金属加工中的毛刺问题

1、金属切削加工中的毛刺问题王春梅 摘要 毛刺是金属切削加工中产生的必然现象，它直接影响产品的质量，应从产品结构设计、工艺设计、刀具设计和生产管理等方面对毛刺加以控制。关键词：金属切削加工毛刺 解决措施1. 引言长期以来，毛刺现象没有引起人们足够的重视，以至毛刺悄然影响着产品的质量。如在进行挖掘机液压系统某个零件的设计时，在技术要求中写上“去除各孔交、贯处毛刺”的字样，但有人却以加工难度大、检测不方便、增加加工成本等为由提出质疑。工人们也常常嫌麻烦忽视去毛刺工序，部分设计人员对此也不太重视，在图样上漏写“去毛刺”或“棱边倒钝”等。其实，去毛刺是一个非常重要的工序，在液压系统中，零件上的毛刺一旦脱落

2、进入元件时就会卡死滑阀，损伤零件表面，割破软管或堵塞出液口等从而影响主机性能，甚至停机。毛刺如果掉在定位基准面上会影响加工精度；毛 刺 还 会 容 易 划伤 工 人 造 成 不 安全 因 素 影 响 装 配质 量 以 及 零 件 寿命，如何看待和控制金属切削加工中的毛刺问题，这将直接关系到产品的质量，这里就此发表一点看法。2对毛刺问题的重新认识毛刺，是指在金属（包括热加工和冷加工）切割加工过程中在切削力作用下，产生晶粒剪切滑移、塑性变形使材料挤压撕裂，导致工件表面过渡处出现各种尖角、毛边等不规则的金属部分。这里主要指的是在冷加工，即金属切削加工中的毛刺问题。毛刺是金属切削加工中产生的普遍现象之

3、一，也是金属切削理论研究中迄今为止尚未解决好的两大难题（毛刺的生成与控制，切屑的处理与控制）之一。大家都知道金属切削加工是指从工件上切除多于金属材料的加工方法。不同的切削方法选用的刀具不同（常用的刀具有车刀、刨刀、钻头、齿轮刀具等，常见的切削加工方法有车削、刨削、钻削、磨削、铣削、齿轮加工等），切削加工虽有多种不同的方式但在很多方面（如切削时的运动、切削刀具以及切削过程的实质等）度有着共同的规律，采用不同的切削手段，毛刺的形成机理也不仅相同，毛刺的形状也不同。所以毛刺对工件质量的影响程度也不同，毛刺直接影响被加工工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。2.1 切屑的形成及切屑类型2.1.1 切屑

4、的形成金属的切削过程也是切屑形成的过程。如图2- II所示，切削塑性金属时，当工件受到刀具的挤压以后，切削层金属在始滑移面OA左下方发生弹性变形，愈靠近OA面，弹性变形愈大。在 OA面上，应力达到材料的屈服点，发生塑性变形，产生滑移现象。随着刀具 的连续移动，原来处于始滑移面上的金属不断向刀具靠拢，应力和33 2-11切屑形成过程变形也逐渐加大。在终滑移面 OE上，应力和变形达到最大值。越过 OE面，切削层金属将脱离工件母材，沿着前面流出而形成切屑。经过塑性变形的金属，具晶粒沿大致相同的方向伸长。在切削过程中刀具与工件接触的区域,出现三个变形区。 OA与OE之间是切削层的塑性变形区，称为第一变

5、 形区或称基本变形区。基本变形区的变形量最大，常用它说明切削 过程的变形情况。切屑与前面摩擦的区域称为第二变形区或称摩擦 变形区。切屑形成后与前面之间存在很大的压力，沿前面流出时必 然有很大的摩擦，因而使切屑底层又一次产生塑性变形。工件已加 工表面与后面接触的区域称为第三变形区或称已加工表面变形区。第三变形区是已加工表面产生加工硬化和残余应力的主要原因。2.1.2 切屑的类型当工件材料的性能、切削条件不同时，会产生不同类型的切屑,并对切削加工产生不同的影响。如图2-12所示：图2-12切屑的类型&）带状切屑b）节栈切屑 O单元切肩d）崩碎切属（ 1 ）带状切屑使用较大前角的刀具并选用较

