機(jī)械加工毛刺產(chǎn)生的原因及處理辦法

機(jī)械加工后的毛刺很煩人，不怕！這里有方案金屬切削過(guò)程常常伴隨著毛刺的生成。毛刺的存在不僅降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量，影響到產(chǎn)品的使用性能，有時(shí)甚至?xí)l(fā)事故。對(duì)于產(chǎn)生的毛刺問(wèn)題，人們通常用去毛刺工序來(lái)解決。去毛刺是一個(gè)非生產(chǎn)性過(guò)程，它不僅增加產(chǎn)品成本，延長(zhǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)周期，而且毛刺去除不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失。

本文首先對(duì)影響端銑毛刺形成的主要因素進(jìn)行系統(tǒng)地分析，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制造加工全過(guò)程出發(fā)，探討了減小和控制銑削毛刺的方法和技術(shù)。

一、端銑加工中毛刺的主要形式

按照切削運(yùn)動(dòng)——刀具切削刃毛刺分類(lèi)體系，端銑過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺主要有主刃兩側(cè)方向毛刺、側(cè)邊切出切削方向毛刺、底邊切出切削方向毛刺及切入和切出進(jìn)給方向毛刺五種形式（見(jiàn)圖1）。

圖1 端銑加工形成的毛刺

一般而言 ，底邊切出切削方向毛刺與其它毛刺相比具有尺寸大、去除困難的特點(diǎn)。為此，本文以底邊切出切削方向毛刺作為主要研究對(duì)象開(kāi)展研究。根據(jù)端銑中底邊切出切削方向毛刺尺寸和形態(tài)的不同，又可將其分為如下三種：I型毛刺（尺寸較大，去除困難，去除費(fèi)用較高），II型毛刺（尺寸較小，可以不去除或去除容易）和III型毛刺即負(fù)毛刺（如圖2所示）。

圖2 銑削時(shí)底邊切出切削方向毛刺種類(lèi)

二、影響端銑毛刺形成的主要因素

毛刺的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的材料變形過(guò)程。工件材料特性、幾何形狀、表面處理、刀具幾何形狀、刀具切削軌跡、刀具磨損、切削參數(shù)及冷卻液的使用等多種因素都直接影響毛刺的形成。圖3為端銑毛刺影響因素框圖。在具體的銑削條件下，端銑毛刺的形態(tài)和尺寸取決于各影響因素的綜合作用，但不同的因素對(duì)毛刺的形成具有不同的影響。

圖3 銑削毛刺形成因果控制圖

1、刀具進(jìn)入/退出

一般情況下，刀具旋出工件時(shí)所產(chǎn)生的毛刺比刀具旋入工件時(shí)所產(chǎn)生的毛刺大。

2、平面切出角

平面切出角對(duì)底邊切出切削方向毛刺的形成有很大的影響。平面切出角的定義為當(dāng)切削刃旋出工件終端面時(shí)，在過(guò)切削刃上一點(diǎn)垂直銑刀軸線的平面內(nèi)，該點(diǎn)的切削速度（刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的矢量合成）的方向與工件終端面方向之間的夾角。工件終端面的方向?yàn)閺牡毒咝朦c(diǎn)指向刀具旋出點(diǎn)。如圖5所示，Ψ為平面切出角，其范圍0°<Ψ≤180°。

試驗(yàn)結(jié)果表明：毛刺高度隨著切削深度的變化而發(fā)生形式轉(zhuǎn)變，即隨著切削深度的增加毛刺由I型毛刺向II型毛刺轉(zhuǎn)變。通常將產(chǎn)生II型毛刺的最小銑削深度稱為界限切削深度，用dcr 表示。圖6顯示了加工一種鋁合金時(shí)平面切出角和切削深度對(duì)毛刺高度的影響。

