛刺时有清洗作用，可以对零部件进行清洗，所以可以将清洗工序同去毛刺工序结合起来。3在去毛刺过程中，水射流不会降低零件表面的质量，也不会对零件表面产生破坏。4生产效率高。不仅可采用队间和多工位加工，而且容易实现自动化生产，如对缸体、曲轴等油孔去毛刺已经在国内外得到广泛应用。5设备结构简单，制造精度低，操作容易。其缺点是设备需要较大的动力，并应采用一定的防锈措施；难以去除大的毛刺，加工过程中，必须对水进行过滤处理，否则会使喷嘴磨损，影响加工质量和生产效率。3.3 挤压珩磨去毛刺挤压珩磨去毛刺又称磨料流加工、加压研磨和流体研磨等，是在 70 年待初研究成功的一种加工方法。挤压珩磨加工是利用挤压一种半固态的成粘弹性的磨料介质通过待加工零件的棱边、表面产生的磨蚀作用，达到去毛刺、倒圆和表面抛光的目的。在专用的挤压珩磨机上，借助于特殊设计的夹具，准确控制介质流动途径及其配制方法，即可实现优质、高产、低成本加工。挤压珩磨加工因具有效率高、质量好、设备简单、操作方便等优点，作为现代去毛刺、倒圆和表面抛光的新工艺新技术，显示出强大生命力，受到人们的重视，发展十分迅速，应用日益广泛。3.3.1 挤压珩磨去毛刺加工原理挤压珩磨加工就实质来说其实就是属于流体动力加工的一种。但是它所用的流体比较特殊，是一种含有磨料的半固态状的粘弹性物质挤压珩磨介质。这种介质是由基料、磨料和添加剂组成的。挤压珩磨的切削加工作用就是由这种介质在一定压力作用下，流经装有待加工零件的特殊设计的夹具室产生的。一般来说，磨料的最大挤压力等于介质受阻通道（部位）的横截面积乘以机床挤压（压）力。在一定的挤压力作用下，磨料颗粒的切削刃在通过待加工零件表面和楞边时，对金属表面产生了切削作用，与此同时把加工下来的金属切屑包容在介质中，并随磨料一起带走（图 3-4） 。而磨料颗粒在零件表面上形成的切削深度大小，则取决于挤压力、磨粒尺寸和介质特性。当挤压力较高、磨粒尺寸较大时，则切削加工作用也越强，切削深度也大。基于上述，当将零件放入特殊设计的封闭夹具内后，使珩磨介质以一定的压力和流量往复通过零2013 届本科毕业设计（论文）件，当介质在到达欲加工部位之前，通过通路的截面积较大，挤压珩磨力较小；当介质通过狭窄的加工部位时，则受到剧烈挤压，内缩，但由于反作用力作用，则使零件预设通路（加工部位）在径向受挤磨、切削达到去毛刺、倒圆和抛光的目的。影响挤压珩磨的因素是很多的。但最主要的是介质、机床和夹具。本文重点介绍对介质和夹具的要求。挤压珩磨介质通常由基料、磨料和添加剂组成。其功能相当于切削加工中的刀具。介质是实现挤压珩磨加工的关键因素，其性能优劣直接影响到加工质量的好坏和生产率的高低。通常挤压珩磨介质应具有下列性能：1具有很好的粘弹性，以保证介质通过被加工零件时产生一定的挤磨作用，实现预定的加工目的。2 具有很好的剥离性和自吸附性。当加工结束后能从零件和夹具上顺利脱落下来。3磨料颗粒在介质中分布均匀，切削性好。4具有很好的流动性和塑性。使之在一定的压力下，到达加工部位。5稳定性好，工作寿命长。6容易清洗。介质的粘弹性不同，其加工性能也有所不同。为了对零件表面进行抛光和精整需要采用粘弹性较高的介质，使介质在流经截面积较大，表面粗糙度和精度要求较高的加工表面时，能以较低压力、大流量均匀一致地通过待加工表面，呈现一种受剪状态而不应呈紊流状态，这样，介质一边缓慢地以相近的速度流2013 届本科毕业设计（论文）动，一边以均匀压力挤磨加工表面，从而可获得理想的抛光表面。与此相反，在对零件边棱进行倒圆时，则要求介质粘性较低，以使介质在受挤压通过零件通路时，在同一截面上各点的流速不同，其中心部位流速较大，而在零件入口处和棱边处，因受中心部位流动介质的急剧挤磨，而具有较强的倒圆能力，因此，产生的一定的倒圆，与此同时介质对零件侧壁表面的挤磨作用相对很小，抛光能力很弱。基料是挤压珩磨介质重要组成之一。是一种具有粘弹性的半固态、半液态状的高分子聚合物，是包容介质中担负切削作用的磨料的载体。其主要功用是使磨料颗粒均匀地悬浮在其内，并携带磨粒完成对零件的切削加工，同时把切下的切屑带走；此外，还起着传递挤压力、衬托磨粒和润滑作用。对基料来说，应具有合适的粘度，但粘度不宜太大，否则会使介质流动性降低。此外还应有很好的稳定性、可塑性和可溶性、无毒无味，对零件无腐蚀作用。因此，作为高分聚合物的基料不单是油脂、油膏之类的物质，还可以从其他化学成分和物理状态的物质方面去研究，配制出较理想的基料。磨料的要求是：1组织结构紧密，质地坚硬，均匀一致。2加工能力强，工作寿命长。3耐酸、碱、油。