2010年4月第38卷第8期
机床与液压
M A C H I N ET O O L ＆H Y D R A U L I C S
A p r .2010
V o l .38N o .8
D O I :10.3969/j .i s s n .1001-3881.2010.08.040
收稿日期:2009-07-27
作者简介:徐支凤(1975—),男,硕士,讲师,主要从事机械制造工艺及设备研究。电话:135********。E-m a i l :j x l g x z f
@126.c o m 。
机械零件毛刺去除工艺现状
徐支凤
(江西理工大学应用科学学院机电工程系,江西赣州341000)
摘要:介绍机械零件常用去毛刺方法,如电化学去毛刺、热能去毛刺、挤压珩磨去毛刺、磁力研磨去毛刺、水喷射去
毛刺、磨料流去毛刺、激光去毛刺、超声波去毛刺、化学去毛刺等方法,介绍了这些方法的原理及特点。
关键词:毛刺;电化学;热能;挤压珩磨;磁力研磨;磨料流中图分类号:T H 16 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2010)8-111-3
P r e s e n t S t a t u s o f D e b u r r i n g P r o c e s s i n g f o r Me c h a n i c a l P a r t s
X UZ h i f e n g
(J i a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d S c i e n c e ,G a n z h o u J i a n g x i 341000,C h i n a )
A b s t r a c t :T h et h e o r i e sa n dp r o p e r t i e so f g e n e r a l d e b u r r i n gp r o c e s s i n gf o r m e c h a n i c a l p a r t sw e r ei n t r o d u c e d ,s u c ha sE C D
(E l e c t r o -C h e m i c a l D e b u r r i n g ),T E D(T h e r m a l E n e r g yD e b u r r i n g ),A F M (A b r a s i v eF l o wM a c h i n i n g ),M A F(M a g n e t i c A b r a s i v e F i n i s h i n g ),W J D(Wa t e r J e t D e b u r r i n g ),A F D (A b r a s i v e F l o wD e b u r r i n g ),l a s e r d e b u r r i n g ,s u p e r s o n i c w a v e d e b u r r i n g a n d c h e m -i c a l d e b u r r i n g .
K e y w o r d s :B u r r ;E l e c t r o -c h e m i c a l ;T h e r m a l e n e r g y ;A b r a s i v e f l o wm a c h i n i n g ;M a g n e t i c a b r a s i v e f i n i s h i n g ;A b r a s i v e f l o w
机械零件在加工制造过程中产生的毛刺,对零件的精度、使用、再加工定位、操作安全和外观质量等许多方面都产生不良影响;同时,由于去毛刺要花费很多的时间和费用,也成为降低成本的最大障碍之一。所以,对于毛刺要引起足够重视,设法减少毛刺的产生,努力提高去毛刺技术。目前,去毛刺技术已受到各工业发达国家的普遍重视,成立了许多专门研究机构,进行了大量研究。随着我国工业的发展,零件去毛刺技术的研究与应用也越来越广泛。
