無論哪種機械加工都會產生毛刺。所謂無毛刺加工,并不是指不產生毛刺,而是指產生的毛刺很小,不至于影響產品功能而已。毛刺的大小因加工類型而有所不同,既有像熱鍛零件制造過程中會產生較大毛刺的情況,也有像精密壓機或微細切削加工過程中產生的肉眼看不見的微小毛刺。
近年來,以各種機床為代表,用于電子、信息、光學機械等的零件以高精度、高功能化為目標,并且日益小型化。為了最有效地發揮零件本身的功能,高精度的去除毛刺技術顯得非常重要。
各種加工過程中產生毛刺的情況:(a)用直徑φ50µm立銑刀加工腔體的實例。乍看上去似乎切削得很干凈,但實際上棱邊上殘存了幾個微米級的微小毛刺。(b)磨削產生的毛刺。由于這是直接與人體接觸的電器制品零件,因此10µm的毛刺也不允許殘留。(c)壓機成形的繼電器零件,在所有位置都能觀察到微細毛刺,因為在使用過程中毛刺脫落會引起電器誤動作,所以必須加以去除。(d)在薄板上鉆孔加工時產生的毛刺。除切削、磨削、剪切時產生的毛刺以外,鑄造、塑性變形和激光加工等也會產生熔融凝固毛刺、附著毛刺等,在許多加工過程中,毛刺都是不可避免的。
原則上不產生毛刺最好,但除非采用原子級的加工方法,其他加工方法都必然要產生毛刺。去除毛刺與棱邊加工方法密切相關,技術越先進、零件越精細,棱邊質量對其性能的影響也越大。
抑制毛刺產生的對策涉及產品設計、工藝設計和現場生產三個階段。處理方法越恰當,效果就越明顯,成本自然也會降低。
生產現場棱邊加工存在的問題
生產現場的棱邊加工尚存在以下問題:
(1)棱邊的質量
不能徹底清除零件棱邊上殘留的毛刺;無法達到功能所要求的棱邊形狀和質量;產生毛刺的零件對后續組裝等工作造成不良影響。
(2)成本和生產率
生產商希望在生產現場實現去毛刺自動化,但由于產量問題和專機價格較貴而不得不依靠人工去毛刺。
(3)人工去除毛刺會引發安全問題和環境問題。
上述生產現場問題,大多數在后續流程中難以解決。因此,我們必須從產品設計、加工工藝設計的初期階段就考慮如何才能達到要求的棱邊質量。
毛刺控制方法
(1)產品設計過程中的毛刺控制
在產品設計過程中控制毛刺的方法包括:①選擇產生毛刺較少的加工方法;②改變產品的形狀或材質。
對于需要切削加工的零件,可考慮通過選擇其他加工方法來控制毛刺的產生。例如,由于面與面相交,進行切削加工時會產生毛刺,可采用縮小交叉角或倒角的方法。一般來說,與延展性強的材料相比,脆性材料不易產生毛刺。因此,變更材料可以作為解決方案之一,但由于存在各種制約因素,因此較難實施。
(2)工藝設計過程中的毛刺控制
在工程設計過程中控制毛刺的方法包括:①改變工序順序:如改變鉆孔加工順序,變更加工機械等;②改變加工方法:如將鉆孔加工變為沖壓加工,采用一起切削或重疊切削等。
(3)現場切削加工中的毛刺控制
在現場切削加工中控制毛刺的方法包括:①設法降低切削阻力;②改變工具形狀;③設法改變走刀路徑。
去除毛刺的新方法很少,幾乎一直沿用以前的原理,如機械、電氣、化學、熱力以及這幾項原理的復合。必須根據工件的材質、形狀、大小、數量等多種因素的考慮,在以上幾項原理中選擇最有效的去除毛刺工具和裝置。各種去除毛刺方法的特點及適用范圍如下:
①磁力研磨法:既能產生光澤又能去除毛刺的唯一方法,加工速度和均勻性是需要解決的課題。
②電解加工法:使用SUS磷酸系列電解液,能去除毛刺但對棱邊加工不利;適用于篩、過濾器等。
③滾筒研磨法:可利用微細顆粒使毛刺變小,但無法全部去除,磨塊的平直度難以保持;適用于普通沖壓件、眼鏡框架、螺釘、外科器具等。
④化學毛刺去除法:毛刺可能被去除,但棱邊質量和尺寸精度難以滿足;適用于半導體引線框架、螺釘、沖壓件等。
⑤液體珩磨法:如何保證表面和棱邊質量是一個問題,通過選用合適的磨粒有可能解決;適用于普通沖壓件。
⑥噴砂加工法:變形和棱邊質量是個問題,通過選用合適磨粒有可能解決,去除注射針頭上的毛刺具有實效;適用于塑料制品、鑄造零件、軸類零件、高爾夫球桿等。
⑦水噴射法:改進現有水噴射去除毛刺技術是可行的,但不能從根本上完全去除毛刺;適用于變速箱零部件、化油器等。
⑧刷除加工法:使用廢液易于處理的硝酸蘇打電解液,棱邊質量和生產性都不錯,有必要考慮防銹;適用于各種汽車零部件、高爾夫球桿等。
上述方法各有所長,選用時要仔細區分。其中,最常用到的是電解和化學去除毛刺的方法(都需要對廢液進行特殊處理),如果考慮到環保的話,很難稱得上是好方法。
從以往通過電解去除毛刺法獲得銳利棱邊可知,這種方法存在重要的不確定因素,包括棱邊銳利程度(棱邊精度、均勻度)、形狀適應性(三維形狀的適應性)、無人化或自動化加工中晝夜運轉的難易程度、對環境的影響等。這樣一來,就必須對各種參數設定、最適合產品要求的方法進行選擇。
去除毛刺的技術課題
①與表面加工和去除毛刺有關的數字化和自動化——通過數字化,達到產品特性均勻化和無人化。
②毛刺和棱邊的可視化及其圖像處理、定量評價和對策——通過在線定量評價,可以進行快速、良好的棱邊處理。
③盡量采用抑制毛刺的產品設計(根據零件選擇最適合的加工方法)——盡可能選擇不易產生毛刺的加工方法,力圖使這種加工方法最適合毛刺去除,減輕加工棱邊的工作量。
④建立表面處理、去除毛刺的數據庫——對于新材質和新形狀的零件,試圖都通過實驗測試找到最適合的方法是很費事的。構建數據庫可以使煩瑣的工作簡單化。
⑤根據新的原理開發去除毛刺新技術——這一點恐怕是最難的。前面所述的去除毛刺方法從原理上來看都是傳統技術。關鍵在于從各方面重新審視所設計的棱邊,使工藝之間的融合變得順利。
不要說先進的尖端技術,就是能實現定量化的常規技術其難度也很大。正是因為難度大,所以一直沒有得到解決。去除毛刺技術正是屬于這種常規技術。
誠然,即使是最先進的納米加工也會產生毛刺。如何控制毛刺和加工棱邊,今后最先進的技術能否成功,都和如何與不成熟的技術進行最佳結合密切相關。期待去毛刺加工技術人員的共同努力。