6、高切削速度、较小的进给量和背吃刀量切削硬度较低的塑性材料时，切削层金属经过终滑移面 OE虽然产生了较大的塑性变形，但尚未破裂即被切离母体，从而形成连绵不断的如图2-12a 所示的带状切屑。切屑缠绕在刀具或工件上，会损坏刀刃，刮伤工件，且清除和运输也不方便，常成为影响正常切削的关键。为此，常在刀具前面上磨出各种不同形状和尺寸的卷屑槽或断屑槽。形成带状切屑的切削过程比较平稳，切削力波动也较小，加工表面较光洁，精度好。（ 2）节状切屑一般用较小的前角、较低的切削速度加工中等硬度的塑性材料时，容易得到如2-12b 所示这类切屑。当切削层金属到达OE面时，材料已达到破裂程度，被一层一层地挤裂而呈锯齿 形

7、，越过OE面后，被切离母体而形成节状切屑。由于变形较大，切 削力大，且有波动，加工后工件表面较粗糙。（ 3）单元状切屑切削塑性很大的材料，如铅退火铝、纯铜时，切屑易在前面上形成粘结不易流出，产生很大变形，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为如图2-12c 所示形状的切屑。（ 4）崩碎切屑在切削铸铁和黄铜等脆性材料时，切削层金属发生弹性变形后，一般不经过塑性变形就突然崩碎，形成不规则的碎块屑片，即为如图2-12d 所示的崩碎切屑。工件愈是硬脆，愈容易产生送类切屑。产生崩碎切屑时，切削热和切削力都集中在主切削刃和刀尖附近，刀尖容易磨损，并产生振动，从而影响表面粗糙度。切屑的类型可以随切削

8、条件的不同而改变，在生产中，常根 据具体情况采取不同的措施来得到需要的切屑，以保证切削加工的 顺利进行。例如，增大前角、提高切削速度或减小切削厚度可将节 状切屑转变成带状切屑。2.1.3积屑瘤在一定范围的切削速度下切削塑性金属时，在刀具前面靠近力刃的部位粘附着一小块很硬的金属，这块金属就是一切削过程中产 生的积屑瘤，或称刀瘤，如图 2-13所示图2-13积屑痛(1)积屑瘤的形成积屑瘤是由于切屑和前面剧烈的摩擦、粘结而形成的。当切屑沿前面流 出时，在高温和高压的作用下，切屑底层受到很大的摩擦阻力，致使这上层金属的流动速度降低，形成“滞流层”。当滞流层金属与前面之闷的摩擦力超过切屑本身分 子间的结

9、合力时，就会有一部分金属粘结在刀刃附近形成积屑瘤。积屑瘤形成后不断长大，达到一定高度又会破裂，而被切屑带下或嵌附在工件表面上，影响工件表面粗糙度。此过程是重复进行的。积屑瘤的形成主要取决于切削温度，如在300380 c切削碳钢时易产生积屑瘤。(2)积屑瘤对切削加工的影响由于积屑瘤在形成过程中经过剧烈变形而被强化，其硬度远高于被切金属。因此可以代替刀刃进行切削，起到保护刀刃、减小刀具磨损的作用。另外，积屑瘤的存在，如图2-13 所示增大了刀具的工作前角，使切屑变形和切削力减小。但由于积屑瘤不断地产生和脱落，会在巳加工表面上留下不均匀的沟痕，并有一些粘附在工件表面上，从而影响尺寸的精度和表面粗糙度

10、。由此可知，粗加工时产生积屑瘤有好处，但精加工时必须避免积屑瘤的产生。( 3)影响积屑瘤产生的因素工件材料和切削速度是影响积屑瘤产生的主要因素。塑性好的材料，切削时的塑性变形较大，容易产生积屑瘤。塑性差硬度较高的材料，产生积屑瘤的可能性相对较小。切削脆性材料时，形成的崩碎切屑与前面无摩擦，一般无积屑瘤产生。切削速度uc较低(uc<5m/min)时，切屑流动较慢，切屑底面的新鲜金属被充分氧化，摩擦数小，切削温度低，切屑分子间的结合力大于切屑底面与前面之间的摩擦力，因而不会出现积屑瘤。切削速度uc在550m/min范围内时，切屑底面的新鲜金属与前面间的摩擦数较大，切削温度高，切屑分子间的结合