1 常用去毛刺方法
目前,国内常用的去毛刺方法有手工去毛刺、滚筒法、电化学法、热能去毛刺法、挤压珩磨法、磁力研磨法、喷射去毛刺、磨料流动法、激光去毛刺、超声波去毛刺、化学去毛刺等。上述方法可分为机械方法和非机械方法,现加以介绍,尤以非机械方法为主,供读者参考。1.1 手工去毛刺
靠人工使用钢丝刷、锉刀、刮刀、砂轮等工具清除零件毛刺。因其劳动强度大、效率低、成本高,只适用于单件小批量生产。但该法灵活机动,不受场地与设备限制,故多用于新产品样试、单件小批量生产。1.2 滚筒去毛刺
滚筒去毛刺工艺是在锻件有磨料滚筒表面清理工
艺的基础上演化过来的,不仅能去毛刺、周边倒棱,还可清除表面锈污。滚筒去毛刺设备主要有卧式和倾斜式两种,目前大多采用卧式滚筒[1]
。滚磨时零件与磨料混装在滚筒中自由翻滚,零件易受冲击而出现碰伤或变形。因此,对于料薄刚性差的工件,滚磨时难
免变形,不适于采用滚筒去毛刺法[2-3]
。这种方法操作简便、设备投资小,生产效率高,产品质量也较好。其缺点是运转噪声往往超标,设备宜装于密闭无人的专用房间。
1.3 电化学去毛刺(E l e c t r o -C h e m i c a l D e b u r r i n g ,E C D )
电化学去毛刺是电解加工(E l e c t r o -C h e m i c a l M a -c h i n i n g ,E C M )的一种特殊类型,可去除毛刺、飞边及棱角倒圆。几乎所有的导电材料都能利用E C D 。
大多数E C D 的时间为5～30s [4]
,因此效率很高。
电化学去毛刺是依据金属零件在电解液中会发生阳极溶解的原理进行的。在对金属进行阳极溶解的过程中,金属的去除量服从法拉第定律,金属的去除速
度与电流密度有关[5-7]
。由于工件阳极的形状以及工件阳极上各点与工具阴极之间的距离不同,在电场的作用下工件阳极上各点的电流密度不同。当工具阴极与工件毛刺根部靠近、并在工件与工具阴极之间通过高速流动的电解液时,由于毛刺根部的电流密度大,去除速度快,因而可以使毛刺从根部被迅速溶解,并
被高速流动的电解液带走,由于毛刺是采用阳极溶解的方式,所以去除毛刺后的部位会形成光滑的圆角。通过采用不同的电解液配方以及合适的加工工艺参数、控制工具阴极与工件毛刺根部的距离,就可以控制去毛刺后形成的圆角半径的大小,并且不影响零件原来的形状。一般工件阳极与工具阴极之间的距离,即所谓的间隙在0.1～2m m的范围[8]。E C D常用参数为:电压4～25V,电流50～500A,去毛刺边缘每25m m长约需电流10～15A[4]。使用E C D时,常用电解液为浓度240～360g/L的N a N O
3
,压力为100～350k P a,电解液温度控制在32～42℃,电解液流量为4～15L/m i n[4]。电极材料采用黄铜、纯铜、紫铜或不锈钢制作。
1.4 热能去毛刺法(T h e r m a l E n e r g yD e b u r r i n g, T E D)
T E D又称高温去毛刺,是一种简单的化学反应过程。其原理是将需要去毛刺的工件放在坚固的密封室内,然后送入一定体积比的经充分混合并具有一定压力的氢和氧,经火花塞点火后,混合气体瞬时爆炸,放出大量的热,将工件表面、棱边和内部孔槽附着的毛刺熔化清除[9-12]。
T E D爆燃时间极短,使用氢、氧气体时,只有2～3m s,即使使用天然气和氧气,也只有20m s左右。燃烧时的瞬时温度达3300℃,爆震波的速度达2800m/s,瞬时压强很高,为大气压强的20倍。因此,人们担心经T E D后的零件是否会破坏原有的加工表面质量。研究结果表明:尽管毛刺达到自燃温度,但零件本体却因热容量大而温升很低,一般不超过120℃;若零件的面、体积比过大(大于20),则会在去毛刺的同时烧坏零件本身。一般,去除毛刺的厚度小于材料厚度的十倍以上时,T E D不会改变零件表层金相组织、显微硬度和零件表层元素成分等[11]。由于燃气的可达性好,可触及零件所有表面,因而可去除盲孔、深孔、交叉孔和窄缝隙处的毛刺。但是,这种方法的局限性是不适于低熔点合金材料。
