石英加速度計(jì)零件毛刺控制

郭　祎，高　力，王　康

（北京航天時(shí)代慣性儀表科技有限公司，北京100039）

石英加速度計(jì)零件毛刺控制

郭祎，高力，王康

（北京航天時(shí)代慣性儀表科技有限公司，北京100039）

針對(duì)現(xiàn)階段石英加速度計(jì)零件的毛刺問題，分析了現(xiàn)有處理方法的缺陷。從被動(dòng)去除和主動(dòng)控制兩條途徑入手，以軛鐵零件為例，在加工中引用了少無毛刺加工技術(shù)，并引進(jìn)了新的去毛刺方法。強(qiáng)度檢測結(jié)果表明，這兩種方法的運(yùn)用顯著改善了毛刺控制的效果，值得推廣和運(yùn)用。

石英加速度計(jì)；軛鐵；少無毛刺加工技術(shù)；打磨機(jī)

0 引言

在精度較高的航空航天領(lǐng)域，隨著零件尺寸的小型化、產(chǎn)品的集成化，毛刺的存在往往會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生很大的影響。尤其是儀表制造行業(yè)，如果毛刺在一定條件下脫落成為多余物對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有極其嚴(yán)重的危害。它可能使產(chǎn)品達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或使產(chǎn)品發(fā)生故障，也可能導(dǎo)致整機(jī)（型號(hào)）或主要系統(tǒng)失效甚至對(duì)人身、財(cái)產(chǎn)的安全造成嚴(yán)重危害［1］。石英加速度計(jì)作為一種重要的儀表，由于其工作原理，對(duì)零件的完整性有更高的要求。

零件在加工過程中都會(huì)產(chǎn)生毛刺或飛邊。機(jī)械加工中對(duì)毛刺的去除和控制主要分為兩大方面：主動(dòng)控制和被動(dòng)去除。主動(dòng)控制是指，在毛刺產(chǎn)生前，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝方法、加工工序、刀具的設(shè)計(jì)和選擇以及加工方法的選擇等方面抑制毛刺的產(chǎn)生，即少無毛刺加工技術(shù)［2］；被動(dòng)去除是指，在毛刺產(chǎn)生后，通過一定手段去除毛刺。兩條途徑都可以在一定程度上解決零件的毛刺問題。

軛鐵零件作為石英加速度計(jì)中的重要金屬零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)零件毛刺和表面光整水平要求極高，是石英表裝配中控制多余物環(huán)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。在石英表生產(chǎn)過程中，最花費(fèi)時(shí)間、人力的步驟在去除零件毛刺上，這既消耗了時(shí)間又增加了生產(chǎn)不確定性。所以從運(yùn)用少無毛刺加工技術(shù)并尋求新的去毛刺方法在儀表制造中具有重大應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。本文將以石英表軛鐵零件為例，從以上兩條途徑入手嘗試控制其毛刺水平并提高零件表面光整水平，得到了良好的效果。

1 當(dāng)前對(duì)毛刺控制和去除方法存在的問題

石英表結(jié)構(gòu)如圖1所示，上、下軛鐵夾持固定擺片，間隙僅有0．019mm。如果軛鐵存在極其細(xì)微的毛刺或毛刺掉落產(chǎn)生的多余物，都可能會(huì)卡在間隙中，從而影響整表的性能和可靠性。軛鐵零件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其精密度要求非常高，而其對(duì)電容極板面面形的要求更是近乎苛刻。零件電容極板面在零件級(jí)（上、下軛鐵）要求表面粗糙度為Ra0．2，平面度為3μm。組件（上、下力矩器）中為保證尺寸配對(duì)會(huì)對(duì)電容極板面再進(jìn)行研磨拋光加工，去量約為10μm以內(nèi)，表面粗糙度要求高達(dá)Ra0．05，平面度要求高達(dá)1μm。

圖1　石英表表芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The core of quartz accelerometer

