超精密零件喷射流去毛刺设备的设计

□高斌

中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009

1 毛刺形成机制及危害

金属经切削加工后，工件的边、角、棱等部位易产生毛刺。毛刺是金属在刀具切削的作用下产生剪切滑移，进而发生塑性变形所形成的，有三种基本的形成机制：材料变形、切屑弯曲和切屑撕裂，有四种基本类型：挤压毛刺、撕裂毛刺、翻转毛刺和切断毛刺［1-4］。

在金属切削加工中，毛刺的产生不可避免，残留毛刺会给零件带来如下危害：①影响零件的加工精度；②导致零件尺寸超差；③影响零件的测量精度；④影响零件的镀层质量；⑤影响零件的装配过程。

2 典型零件毛刺分析

图1所示零件A的原材料为2A12铝板，零件正反两面结构相同，由数控铣加工完成，铣削完工的零件带有毛刺。图1中指示部分对毛刺及外观有极高要求，大部分尺寸公差在0.05 mm以内，表面粗糙度值要求为1.6 μm，部分区域表面粗糙度值要求为0.8 μm，需要在10倍镜检时无毛刺，保证锐边圆角半径最大不超过0.1 mm或倒角半径最大不超过0.1 mm。

零件A去毛刺要求极高，但毛刺去除存在较多困难，原因如下：①零件用料铝材偏软，圆角半径最大不超过0.1 mm易超差；②零件尺寸精度高，较多尺寸公差在0.05 mm以内；③ 型腔结构小而复杂，有较多台阶，深度为0.5 mm、0.8 mm、1 mm等，型腔最窄处仅0.6 mm，空间极其有限。

图2所示零件B由1 mm厚度2A12铝板制作而成，材料强度及硬度较低。零件表面布满型腔，厚度最薄处为0.38 mm，宽度最薄处为0.2 mm，结构强度较低。零件尺寸公差精度均在0.03 mm以内，表面要求10倍镜检时无毛刺，并保持锐边圆角半径最大不超过0.05 mm或倒角半径最大不超过0.05 mm。

3 原设备设计方案

▲图1 2A12铝板零件A

▲图2 2A12铝板零件B

上述两种零件的共同点是材料软、结构紧凑复杂，尺寸精度高，去毛刺要求严格。因零件结构紧凑，加工使用的刀具较小，零件精度高，经多次加工，最终产生的毛刺一般都较小，甚至肉眼不可见。针对上述特点，笔者设计了一款去毛刺设备，如图3所示，其基本原理为刷子去毛刺技术。

在前期工艺方案可行性验证过程中，发现此种方案并不适合去除上述零件的毛刺，主要原因在于零件型腔都比较复杂，结构较小，并呈台阶分布，而毛刷去毛刺主要针对外轮廓，对沟槽类内轮廓及孔的毛刺去除效果不佳，且受毛刷直径限制，去除毛刺不能达到要求。

▲图3 原设计去毛刺设备结构

4 方案改进

通过查阅资料，确认喷射流法比较适合上述零件去毛刺［5-7］。喷射流法去毛刺的最大优点是不受零件形状和加工部位的限制，只要喷射物质能喷射到的地方，都可以去毛刺，其基本原理是使用配制好的喷射物质，通过管道输送到喷嘴，从喷嘴高速喷射到工件毛刺部位，使喷射材料对零件进行切削，从而达到去毛刺的效果。笔者利用现有条件，设计了喷射流去毛刺设备，如图4、图5所示。

喷射流去毛刺设备中间部分是一个密闭空间，所用管道均为塑料柔性材料制成，可随意移动，同时设置有操作和观察窗口，加工过程中可根据情况及时调整相关加工参数。零件可固定，也可移动，通过控制进气压力的大小，调整喷射液的流速和流量，实现对不同材料、不同大小毛刺的去除。

▲图4 喷射流去毛刺设备结构

▲图5 喷射流去毛刺设备实物

5 影响因素

影响喷射流法去毛刺效果的因素有三方面：①喷射液的流速和流量；② 喷射液的组成配比；③ 加工时间。喷射液的流速和流量与气压相关，设备使用压缩空气，最大压力为0.7 MPa。针对零件的特点，通过试验得到的工艺参数为5 μm棕刚玉磨料，气压0.15 MPa，加工时间3～5 s，介质为乳化液。需要说明的是，该加工时间是指在去毛刺部位停留的时间，并不是整个零件的加工时间。操作中一般不会直接在一个部位停留，通常是多次往复移动，保证均匀喷射。图6所示为零件去毛刺实际工况。

6 实施效果

针对零件材料软、精度高、锐边要求严格的特点，通过实践，得到合理的工艺参数，最终取得了理想的去毛刺效果，如图7所示。

通过选用不同磨料及工艺参数，可满足不同材料零件的去毛刺加工，见表1。

表1 工艺汇总

7 应用推广

通过加工实践及分析，喷射流去毛刺设备不仅可以去除毛刺，还可推广到以下几个方面：

（1）可清除热处理或焊接残留的斑渍，使零件表面色泽一致；

（2）精密零件表面抛光，可去除微观刀纹及缺陷；

（3） 可 清 除零件表面残留的氧化层或残留物，例如对线切割或电火花加工形成的氧化层的去除。

8 设备局限性

喷射流去毛刺设备较好地解决了前述两种零件的毛刺问题，在去除毛刺的同时，对零件表面还有抛光和清洗作用，可以改善零件的表面质量［8-12］。

▲图6 零件去毛刺实际工况

▲图7 零件去毛刺效果

但另一方面，喷射流去毛刺设备由于受空间限制，无法加工较大或较重的零件，同时有一定的局限性，主要体现在下面几个方面：①使用水基喷射介质时，金属零件加工完成后，需要及时进行干燥处理，否则零件会有生锈的风险；②喷射流压力较大，对薄壁零件或结构强度低的零件，有变形或折弯的风险；③更换加工不同材料零件时，需要将管道和加工室清理干净，否则残余磨料和毛刺屑可能损伤精密零件；④喷射流使用油类介质时，操作中存在安全风险，需要采取通风及防燃措施。

9 结束语

通过超精密零件去毛刺实践，笔者所设计的喷射流去毛刺设备有效可行，其优点体现在以下几个方面：

（1）能保证零件外观不受损，对尺寸精度影响有限，在0.003 mm以内；

（2）对形状复杂零件、相贯孔、微小型腔、沟槽窄缝去毛刺效果显著；

（3）毛刺在去除的同时被带走，同时具有抛光、清洗零件的作用；

（4）设备及使用成本较低，相比人工操作，生产效率大幅提升。