【创世纪小百科】如何让毛刺无处藏身

　　Part 1
 

　　少无钻削毛刺的
 

　　基本原则
 

　　抑制和去除钻削毛刺是精密与超精密加工中的一个重要问题，实现对钻削毛刺的控制，对于提高钻削效率和零件质量等有着重要的作用。
 

　　基于钻削毛刺生成、形成及发展变化的理论分析和实验研究，通常情况下，在控制和去除钻削毛刺的生成过程中，应遵循以下三条原则。
 

　　(1)精度原则
 

　　在钻削加工过程中，虽然采用一些控制或减小钻削毛刺生成及降低钻削毛刺尺寸的有效手段，但是在工件加工孔的入口处和出口处仍会有毛刺的生成。
 

　　如果将这些毛刺的尺寸控制在很小范围内，它们对工件加工孔质量的影响则会很小，可以保证加工孔的尺寸精度和形位精度在允许的公差范围内，而不会造成对工件使用性能的影响。
 

　　这种情况下，钻削加工后不需要再安排后续的去毛刺工艺，这种加工方法就称为“无毛刺钻削加工”。
 

　　(2)效率原则
 

　　在实际金属钻削加工过程中，由于钻削条件和加工环境等各方面原因，很难实现所谓的“无毛刺钻削加工”。
 

　　这时候就要采用各种方法途径来控制毛刺的形态或减小毛刺的尺寸，尽量将毛刺的高度和根部厚度降到可以实现的范围尺寸内。
 

　　这可以减小后续去毛刺的工作量，从而减少毛刺的时间和提高钻削孔的加工质量。这种方法就称为效率原则。
 

　　(3)位置原则
 

　　在钻削加工过程中，一般来讲，毛刺的生成是无法避免的，虽然可以安排后续工序来去除毛刺，但这仍会造成对工件质量的影响，且不同部位毛刺的去除工作量和难易程度也不尽相同。
 

　　这时候就应该采用有效的方法，尽量使毛刺生成在非关键部位，或对工件精度影响较小、毛刺较易去除的部位，将毛刺的影响范围降到很低。
 

　　这种方法就称为位置原则。
 

　　在实际钻削加工过程中，所加工工件的形状和材料千变万化，刀具参数和钻削用量也各异。
 

　　在主动控制钻削毛刺形成时，要根据具体的钻削条件和工件性能要求而有所取舍和轻重主次之分。
 

　　一般来讲，应选择精度原则，其次是效率原则，最后是位置原则。
 

　　根据具体的加工材料、工件形状、加工孔位置、钻削刀具和钻削条件来选择合理的毛刺抑制手段和控制原则，以取得相应于工件使用性能和使用环境的加工孔表面完整性。
 

　　Part 2
 

　　钻削毛刺的
 

　　控制技术
 

　　在实际零件孔钻削加工中，根据工件孔的精度要求和使用性能，必须综合考虑各种因素对毛刺的影响作用，分析其主要影响因素的成因，然后采取相应的手段来抑制毛刺的生成或减小毛刺的大小, 以达到少无钻削毛刺加工的目标，从而使钻削效率得到提高、钻削质量得到保障。
 

　　
      上图总结了一些少无钻削毛刺加工的常用方法。可以看出，可以从工件选择、钻削工艺、加工方法、切削用量和刀具几何等五个方面来研发抑制和减小钻削毛刺的技术与方法。
 

　　Part 3
 

　　钻削用量
 

　　优选法
 

　　随着钻削速度v 的增加和钻削进给量f 的降低，毛刺尺寸逐渐减小。
 

　　所以，根据特定的钻削条件和孔质量需求，尽可能优先选择较大的切削速度v 和较低的进给量f，可以降低轴向力Fx 和毛刺尺寸的大小，从而使切削效率得到提高、切削质量得到保障。
 

　　3.1切削速度影响
 

　　这是由于毛刺形成机制为翻卷毛刺，因有未切除金属材料的挠曲变形，所以毛刺尺寸较大。
 

　　同时，钻削速度增加后，因刀具——工件和切屑——工件之间的摩擦变得更加剧烈，钻削区温度随之逐渐增加，导致工件材质软化，材料硬度降低，因此钻削扭矩和钻削力降低。
 

　　所以工件终端材料受钻头轴向力作用而产生的挠曲变形量就会相应减小，终端面最后一层金属的大部分材料就可以形成切屑而被切除，所以剩余的未切除金属材料变少，所形成的毛刺尺寸也就随之变小。
 

　　3.2进给量f 的影响
 

　　随着进给量f的增加，毛刺尺寸逐渐增加。这是由于毛刺形成机制为翻卷毛刺，因有未切除金属材料的挠曲变形，所以毛刺尺寸较大。
 

　　同时，进给量f 增加后，切削层金属厚度增加，钻削加工轴向推力变大，工件终端被切削材料的因受轴向力而产生的变形量增加，终端面最后一层金属的大部分材料未能形成切屑而被切除，所以剩余的未切除金属材料增多，所形成的毛刺尺寸也就随之变大。
 

　　Part 4
 

　　钻头参数
 

　　优化法
 

　　随着钻头螺旋角β的增加和顶角2φ的减小，毛刺尺寸逐渐减小。所以，在钻削加工中一些可允许的情况下优化钻头的几何参数，选择较小的顶角2ϕ和较大的螺旋角β，可以达到减小和控制毛刺尺寸与形态的效果。
 