圖2　軛鐵結(jié)構(gòu)Fig.2 Magnetic excitation ring

在軛鐵的機(jī)械加工和精密裝配過程中，均設(shè)置了去毛刺工序，但效果不理想。主要問題在于：

1）加工產(chǎn)生毛刺大，去除難度大，效率低。軛鐵材料為低膨脹合金，加工時(shí)有切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等特點(diǎn)。出現(xiàn)軟、粘和很大的塑性，切屑不易折斷等現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)生較大毛刺，表面粗糙度也難以提高。毛刺主要集中在棱邊、尖角、內(nèi)部相貫面交界處等區(qū)域。有些位置相當(dāng)隱蔽，工具難以接觸到。機(jī)加過程中去除1套軛鐵（包括上、下軛鐵各1個(gè)）的毛刺花費(fèi)約1h，主要去除機(jī)加產(chǎn)生的翻邊毛刺；裝配過程中在顯微鏡下去除毛刺，主要去除機(jī)加產(chǎn)生的二次毛刺和積屑瘤破碎造成的金屬碎片嵌入零件表面而產(chǎn)生的微觀毛刺，需要約2h。

2）加工手段落后，返工頻繁。現(xiàn)主要靠刮刀或自制刀具手工去毛刺，手段單一，自動(dòng)化程度低，一致性差，易致零件劃傷或產(chǎn)生二次毛刺。由于不同操作者對(duì)于毛刺的理解差距較大，標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，機(jī)加去毛刺后的效果不理想，殘余相當(dāng)多，雖要求檢驗(yàn)在顯微鏡下檢查，但仍有較多遺漏，因此返工現(xiàn)象頻繁。

3）技術(shù)要求難落實(shí)。圖紙技術(shù)條件中要求棱邊倒鈍≤0．05mm。在實(shí)際生產(chǎn)流程中這個(gè)要求很難落實(shí)和考核。如果按照技術(shù)要求去檢測，不僅會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間，而且很難有完全合格零件。如果放松檢測標(biāo)準(zhǔn)，則將會(huì)給后續(xù)工序帶來產(chǎn)生新毛刺的可能。

2 少無毛刺加工技術(shù)的運(yùn)用和效果

2.1 少無毛刺加工技術(shù)與軛鐵加工分析

少無毛刺加工技術(shù)［2］就是在加工過程中主動(dòng)采取一些措施來控制或減少毛刺生成的加工方法，如圖3所示。其優(yōu)勢在于在毛刺產(chǎn)生前，從設(shè)計(jì)、工藝、加工整個(gè)系統(tǒng)全盤考慮，在零件產(chǎn)生的每個(gè)步驟加以控制，循序漸進(jìn)，將毛刺程度控制到最小。產(chǎn)生毛刺的減少或消失意味著去毛刺工序的簡化甚至消失，從控制成本和風(fēng)險(xiǎn)上對(duì)生產(chǎn)有著積極的意義。常用的方法是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、切削過程、加工方法、切削參數(shù)調(diào)整、刀具幾何形狀五個(gè)方面入手確定零件圖紙、工藝流程、加工參數(shù)［3］。

圖3　少無毛刺切削加工技術(shù)Fig.3 Machining technology generating minimum cutting burrs

2.2 少無毛刺加工技術(shù)的運(yùn)用

經(jīng)過試驗(yàn)，我們總結(jié)出如下優(yōu)化措施。

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。按照文獻(xiàn)［4］得出的結(jié)論：當(dāng)端面棱角大于90°后，工件終端面上相當(dāng)于增加了輔助支撐，而不易產(chǎn)生切削方向毛刺，端面棱角在135°或以上基本已不再出現(xiàn)毛刺。我們將此結(jié)論運(yùn)用在軛鐵設(shè)計(jì)圖紙中，在零件各回轉(zhuǎn)面增加0．1mm×0．1mm的倒角。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在車加工以及組件研磨加工中，回轉(zhuǎn)面棱邊二次毛刺已基本不再出現(xiàn)。因此我們將其固化到圖紙中，倒角尺寸為0．1mm×0．1mm，尺寸已進(jìn)入檢驗(yàn)可控范圍，并在圖紙中要求在20倍顯微鏡下檢查。