圖6 毛刺形式與平面切出角和切削深度

由圖6可以看出：平面切出角越大，界限切削深度越大；當(dāng)平面切出角大于120°時(shí)，I型毛刺尺寸較大，向II型毛刺轉(zhuǎn)變的界限切削深度也大。因此，小的平面切出角利于II型毛刺產(chǎn)生，這是因?yàn)棣吩叫?，終端面支承剛度相對(duì)提高，毛刺越不易形成。

進(jìn)給速度的大小和方向?qū)铣伤俣葀的大小和方向均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而對(duì)平面切出角和毛刺形成產(chǎn)生影響。因此，進(jìn)給速度與退出邊偏移角α越大，Ψ越小，越利于抑制較大毛刺的形成（如圖7 所示）。

圖7 進(jìn)給方向?qū)γ绦纬傻挠绊?/p>

3、刀尖退出順序EOS

在端銑過(guò)程中，毛刺尺寸在很大程度上取決于刀尖的退出順序。如圖8所示：A點(diǎn)為副切削刃上的點(diǎn)，C點(diǎn)為主切削刃上的點(diǎn)，B點(diǎn)為刀尖頂點(diǎn)。假設(shè)刀尖是鋒利的，即不考慮刀尖圓弧半徑。如果B-C邊先退出工件，A-B邊后退出工件，則切屑鉸接在已加工表面上，隨著銑削的進(jìn)行，切屑被推出工件，形成尺寸較大的底邊切出切削方向毛刺。如果A-B邊先退出工件，B-C 邊后退出工件，切屑鉸接在過(guò)渡表面上，被切出工件，形成尺寸較小的底邊切出切削方向毛刺。

試驗(yàn)表明：

①使毛刺尺寸依次增大的刀尖退出順序ABC/BAC/ACB/BCA/CAB/CBA。

②EOS所產(chǎn)生的結(jié)果是一樣的，只是在相同的退出順序下，塑性材料比脆性材料所產(chǎn)生的毛刺尺寸要大。刀尖退出順序不僅與刀具幾何形狀有關(guān)，還與進(jìn)給量、銑削深度、工件幾何尺寸及切削條件等因素有關(guān)，是通過(guò)多種因素綜合起來(lái)對(duì)毛刺的形成施加影響。

圖8 刀尖退出順序與毛刺的形成

4、其它因素的影響

①銑削參數(shù)、銑削溫度、切削環(huán)境等對(duì)毛刺的形成也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，部分主要因素如進(jìn)給速度，銑削深度等的影響通過(guò)平面切出角理論和刀尖退出順序EOS理論體現(xiàn)出來(lái)，此不贅述；

②工件材料塑性越好，越易形成I型毛刺。在端銑脆性材料的加工過(guò)程中，如進(jìn)給量或平面切出角較大，則有利于III型毛刺（虧缺）形成；

③當(dāng)工件的終端面與已加工平面之間的角度大于直角時(shí)，因終端面支承剛度增強(qiáng)，能抑制毛刺的形成；

④銑削液的使用有利于刀具壽命的延長(zhǎng)，減小刀具磨損，潤(rùn)滑銑削過(guò)程，進(jìn)而減小毛刺尺寸；

⑤刀具磨損對(duì)毛刺的形成有很大的影響，當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度，刀尖圓弧增大，不僅刀具退出方向毛刺尺寸加大，刀具切入方向也會(huì)有型毛刺生成，其機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

⑥其它因素如刀具材料等對(duì)毛刺的形成也有一定的影響。在相同的切削條件下，金剛石刀具較其它刀具更有利于抑制毛刺形成。

三、控制銑削毛刺形成的基本途徑

端銑毛刺的形成受多種因素的影響，它不僅與具體的銑削過(guò)程有關(guān)，而且與工件結(jié)構(gòu)，刀具幾何形狀等因素有關(guān)。要減小端銑毛刺，必須從多方面出發(fā)控制和減小毛刺的生成。

