超精密零件噴射流去毛刺設備的設計

□高斌

中國空空導彈研究院 河南洛陽 471009

1 毛刺形成機制及危害

金屬經切削加工后，工件的邊、角、棱等部位易產生毛刺。毛刺是金屬在刀具切削的作用下產生剪切滑移，進而發生塑性變形所形成的，有三種基本的形成機制：材料變形、切屑彎曲和切屑撕裂，有四種基本類型：擠壓毛刺、撕裂毛刺、翻轉毛刺和切斷毛刺［1-4］。

在金屬切削加工中，毛刺的產生不可避免，殘留毛刺會給零件帶來如下危害：①影響零件的加工精度；②導致零件尺寸超差；③影響零件的測量精度；④影響零件的鍍層質量；⑤影響零件的裝配過程。

2 典型零件毛刺分析

圖1所示零件A的原材料為2A12鋁板，零件正反兩面結構相同，由數控銑加工完成，銑削完工的零件帶有毛刺。圖1中指示部分對毛刺及外觀有極高要求，大部分尺寸公差在0.05 mm以內，表面粗糙度值要求為1.6 μm，部分區域表面粗糙度值要求為0.8 μm，需要在10倍鏡檢時無毛刺，保證銳邊圓角半徑最大不超過0.1 mm或倒角半徑最大不超過0.1 mm。

零件A去毛刺要求極高，但毛刺去除存在較多困難，原因如下：①零件用料鋁材偏軟，圓角半徑最大不超過0.1 mm易超差；②零件尺寸精度高，較多尺寸公差在0.05 mm以內；③ 型腔結構小而復雜，有較多臺階，深度為0.5 mm、0.8 mm、1 mm等，型腔最窄處僅0.6 mm，空間極其有限。

圖2所示零件B由1 mm厚度2A12鋁板制作而成，材料強度及硬度較低。零件表面布滿型腔，厚度最薄處為0.38 mm，寬度最薄處為0.2 mm，結構強度較低。零件尺寸公差精度均在0.03 mm以內，表面要求10倍鏡檢時無毛刺，并保持銳邊圓角半徑最大不超過0.05 mm或倒角半徑最大不超過0.05 mm。

3 原設備設計方案

▲圖1 2A12鋁板零件A

▲圖2 2A12鋁板零件B

上述兩種零件的共同點是材料軟、結構緊湊復雜，尺寸精度高，去毛刺要求嚴格。因零件結構緊湊，加工使用的刀具較小，零件精度高，經多次加工，最終產生的毛刺一般都較小，甚至肉眼不可見。針對上述特點，筆者設計了一款去毛刺設備，如圖3所示，其基本原理為刷子去毛刺技術。

在前期工藝方案可行性驗證過程中，發現此種方案并不適合去除上述零件的毛刺，主要原因在于零件型腔都比較復雜，結構較小，并呈臺階分布，而毛刷去毛刺主要針對外輪廓，對溝槽類內輪廓及孔的毛刺去除效果不佳，且受毛刷直徑限制，去除毛刺不能達到要求。

▲圖3 原設計去毛刺設備結構

4 方案改進

通過查閱資料，確認噴射流法比較適合上述零件去毛刺［5-7］。噴射流法去毛刺的最大優點是不受零件形狀和加工部位的限制，只要噴射物質能噴射到的地方，都可以去毛刺，其基本原理是使用配制好的噴射物質，通過管道輸送到噴嘴，從噴嘴高速噴射到工件毛刺部位，使噴射材料對零件進行切削，從而達到去毛刺的效果。筆者利用現有條件，設計了噴射流去毛刺設備，如圖4、圖5所示。

噴射流去毛刺設備中間部分是一個密閉空間，所用管道均為塑料柔性材料制成，可隨意移動，同時設置有操作和觀察窗口，加工過程中可根據情況及時調整相關加工參數。零件可固定，也可移動，通過控制進氣壓力的大小，調整噴射液的流速和流量，實現對不同材料、不同大小毛刺的去除。

▲圖4 噴射流去毛刺設備結構

▲圖5 噴射流去毛刺設備實物

5 影響因素

影響噴射流法去毛刺效果的因素有三方面：①噴射液的流速和流量；② 噴射液的組成配比；③ 加工時間。噴射液的流速和流量與氣壓相關，設備使用壓縮空氣，最大壓力為0.7 MPa。針對零件的特點，通過試驗得到的工藝參數為5 μm棕剛玉磨料，氣壓0.15 MPa，加工時間3～5 s，介質為乳化液。需要說明的是，該加工時間是指在去毛刺部位停留的時間，并不是整個零件的加工時間。操作中一般不會直接在一個部位停留，通常是多次往復移動，保證均勻噴射。圖6所示為零件去毛刺實際工況。

6 實施效果

針對零件材料軟、精度高、銳邊要求嚴格的特點，通過實踐，得到合理的工藝參數，最終取得了理想的去毛刺效果，如圖7所示。

通過選用不同磨料及工藝參數，可滿足不同材料零件的去毛刺加工，見表1。

表1 工藝匯總

7 應用推廣

通過加工實踐及分析，噴射流去毛刺設備不僅可以去除毛刺，還可推廣到以下幾個方面：

（1）可清除熱處理或焊接殘留的斑漬，使零件表面色澤一致；

（2）精密零件表面拋光，可去除微觀刀紋及缺陷；

（3） 可 清 除零件表面殘留的氧化層或殘留物，例如對線切割或電火花加工形成的氧化層的去除。

8 設備局限性

噴射流去毛刺設備較好地解決了前述兩種零件的毛刺問題，在去除毛刺的同時，對零件表面還有拋光和清洗作用，可以改善零件的表面質量［8-12］。

▲圖6 零件去毛刺實際工況

▲圖7 零件去毛刺效果

但另一方面，噴射流去毛刺設備由于受空間限制，無法加工較大或較重的零件，同時有一定的局限性，主要體現在下面幾個方面：①使用水基噴射介質時，金屬零件加工完成后，需要及時進行干燥處理，否則零件會有生銹的風險；②噴射流壓力較大，對薄壁零件或結構強度低的零件，有變形或折彎的風險；③更換加工不同材料零件時，需要將管道和加工室清理干凈，否則殘余磨料和毛刺屑可能損傷精密零件；④噴射流使用油類介質時，操作中存在安全風險，需要采取通風及防燃措施。

9 結束語

通過超精密零件去毛刺實踐，筆者所設計的噴射流去毛刺設備有效可行，其優點體現在以下幾個方面：

（1）能保證零件外觀不受損，對尺寸精度影響有限，在0.003 mm以內；

（2）對形狀復雜零件、相貫孔、微小型腔、溝槽窄縫去毛刺效果顯著；

（3）毛刺在去除的同時被帶走，同時具有拋光、清洗零件的作用；

（4）設備及使用成本較低，相比人工操作，生產效率大幅提升。