1.5 挤压珩磨(A b r a s i v e F l o wM a c h i n i n g,A F M)[13-15]
A F M是20世纪70年代发展起来的一项表面加工的新技术,其基本原理是利用一种类牙膏状的含磨料的半流动状态的磨料介质在一定的压力下强迫在被加工表面流过,靠磨粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料。
A F M非常适合去除伺服阀体内部交叉孔口处的毛刺,此外它还适合各种复杂表面的抛光和去毛刺,如各种型孔型面齿轮叶轮喷嘴小孔液压部件和各种模具等。而且几乎能加工所有的金属材料,还能加工陶瓷和硬塑料等非金属材料。A F M的关键是合理选用黏性磨料介质和正确设计加工用的夹具,加工后应对零件进行彻底的清洗以除去可能残留在内腔中的磨粒等多余物。
1.6 磁力研磨法(M a g n e t i cA b r a s i v eF i n i s h i n g, M A F)
M A F是在强磁场作用下,填充在磁场中的磁性磨料沿着磁力线方向有序排列,形成磁力研磨“软刷”,并对工件表面产生一定的压力[16-20]。在磁力研磨中,由大量微粉状磨粒组成的磁性磨料在磁场中受磁力作用而紧压于工件表面。磁性磨料在工件表面通常有滑动、滚动和切削3种运动形式,当磨粒所受磁场力大于切削力时,磁性磨料处于正常切削状态;当磨粒所受磁场力小于切削力时,磁性磨料就会产生滑动或滚动。磁性磨粒在加工过程中与工件表面产生接触摩擦、挤压、刻划、微去除切削,实现对工件表面的光整加工[21-22]。在磁粒研磨过程中,为了提高加工效率,经常加一些研磨液[23],在研磨液中含有硬脂酸、油酸等活性物质,能在工件表面形成一层化合物薄膜,这些薄膜具有厚度薄、形成快、吸附磨粒性能强以及容易去除等特性,这增加了工件表面凸峰的去除速度,从而可以达到提高加工效率的目的。
1.7 水喷射去毛刺(W a t e r J e t D e b u r r i n g,W J D)
水喷射去毛刺是利用专用泵把水或含有水溶性油的水加压后[24],从特殊设计的喷嘴以一定的形状如扇形、锥形等喷射出去,产生巨大的冲击能量对零件进行冲击,达到去除毛刺的目的。高压水射流系统一般由压力源、喷嘴及其控制装置以及连接它们的高压管路和其他附属装置组成。喷射压力要比水喷射切割(W a t e r J e t C u t t i n g)和磨料水喷射切割(A b r a s i v e W a-t e r J e t C u t t i n g)的喷射压力小一个数量级。这种方法对去除深孔和小直径孔的毛刺很有效,特别适用于复杂形状零件在机械加工后形成的多种毛刺。由于使用水,也有利于清洗,不会产生环境污染。水喷射去毛刺对机床精度无高要求,但由于使用水,则必须注意防锈。喷嘴可用陶瓷或不锈钢制作。去毛刺质量取决于喷嘴的孔径、出口水压、水流量、喷嘴的位置和水喷射参数。
1.8 磨料流去毛刺(A b r a s i v eF l o w D e b u r r i n g,
A F D)
磨料流去毛刺的射流由水、聚合物及磨料经严格的工艺制备而成[25]。由于聚合物的存在,其中的磨料处于悬浮状态。其特点是集束性强,材料浪费少;浆体中的磨料目数高,加工表面粗糙度好;磨料悬浮,不易发生淤积和堵塞管道的情形。
磨料流加工效果取决于磨料类型、压力、磨料流速度以及喷嘴相对于工件的倾斜角度和距离等参数。可利用这种方法去除液压阀、飞机燃油系统等精密小
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零件中不允许有毛刺的交叉孔、沟槽和螺纹等部分的毛刺。用尼龙、聚四氟乙烯和聚酯塑料等材料制作的零件,也可用这种方法去除毛刺。磨料喷射去毛刺所用的磨料与被加工材料有关。加工铝和黄铜,用氧化铝磨料;加工不锈钢和陶瓷,用碳化硅磨料。在集成电路中,用合成树脂作为喷射料去除引线骨架上的热固性塑料毛边和毛刺十分有效。磨料流去毛刺不产生高温,不形成加工后残余应力和应变层,更不会产生二次毛刺。
1.9 激光去毛刺