2）工藝流程優(yōu)化。①在精加工前要求做出倒角，倒角留有余量，保證加工完成后倒角尺寸為0．1mm×0．1mm，保證后續(xù)工序中回轉(zhuǎn)面不出現(xiàn)毛刺［5］。②增加車工去內(nèi)部毛刺工序。考慮到內(nèi)部環(huán)槽與孔相貫處毛刺位置隱蔽，如圖4所示，手工去除難度大，在工藝中要求在銑加工后增加精車工序，使用原抱胎和原成形刀找正零件后，在內(nèi)部環(huán)槽重新空走刀，去除銑加工打孔后在相交棱邊及孔內(nèi)產(chǎn)生的毛刺。③重新安排銑加工切削路徑，使銑刀切出點(diǎn)盡量位于零件內(nèi)孔邊或外圓邊，即產(chǎn)生的毛刺位于易于去除的位置。

圖4　內(nèi)部毛刺的去除Fig.4 Deburring internal burrs

3）加工方法的升級(jí)及切削參數(shù)優(yōu)化。全部使用數(shù)控設(shè)備完成加工。數(shù)控設(shè)備的冷卻供應(yīng)到位，擁有更優(yōu)的加工一致性，并且轉(zhuǎn)速更高，機(jī)床剛性更好。低膨脹合金的切削加工特性與不銹鋼類似，加工時(shí)產(chǎn)生熱量較多，易致刀具磨損，所以車、銑加工均選用硬質(zhì)合金刀具。精加工中對(duì)切削力進(jìn)行控制，避開易產(chǎn)生積屑瘤的中等切削速度，設(shè)置高轉(zhuǎn)速，低進(jìn)給量，單次去量不大于0．05mm；要求切削液供給良好，以保證較好的冷卻效果。

4）精加工刀具幾何形狀的改進(jìn)［6］。低膨脹合金的切削加工特性采用較小的刀具圓弧角，適當(dāng)增大刀具前角（約20°～30°），后角（約9°～12°）并選擇較小的負(fù)偏角，使得刀具切削刃更加鋒利，切削流動(dòng)阻力較小，減少刀面與工件的摩擦，改善刀具散熱面積，提高刀具壽命。在加工時(shí)勤于觀察，在刀具磨損時(shí)及時(shí)磨制或更換刀具。

2.3 運(yùn)用少無毛刺加工技術(shù)的效果

將少無毛刺加工技術(shù)的理論運(yùn)用在軛鐵的設(shè)計(jì)加工系統(tǒng)中，零件的毛刺程度顯著減小，尤其是回轉(zhuǎn)面上以及Φ19環(huán)槽內(nèi)部已無需做去毛刺處理，如圖5、圖6所示。零件表面粗糙度也有一定程度的提高。但一些由銑加工形成的棱邊仍是尖角，個(gè)別零件仍殘存細(xì)小毛刺。所以尋找一種安全高效的去毛刺方法成為了亟待解決的問題。

圖5　回轉(zhuǎn)面增加倒角后Fig.5 Beveling on revolution surface

圖6　孔與環(huán)槽相貫處毛刺的去除對(duì)比Fig.6 Contrast of deburring for intersecting curve of aperture and ring groove

3 去除毛刺新方法的探索

3.1 精密打磨機(jī)的使用和效果

針對(duì)加工中仍存在的微小毛刺和尖銳棱邊，我們發(fā)現(xiàn)用于醫(yī)用牙科制作義齒的精密打磨機(jī)配合樹脂磨頭能達(dá)到滿意的結(jié)果，如圖7所示。

圖7　磨頭和打磨機(jī)Fig.7 Grinding head and sander

其主要優(yōu)勢在于：

1）操作性好，精準(zhǔn)度高。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中穩(wěn)定，無明顯震動(dòng)，易于手持操作。如在顯微鏡下操作，則更能提高其打磨的精準(zhǔn)性。