11、力降低，因而容易产生积屑瘤。当切削速度uc很大(uc>100m/min )时，由于切削温度很高，切屑底面呈微熔状态，摩擦数明显降低，亦不会产生积屑瘤。此外，增大前角以减小切屑变形或用油石仔细打磨刀具前面以减小摩擦，或选用合适的切削淮以降低切削温度和减小摩擦，都有助于防止积屑瘤的产生。2.2 切削力总切削力来源于切削层金属的变形抗力、刀具前面与切屑之间的摩擦力以及后面与过渡表面产田的摩擦力，如图2-14所示中的F2.2.1 切削力的分解总切削力F是一个空间力。为了便于测量和计算，以适应机床、刀具设计和工艺分析，常将F分解为三个互相垂直的切削分力，如图2. 14所示。图总切削力的分解一 (1

12、)主切削力 Fc主切削力是总切削力 F在主运动方向上的正 投影，也称为切向力。主切削力是三个分力中最大的，消耗的机床 功率也最多(95 %以上)，是计算机床动力和主传动系统零件(如主 轴箱内的轴和齿轮)强度和刚度的主要依据。(2)进给力Ff进给力是总切削力 F在进给运动方向上的正投 影，车削外圆时与主轴轴线方向一致，又称轴向力。进给力一般只 消耗总功率的1 %5% ,是计算进给系统零件强度和刚度的依据。(3)背向力Fp背向力是总切削力 F在垂直于进给运动方向上 的正投影，也称为径向力或吃刀抗力。因为切削时在此方向上的运动速度为零，所以 Fp不作功。但会使工件弯曲变形，还会引起振动, 对表面粗糙

13、度产生不利影响。2.2.2 切削力、切削功率的计算（ 1 ）切削力计算由于切削过程十分复杂，影响因素较多，生产中常米用下列经验公式计算：Fc= kcAo= kcapf式中Fc 切削力（N） ；kc切削层单位面积切削力（N/ mr2i）;Ad切削层公称横截面积（mmg。kc与工件材料、热处理方法、硬度等因素有关，其数值可查切削手册 。（ 2）切削功率计算切削功率是三个切削力消耗功率的总合。在车外圆时背向力方向速度为零，进给力又很小，消耗的功率忽略不计，因此切削功率Pm （kw）可按下式计算：Pm=Fu cX 10 3式中uc切削速度（m/s）。机床电动机功率为：PeA Pm/刀式中 刀一一机床传

14、动效率，一般取 0.750.85。2.3 影响切削力的因素工件材料是影响切削力的主要因素。工件材料的强度和硬度愈高，变形抗力愈大，切削力也愈大。在强度、硬度相近的材料中，塑性大、韧性高的材料切削时产生的塑性变形大，使之发生变形或破坏所需的功和消耗的能量较多，故切削力较大。刀具角度中对切削力影响最大的是前角，切削各种材料时增大刀具的前角都会使切削力减小。切削塑性大的材料时，增大前角可使切削力降低得更多一些。主偏角对Ff、 Fc、 Fp 都有影响，但对Fp的影响最大。为了减小Fp,防止工件的弯曲变形和振动，在车削细长轴时常选用较大的主偏角（90 °或75 °）。切削用量对切削力

15、的影响主要表现在背吃刀量和进给量上。当增大背吃刀量和进给量时，被切削的金属增多，切削力明显增大。实验表明，当其他切削条件一定时，背吃刀量加大一倍，切削力增大一倍；而进给量加大一倍，切削力只增加 68%86%。切削速度 对切削力的影响不大，一般情况下可不予考虑。2.4 切削热与切削温度2.4.1 切削热及其传散在切削过程中，由于切削层金属的弹性、塑性变形以及摩擦而产生的热，称为切削热。切削热通过切屑、工件、刀具以及周围的介质传导出去，如图2-15 所示。在第二变形区内切削热主要由切屑和工件传导出去；在第二变形区内切削热主要是由切屑和刀具传导出去；在第三变形区内切削热主要是由工件和刀具传出。加工方