和传统去毛刺方法相比,激光去毛刺技术光斑温度高,对毛刺加热速度极快,零件热影响区小,加工质量好,对材料无选择。具有不用刀具,不用电解液,不会对环境造成污染;激光工艺参数可以调控,因而不会损伤毛刺以外的组织;激光去毛刺设备可以重复使用,运行成本低;可以方便地实现自动化操作等优点。激光去毛刺技术是一种“绿色”工艺[26-27],不会对环境造成污染,避免了零件的重复清洗,从而降低了零件的制造成本。
1.10 超声波去毛刺[28-29]
超声加工是一种利用超声能量进行加工的高新技术,其装置由超声波发生器、换能器、变幅杆和超硬磨料工具组成。超声波去毛刺,是超声波加工在零件去毛刺加工中的应用,它是利用超声波在液体介质中产生的旋涡、负压区、空穴和气泡,对被清理工件表面进行作用,加速毛刺和污物的脱落。尤其是空穴和气泡很不稳定,一旦形成又迅速闭合产生很大的激波,这就是空化效应,它加速了毛刺和污物的剥离,再加上清洗液的溶解或乳化作用,加快了清理速度。
1.11 化学去毛刺
化学去毛刺是在一化学介质中通过化学反应使金属表面光整的工艺。与机械抛光和电化学抛光相比,有其独特的优点[30]:不受零件形状及尺寸的限制;可以加工有盲孔、深槽、形状复杂的零件和细管、弯头、大型装备的内腔以及丝材、带材等;生产效率高,适用于生产,而且设备简单,操作方便。
化学去毛刺液的基本组成包括腐蚀剂、氧化剂、添加剂和水。腐蚀剂是主要成分,与金属基体反应;氧化剂和添加剂可抑制腐蚀过程,使去毛刺过程获得更高的光洁度[31];用水调节溶液浓度,便于反应产物的扩散。化学去毛刺液能否获得良好的效果,取决于上述成分的合理配合[32]。
2 结束语
为提高去毛刺技术的研究水平和使用效果,建议从以下几方面着手:
(1)加强技术转化,研究推广无毛刺加工工艺和新型去毛刺技术,尽快改进已有试验用设备,投入实际生产,加强成熟技术的推广应用。
(2)深化理论研究,在总结生产实践经验和试验研究数据的基础上,探索去毛刺的新技术、新工艺,研究多方法复合加工技术。
(3)应用数字技术设计制造自动化、智能化去毛刺设备,提升机械制造行业的整体水平。
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第8期徐支凤:机械零件毛刺去除工艺现状
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在机检测子程序的开发
图4 主程序执行和子程序被调用过程作者将检测程序分成两部分:第一部分是检测路径代码,采用大家所熟悉的普遍应用的G /M 代码编写,由在机检测系统根据零件形状的特点自动生成并作为检
测的主程序;第二部分采用宏变量编程,实现与机床系统内部进行数据传输和交换
的功能,其由手工编程并封装成为一个子程序,在检测之前植入到数控系统供检测主程序调用。在主程序中调用宏程序时通常使用G 65指令,格式如下:
G 65P(程序号)<自变量赋值>在书写时,G 65必须写在<自变量赋值>之前。检测程序执行过程如图4所示。作者所开发的检测子程序如下:
O 0999;//输出坐标值子程序号P O P E N ;//打开I /O 端口#101=#5061;//将X 坐标值保存在公共变量101中#102=#5062;//将Y 坐标值保存在公共变量102中#103=#5063;//将Z 坐标值保存在公共变量103中D P R N T [#101[43]#102[43]#103[43]];//输出当前点的坐标值
P C L O S ;//关闭I /O 端口注:上述子程序中,“//”后面的为程序说明部分。4 结论
将作者所开发的检测用子程序植入数控系统供检测时调用,根据检测代码对零件进行在机测量,每测量一个点就调用一次该子程序。图5为计算机与F A N U CO i -M 系列数控机床在机测量结果数据实时返回到计算机上的界面
。
图5 在机检测系统与F A N U CO i -M
系列数控机床数据通信模块
经过多次实验表明,作者所开发的检测子程序可以成功地应用于所有基于F A N U C 系列系统的数控机
床,实现在机检测,其运行效果良好,性能稳定。
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