2）種類豐富，使用靈活。按粘接劑軟硬程度及粒度分為5個(gè)等級(jí)，選擇適合的磨頭，在操作時(shí)既不傷害零件，又有相當(dāng)?shù)那邢髁??？砂凑樟慵痰拇笮∵x擇不同硬度的磨頭。磨頭形狀多樣、適應(yīng)性強(qiáng)，可以按照打磨部位隨意修形，棱邊、拐角的毛刺都可輕松去除。并且此種磨頭韌性極佳，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)亦可彎曲，對(duì)于去除軛鐵環(huán)槽中毛刺以及下軛鐵通孔與環(huán)槽相貫面毛刺相當(dāng)適合。

3）安全性高。我們用40倍顯微鏡觀察，使用小粒度磨頭打磨軛鐵極板面2～3次，每次接觸時(shí)間不超過2s，轉(zhuǎn)速為20000 r／min～25000 r／min。打磨后發(fā)現(xiàn)前道研磨痕跡仍清晰可辨，研磨后的粗糙度為0．2μm，可說明打磨去量小于0．2μm。操作時(shí)如不甚失手，劃痕在組件研磨中可去除。另外硬度較軟、磨粒較小的磨頭具有拋光效果，打磨后可去除嵌入的微細(xì)金屬碎屑和劃痕，極大減少了多余物產(chǎn)生的可能，減少了操作者工作量，提高整表的可靠性。

4）效率高。高速轉(zhuǎn)動(dòng)的磨頭，其切削力也是可觀的，選擇合適粒度的磨頭可快速達(dá)到去毛刺或拋光效果。

圖8、圖9所示為使用樹脂磨頭對(duì)軛鐵零件精細(xì)去毛刺的效果比較?？梢钥闯?，經(jīng)過打磨，軛鐵各棱邊均達(dá)到微倒圓效果，并且大部分劃傷、堆積，翻邊等也得到很大程度的改善。圖10所示為使用拋光磨頭光整后的效果，可以看出，光整后零件的表面粗糙度得到了大幅度的提升，對(duì)于前文所提到的積屑瘤破碎產(chǎn)生的毛刺可完全去除。

圖8　表面各結(jié)構(gòu)去毛刺效果Fig.8 Effect of deburring on surface

圖9　極板棱邊去毛刺效果Fig.9 Deburring effect on the edge of surface

圖10　光整效果(左側(cè)為未經(jīng)拋光零件，右側(cè)為經(jīng)過拋光零件）Fig.10 Polishing effect(the left one didn't polish，the right one polished）

使用打磨機(jī)配合樹脂磨頭去毛刺的方法不僅效果理想，而且加工速度也得到了相當(dāng)?shù)奶岣摺，F(xiàn)在完成一只表軛鐵的毛刺去除工作，機(jī)加中僅需要5min，裝配中僅需要2min，大幅度提高了生產(chǎn)效率。此方法還降低了加工風(fēng)險(xiǎn)，無劃傷和二次毛刺產(chǎn)生，提高了零件的整體水平?，F(xiàn)本方法已經(jīng)運(yùn)用到生產(chǎn)中。

3.2 立式滾筒光整機(jī)的使用和效果

針對(duì)軛鐵零件的結(jié)構(gòu)和要求，滾筒光整法經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也是適合的一種去毛刺方法。這種方法的原理是：在滾筒中放入磨料、零件和光飾劑，在一定轉(zhuǎn)速下相互摩擦，利用機(jī)械能來達(dá)到零件去毛刺和光整加工。其效果與磨料和光飾劑的選擇以及相關(guān)工藝參數(shù)的制定有直接關(guān)系［7?9］。