1、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

毛刺的形成在很大程度上受工件結(jié)構(gòu)的影響，工件結(jié)構(gòu)不同，加工后棱邊處的毛刺形狀和尺寸也有很大的差別。如果工件材料和表面處理是事先定好的，那么工件幾何形態(tài)和棱邊則是決定毛刺形成的一個(gè)重要因素。

2、適當(dāng)?shù)募庸ろ樞?/p>

加工順序?qū)Χ算娒痰男螤睢⒋笮∫灿幸欢ǖ挠绊?。毛刺形狀和尺寸不同，去毛刺的工作量和相關(guān)費(fèi)用也不相同，因此，選取適當(dāng)?shù)募庸ろ樞蚴菧p少去毛刺費(fèi)用的一種有效途徑。

圖9 選擇加工順序控制法

在圖10a中如果先鉆孔再銑平面，則孔圓周上容易生成較大切出銑削毛刺；如果先銑平面再鉆孔，則孔圓周上只有較小的鉆削切入毛刺。同理，在圖10b中，先銑削上表面再銑凹輪廓所形成的毛刺比先加工凹輪廓再銑平面所形成的毛刺尺寸要小。

3、避免刀具退出

避免刀具退出是避免毛刺形成的有效方法，因?yàn)榈毒咄顺鍪乔谐龇较蛎绦纬傻闹饕蛩?。通常情況下，銑刀旋出工件所產(chǎn)生的毛刺較大，旋入工件時(shí)產(chǎn)生的毛刺較小。因此，在加工過(guò)程中應(yīng)盡量避免銑刀旋出。如圖4 中，采用圖4b 生的毛刺小于圖4a中所產(chǎn)生的毛刺。

4、選取適當(dāng)?shù)淖叩堵肪€

由前面的分析可知：當(dāng)平面切出角小于一定值時(shí)，所產(chǎn)生的毛刺尺寸較小。平面切出角可以通過(guò)改變銑削寬度、進(jìn)給速度（大小和方向）和旋轉(zhuǎn)速度（大小和方向）來(lái)改變。因此，可以通過(guò)選取適當(dāng)?shù)淖叩堵肪€來(lái)避免I型毛刺的生成（見(jiàn)圖11）。

圖10 控制走刀路線法

圖10a為傳統(tǒng)的之字型走刀路線，圖中陰影部分表示可能產(chǎn)生尺寸較大的切出切削方向毛刺的部位。圖10b采用了改進(jìn)的走刀路線，它可以避免切出毛刺的生成。雖然圖11b中的走刀路線比圖10a中的走刀路線略長(zhǎng)，花費(fèi)銑削時(shí)間略多，但由于不需要附加去毛刺工序，而采用圖10a需要大量的去毛刺時(shí)間（雖然圖中陰影部分即毛刺產(chǎn)生的部位并不是很多，但是實(shí)際去毛刺時(shí)必須走完毛刺所在的所有棱邊），因此綜合起來(lái)看，在控制毛刺方面，圖10b所示走刀路線優(yōu)于圖10a所示路線。

5、選取適當(dāng)?shù)你娤骷庸?shù)

端銑參數(shù)（如每齒進(jìn)給量、端銑寬度、端銑深度及刀具的幾何角度等）對(duì)毛刺的形成有一定的影響。

端銑毛刺的形成受多種因素的影響，其中主要的影響因素有：刀具退出/進(jìn)入、平面切出角、刀尖退出順序、銑削參數(shù)等。毛刺的最終形狀和尺寸是各種因素綜合作用的結(jié)果。

本文從工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝的安排、銑削用量及刀具的選用等全過(guò)程出發(fā)，分析了銑削毛刺產(chǎn)生的主要影響因素，提出了控制銑刀路線法、選擇合適加工順序法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)法等抑制或減小銑削毛刺的技術(shù)、工藝和方法，為在銑削加工中主動(dòng)控制毛刺尺寸、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和縮短生產(chǎn)周期提供了可行的技術(shù)方案。