16、式不同，切削热的传散情况也不同。车削时，切削热的50%86%由切屑带走，10%40%传入刀具，3%9%传入工件，1%左右传人 空气。切局诺留2T5切削热的来源与传散2.4.2 影响切削热的因素切削区域(一般指切屑与前面的接触区)的平均温度，称为切 削温度。切削温度可用仪器测定，也可通过切屑的颜色判断。如切 削碳素钢，切屑的颜色从银白色、黄色、紫色到蓝色，则表明切削 温度从低到高。(1)工件材料的影响工件材料对切削温度的影响与材料的强度、硬度及导热性有关。材料的强度、硬度愈高，切削时消耗的功 愈多，切削温度也就愈高。材料的导热性好，有利于降低切削温度。(2)切削用量的影响增大切削用量，单位时间内

17、切除的金属量增多，产生的切削热也相应增多，致使切削温度上升。但切削速 度、进给量、背吃刀量对切削温度的影响程度是不同的。切削速度 增大一倍时，切削温度大约增加20%33%;进给量增大一倍时,切削温度大约只升高10%;背吃刀量增大一倍时，切削温度大约只升高3%。因此，为了有效地控制切削温度，选用大的背吃刀量和进 给量比选用较大的切削速度有利。图2-1E主储南与刀刃工作桧度 a)主偏癌小h)主偏角大(3)刀具角度的影响前角和主偏角对切削温度影响较大。前角增大，变形和摩擦减小，因而切削热减少。但前角不能过大，否则刀头部分散热体积减小，不利于降低切削温度。如图 2-16所示主 偏角减小，将使刀刃工作长

18、度增加？散热条件得到改善，利于降低 切削温度。2.4.3 切削热对切削加工的影响传入切屑及介质中的热对加工没有影响；传入刀头的热虽然不多，但由于刀头体积小，特别是高速切削时切屑与前面发生连续而强烈的摩擦，刀头上切削温度可达1000 c以上，会加速刀具磨损，降低刀具使用寿命广传人工件的切削热会引起工件变形，彩响加工 精度。特别是加工细长轴、薄壁套以及精密零件时，热变形的影响 更需注意。所以，切削加工中应设法减少切削热的产生，改善散热条件。长期以来，毛刺现象一直没有引起人们足够的重视。尽管在产 品的生产工艺中采取了去毛刺工序，但并未从严要求来解决毛刺问 题，以至毛刺悄悄地影响着产品质量，给产品后续

19、的检验、装配、 使用性能和美观留下后患。在长期指导学生生产实习的过程中，接触到许多的工艺文件，发现这样一个问题：虽然很多产品的工艺设计中安排了多次去毛刺工序，但几乎都没有具体要求和检验标准，只是一句话，因为去毛刺工序历来被看作是辅助工序。最近，了解到一家齿轮生产企业，他们生产的齿轮，其齿形加工经滚齿剃齿热处理工艺后本可以直接满足使用要求，但正是由于毛刺问题未解决好，因而在热处理后又安排了一道珩齿工序，其主要目的是去毛刺。这无形中增加了产品生产成本。随着机械制造业的进一步发展，人们对产品质量的要求越来越高，特别是一些精密产品，如液压元件、汽车、机床中的精密零件等，毛刺成了影响它们质量的潜在因素。

20、例如，液压元件的漏油问题，曲轴轴瓦的刮伤问题，齿轮传动的噪声问题等都与毛刺直接有关。基于以上叙述，人们应该重新认识毛刺问题，不要只把注意力放在主要工序上而忽视了去毛刺这样的“辅助工序”，殊不知解决好毛刺问题是进一步提高产品质量的一个技术关键。3控制毛刺的有效途径和方法关于毛刺的生成如前所提，迄今仍未得到很好的解决。这里对此问题也不作讨论，只是针对生产实际中出现的毛刺问题提出一些有效的控制途径和方法，也就是防止切削与刀具发生黏结或变形强化，可能避免毛刺的产生。? 降低刀具前刀面的表面粗糙度；?增大刀具前角；?减少切削厚度；?对工件适当热处理，减少塑性变形；?采用抗黏结性能好的切削液；?根据零件的