這種方法的優(yōu)勢在于：

1）操作簡單。只需將零件放于選好的磨料中，按比例放入合適的磨料和光飾劑及水后即可使用機(jī)器進(jìn)行光整操作。

2）光整效果一致性好。同一工藝參數(shù)下零件的光整效果一致。

3）光整速度快。一次光整可同時(shí)加工8～12個(gè)零件，每次光整時(shí)間按照零件毛刺程度分別設(shè)定，平均約為20min。

4）光整的同時(shí)也兼具一定的清洗作用。光整過程中，零件在摩擦過程中不斷產(chǎn)生新的表面，原來粘附在零件表面的污物也同時(shí)被磨掉；同時(shí)光整液為弱堿性，可去除殘留油污。

本單位選用的光整機(jī)如圖11所示，選擇此種設(shè)備的原因是：1）此設(shè)備為行星式滾筒光整機(jī)，料桶自轉(zhuǎn)的同時(shí)也繞設(shè)備軸心進(jìn)行工裝，使得磨料與零件相互作用更加充分。2）此設(shè)備共設(shè)4個(gè)料桶，可將零件分別放置，減少加工過程中零件間的磕碰。3）轉(zhuǎn)速可調(diào)，工藝參數(shù)的設(shè)置更加靈活。

圖11　光整機(jī)Fig.11 Skin?pass mill

圖12所示為經(jīng)光整后的軛鐵零件。經(jīng)光整后零件外表面棱邊圓潤，一致性好，零件整體的表面粗糙度略有提升。但內(nèi)腔中棱邊去除效果稍差，在高倍顯微鏡下觀察還存在細(xì)微毛刺。

圖12　光整效果(左側(cè)為未經(jīng)光整零件，右側(cè)為經(jīng)過光整零件）Fig.12 Finishing effect(the left one didn't finishing，the right one finished）

兩種方法均可大幅提高軛鐵零件去毛刺的效果和效率，但也存在一定的局限性。打磨機(jī)去毛刺法靈活方便，可去除各種位置的毛刺，但需手工操作，去毛刺一致性稍差；光整機(jī)去毛刺法簡單快捷，去毛刺一致性很好，但零件內(nèi)腔去毛刺效果稍差，并且由于磨料尺寸限制，較小的拐角處毛刺無法去除。

4 結(jié)論

將少無毛刺加工技術(shù)的理論運(yùn)用在軛鐵的設(shè)計(jì)、工藝、加工系統(tǒng)中，零件的毛刺程度顯著減小，零件表面粗糙度也有一定程度的提高。將一些原來需要手工去除的毛刺在機(jī)加中使用機(jī)床去除，既保證了產(chǎn)品一致性，提高了加工效率，又降低了加工風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)去毛刺方法的探索，我們將滾筒光整機(jī)去毛刺法和精密打磨機(jī)去毛刺法結(jié)合運(yùn)用到軛鐵去毛刺工序中，不僅大幅提高了生產(chǎn)效率而且提高了零件的光整效果。按照以上方法操作后，我單位承擔(dān)的石英表生產(chǎn)中未出現(xiàn)因毛刺影響產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的現(xiàn)象。并且本方法使用性廣，可以運(yùn)用到其他儀表零件生產(chǎn)加工中。

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Burrs Controlling for the Parts of Quartz Accelerometers

GUO Yi，GAO Li，WANG Kang
（Beijing Aerospace Times Inertial Instruments Technology Company，Beijing 100039）

On the burrs problem of the parts of quartz accelerometers，this paper analyzes the defects of existing pro?cessing methods．Firstly the paper analyzes the effectiveness of passive deburring method and active controlling method，and then taking the parts of magnetic excitation ring for example，introduces the machining technology of minimum cutting burrs and a new deburring method in the in the process of processing．The result of strength rest shows that these two ways significantly improve the effect of burr controlling and are worth promoting and applying．

quartz accelerometer；magnetic excitation ring；machining technology of minimum cutting burrs；sander

TH161+．1

A

1674?5558（2016）04?01270

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．016

2016?04?20

郭祎，動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槭闲约铀俣扔?jì)。