4价格低廉、易于购买。在挤压珩磨加工中，所用的磨料主要有氧化铝、碳化硅、碳化硼、金刚石和立方氮化硼等。其中碳化硅磨料因其切削性能好，工作寿命长，价格低廉，所以在生产中得到广泛的应用，大约占整个使用量的 80%以上。碳化硅分为褐色碳化硅和绿色碳化硅两种，前者虽然含杂质较多，但因其韧性高，价格低廉，所以在生产中广泛用于加工强度低的铸铁、黄铜、铝以及非金属材料等。后者含杂质较少，硬度较高，适于加工硬质合金等硬度高、导热性差的硬脆性材料。氧化铝磨料在新的状态下其切削性能和碳化硅大致相同，但硬度比碳化硅低，容易磨损，使切削性能降低，因此，应用不如碳化硅磨料广泛。碳化硼虽然价格较高，但因其硬度比碳化硅高、研磨性能好，加工表面质量高，所以大多数情况下，用来加工特别硬的材料或热处理后的零件。金刚石和立方氮化硼都属于高硬磨料系。其晶体结构基本相同，前者硬度稍高于后者。两者硬度和强度高，切削性能稳定，工作寿命极长，可达一年之多，而碳化硅通常仅为 200-500 小时左右。因此，高硬磨料系磨料虽然价格较高，但在加工硬质合金，碳化钨以及特种陶瓷等零件，是卓有成效的，也深受用户欢迎。退粘剂，其作用就是用以防止因介质粘度过大，降低了介质的流动性和剥离性，以致粘到零件上或操作者手上，给清洗和操作带来很大困难。增稠剂的加入防止介质在挤压力作用下，以一定流速流动过程中，由于克服阻力等而过热，从而使介质温度上升，引起介质软化和粘稠性下降等。而润滑剂的加入即可起到润滑作用，有助于提高介质的切削性能。根据零件加工要求和加工条件，可选择一种或几种添加剂混合使用，可获得理想的介质，大大提高了加工效果。在挤压珩磨加工中应根据零件材料、结构形状、尺寸大小、加工要求和加工余量等选择基料、磨料和添加剂，确定其配比，并通过试验配制出最佳的挤压珩磨介质。夹具不仅是挤压珩磨机床的重要组成部分，而且也是至关重要的“诺诰” 。夹具结构设计正确与否，其本身加工制造质量好坏都对加工效果和生产率有很2013 届本科毕业设计（论文）大影响。挤压珩磨夹具的功能主要有：1正确定位，牢靠固定零件，并使零件不直接承受夹紧力，以保证挤压珩磨加工中零件位置不变。2按照零部件的结构形状和加工要去确定介质压入形式和方法，并能承受住最大挤压珩磨压力。3保护零件不加工部位，避免使零件被介质磨料划痕、嵌入和磨蚀。此时夹具也就是起到机械保护罩的功能。4某些夹具还具有能够计量介质的流量，调整和控制介质的磨蚀作用。挤压珩磨夹具除了具有上述功能之外，还应有一般机床夹具所不具备的特殊功能，即在介质流动过程中，提供一个或数个“干扰” ，旨在按照零件的加工目的和要求，控制介质的流程和流向等，以期获得良好的加工效果。3.3.3 挤压珩磨去毛刺加工的特点分析挤压珩磨去毛刺加工作为零件去毛刺、抛光、倒圆的新技术，主要优点有：1 适用范围广，能适应于各种零件的加工。2 可用于各种尺寸零件的加工。3 效率高，与手工作业相比，加工时间成倍减少，可采用多工位加工。4 加工表面可具有方向性，适应于有加工方向要求的零部件加工。5 可加工的材料范围广，可加工所有的金属材料。但挤压珩磨加工也有其局限性：1不适合于具有较小盲孔或容积较小的空腔的零件加工，主要原因是难以设计夹具，从而不能使介质往复流动。2对大尺寸的零件，较难加工。3会造成零件材料损失，一般加工余量为 0.01 毫米，对高精度要求的零件不适合加工。4设备费用高。5介质费用高，采购资源只掌握在少数设备厂家手中。3.4 几种去毛刺方法对比通过上述几种去毛刺方法的比较，针对柴油机零部件去毛刺加工的工艺方法，初步得出以下结论。1机械去毛刺，加工成本低，去毛刺效率高，去毛刺后零件表面会残留已经去除掉的毛刺，无法进行最终检测，采用专用机床以动力刷自动去毛刺方案，能够适合于对缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴等零部件在半精加工或精加工后，零件最终检测和成品前的去毛刺工作，但对于毛刺大于 300 微米的零件，应采用手工方式先行去除毛刺后再进行机械去毛刺。2高压射流去毛刺，适合于对深油孔及交叉孔、盲孔内的毛刺去除，由于采用水为介质，同时也不能去除较大毛刺，宜同缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴等零件最终清洗工序结合起来，采用多工位清洗、去毛刺、吹干设备，进行上述零件的最终加工。3挤压珩磨去毛刺，具有零件表面光整、抛光作用，且由于设备费用高，难以去除尺寸较大零件和细微盲孔中的毛刺，宜采用多工位设备