21、塑性，适当调整切削速度；建立超稳定的加工环境；采用特种加工方法3. 1合理的产品结构设计在满足产品使用要求前提下，产品的结构应能抑制或减小毛刺的出现。例如，东风汽车公司生产的EQ6100 2型发动机曲轴的油孔结构，过去是采用斜油孔。在钻斜油孔前，先在主轴颈的入钻部位钩出一个。9mm的球窝，以便倾斜钻头正确入钻，并在钻削过程中避免折断钻头和油孔出口的偏移。但在连杆轴颈油孔出口处出现过尖的薄的孔壁，极易出现毛刺，同时在中频淬火时易裂。现把连杆轴颈油孔出口处改为 。8mm的直孔后，使得这一问题得到了较好的解决，如图l所示。原斜油孔曲轴直油孔曲轴曲轴油孔结构3.2 重视工艺设计中的去毛刺工序毛刺既然出

22、现在金属切削加工过程中，那么控制毛刺的关键也就在零件的加工工艺过程中。在制定工艺规程时，应合理地安排去毛刺工序，并作出明确的、具体的要求，以使该工序便于操作和检验。怎样的工艺设计较为合理，没有一个统一的标准，应结合具体实际而定。一些企业的工艺人员去毛刺意识淡薄，在工艺设计中根本没有考虑去毛刺的工序，把它视为可有可无的工序，为简化工艺而没有安排去毛刺工序，这种做法显然是错误的。反之，如果在工艺过程中去毛刺工序安排得过多，则既不经济，也不合理。据有关资料介绍，不同的加工方法对毛刺的生成和影响是不同的。这样，在可能的情况下，可避开某些加工方法，或把容易产生毛刺的加工方法集中安排，然后统一处理。再有一

23、点就是在工件热处理前就应有效地处理毛刺，以免热处理后毛刺不易去除。3.3 改进去毛刺的方法，采用去毛刺新工艺传统的去毛刺工艺方法是采用人工手动砂轮或在砂轮机上人工打磨。这些方法虽然简单易行，但其效果不尽人意，操作起来难以把握。这几年，有的企业在去毛刺的方法上做了一些改进，收到了好的效果。例如，东风汽车公司独创的利用砂布轮对曲轴油口边进行光整加工，其工艺简单，质量好，效率高。前几年，加工制造业流行着一种电解法去除毛刺工艺及设备的新方法。电解法去毛刺是在直流电源作用下，利用金属工件在电解液中产生阳极溶解的原理进行的。由于毛刺突出于工件表面，与阴极之间的间隙最小，因而电流密度最大，电子线高度集中，所

24、以最接近阴极的毛刺将先溶解，直至毛刺全部蚀除。研究表明、这种方法可以除去小孔、深孔、盲孔、交叉孔处的毛刺，特别对机加工表面毛刺的去除十分有效。但是，这种去毛刺工艺的推广还有待解决相关的问题。3.4 设计专用工具和专用机床在实际生产中，往往会碰到这种情况，有的工件因结构上的原因，使得去毛刺成为一个难题。例如，箱体零件内腔的铸缝，内孔表面环形槽的翻边等。设计专用工具和专用机床就显得非常必要，这不仅可以提高产品质量，而且能减轻工人的劳动强度，提高生产率。这一点国外就做的比较好，去毛刺的专用刀具、工具已相当普遍。国内在这方面也作了一些尝试，如专门设计了钻孔倒角复合刃具，攻丝倒角复合刀具，专用弯头刮刀，

25、但没有推广。3.5 加强生产管理一个现代化的企业，不仅应重视技术改造和先进制造技术的应用，还应加强企业内部的生产管理，才能提高企业的效益。要减小或消除毛刺对产品质量的影响，除了前述各项外，严格的生产管理也是必不可少的。因为在零件的工艺过程中，工件在运输、装夹、装配时都会意外发生碰撞、敲击的损伤，从而形成毛刺，给产品质量留下隐患。只有加强了管理，这些碰撞、敲击才会明显减少，并把已损伤不合格的工件筛选出来。同时，也避免了人为的野蛮作业。4毛刺的检测方法及其选择原则如何评价毛刺和棱边的规格标准，目前还没有统一标准。设计时也很少标明对毛刺和棱边的具体要求。在美国的SMC（生产加工工程师学会）和ASME（美国机械工程师学会）对这方面有较深入的研究， 但没有制订成国家标准。为了评定被测工件去毛 刺的质量，人们可以参照表面粗糙度的参数值范围的评定规则,将去毛刺质量划分成110个等级，如图2所示。这种定量方式是否能够合理正确反映去毛刺质量，有待人们实践中加以验证。0.0050.0110.0220.0430.080.1650.3260.6371.2582.5095.00