　　4.1顶角2ϕ的影响
 

　　这是由于毛刺形成机制为翻卷毛刺，所以毛刺尺寸较大。
 

　　同时，钻头的顶角2ϕ增加后，钻削厚度增加、钻削宽度减小，使得钻削扭矩M 与切向力Fz 减小、轴向进给分力Fx 增加，终端面被切削材料的因受钻头横刃挤压而产生的变形量增加，工件孔终端面最后一层金属的大部分材料未能形成切屑而被切除。
 

　　所以，剩余的未切除金属材料增多，最终会全部挠曲变形并堆积在已加工孔的周围而形成切出进给方向，所以毛刺尺寸逐渐变大。
 

　　4.2螺旋角β的影响
 

　　这是因为毛刺形成机制为翻卷毛刺，所以毛刺尺寸较大；同时，钻头的螺旋角β增大后，其实际工作前角也随之变大，使得切屑流更加顺畅；并且螺旋角β增加后，钻削扭矩M 和轴向进给分力Fx 也随之快速减小。
 

　　所以工件终端材料受钻头轴向力作用而产生的挠曲变形量就会相应减小，工件孔最后一层金属材料的大部分材料就可以形成切屑而被切除，剩余的未切除金属材料变少，所以所形成的毛刺尺寸变小。
 

　　4.3钻头结构优改法
 

　　优改后的钻头及相应的试验观测数据如下图所示。
 

　　
       可以看出，使用钻头(a)和钻头(b)后，毛刺的根部厚度B 降低了25~33%，但毛刺高度H 几乎没有变化。
 

　　这是因为改善钻头后，切削热的散发变得更快，切削刃的工作长度得到增加，钻头主切削刃的切削力和轴向推力Fx 也减小了。
 

　　另外，钻头主切削刃和副切削刃的转角ε增加了，使得轴向力减小，从而工件终端材料的变形量减小，毛刺尺寸变小。
 

　　Part 5
 

　　工件定位材料及
 

　　其尺寸影响
 

　　5.1工件叠加钻削法
 

　　钻削加工过程中，工件终端部(钻头出口)材料的支承刚度是毛刺出现、形成与变化发展的主导因素之一。
 

　　将工件叠加起来，可以增加终端部材料的有效支承刚度，如下图所示。
 

　　
       工件叠加后，毛刺尺寸的变化入上图所示。可以看出，钻削工件(a)和工件(b)时形成的毛刺要比钻削工件(c)的更小。
 

　　这是由于工件叠加起来以后，工件(a)和工件(b)终端部材料的有效支承刚度得到提高，从而使得毛刺尺寸变小。
 

　　5.2工件材料的影响
 

　　在标准钻削条件下，钻削加工H68、20#、45#钢和HT15-33 铸铁的实验结果如图5.112 所示。
 

　　
       当钻削加工HT15-33 铸铁时，I 类毛刺生成；当钻削加工20#钢、45#钢和H68 黄铜时，Ⅱ、Ⅲ类毛刺生成，并且H68 黄铜产生的毛刺最大，45#钢产生的毛刺最小。
 

　　这是由各种工件材料机械性能(延伸率和抗拉强度)的差异所造成的。
 

　　也即是说，延伸率高的材料，挠曲变形大，其毛刺尺寸较大，多为Ⅲ类毛刺。
 

　　而延伸率小的材料，因材料挠曲变形小，所产生的毛刺也较小，多为Ⅱ毛刺。对于HT15-33 铸铁等延伸率更低(δ≤5%)的脆性材料，较易发生脆性断裂，所以易于形成I 类毛刺。
 

　　5.3终端部材料强化法
 

　　工件材料机械性能之间的差异会造成钻削毛刺的尺寸大小不同。
 

　　而通过强化工件终端部的材料，可以改变钻头出口部位材料表面的机械性能，从而可以达到减小和控制钻削毛刺的效果。
 

　　比如通过敲击或喷丸来增加终端部材料的硬度。通过喷涂化学材料来减小工件终端部材料的延伸率，等等。
 

　　5.4底孔直径D 的影响
 

　　在标准钻削条件下，针对45#钢材料，对底孔直径大小不同的工件进行钻削加工实验，可知，当底孔直径小于19mm 时，毛刺尺寸突然急剧增大，并且从此以后毛刺大小保持基本不变。
 

　　而当底孔直径大于19mm 时，毛刺尺寸非常小，并且其尺寸大小也保持基本不变。
 

　　这是因为毛刺产生的机制发生了根本性变化：当底孔直径较大，材料切除余量较小，只有泊松毛刺形成，毛刺尺寸大小直接受材料泊松比的影响，所以基本保持不变。
 

　　而当底孔直径小于19mm 时，材料切除余量也大，所以除了形成泊松毛刺以外，更主要的是翻卷毛刺的形成，其尺寸较大。
 

　　Part 6
 

　　改变底孔直径的
 

　　“阶梯钻削法”
 

　　钻削加工中，工件底孔直径大小对毛刺的形成机制及毛刺大小有影响作用如下图所示。
 

　　
       当底孔直径大于某一个值后，毛刺尺寸明显较小，这是由于毛刺生成机制发生根本性变化，只有泊松毛刺形成的缘故。
 

　　因此可以设计一种阶梯钻头，如上图所示，第一阶钻头直径为D1，第二阶钻头直径为D2，只要两阶钻头的直径差值小于某一个定值2f tanφ时，就可以达到抑制翻卷毛刺的产生，而只有尺寸很小的泊松毛刺生成，从而可以达到减小毛刺尺寸的效果。
 

　　同时，第二阶钻头也可以去除第一阶钻头钻削加工时所产生的毛刺。