慣性器件精密零件微小毛刺去除技術(shù)研究

唐照芳，徐志強(qiáng)，張 路

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

慣性器件精密零件微小毛刺去除技術(shù)研究

唐照芳，徐志強(qiáng)，張 路

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

針對(duì)慣性器件中的外形復(fù)雜類零件、通孔交叉孔類零件、特殊材料類零件等微小毛刺去除需求，分析了現(xiàn)有控制工藝方法不足。通過(guò)開(kāi)展高效率、高質(zhì)量的零件毛刺去除試驗(yàn)，研究了磨粒流去毛刺、磁力研磨去毛刺、強(qiáng)力超聲波去毛刺等精密去毛刺新方法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，分析了先進(jìn)去毛刺工藝方法的適用性，探索了慣性器件零件去毛刺技術(shù)發(fā)展方向。

慣性器件；去毛刺；強(qiáng)力超聲波；磁力研磨

0 引言

航天慣性器件是一種精密的機(jī)械電氣裝置，同其他精密機(jī)械和儀器比較，其產(chǎn)品零件的加工精度要求極高。儀表的關(guān)鍵零部件的主要部位的尺寸精度、形狀誤差和配合精度要求達(dá)到微米和亞微米級(jí)，表面粗糙度要求小于Ra0.05μm，甚至小于Ra0.025μm。在此加工精度下的零件表面邊緣如果存在毛刺，很容易導(dǎo)致工作面劃傷，從而引發(fā)慣性產(chǎn)品渦流力矩增大，造成儀表精度下降。同時(shí)，加工表面毛刺還是慣性器件產(chǎn)生多余物問(wèn)題的主要來(lái)源。這些毛刺若在使用過(guò)程中脫落，一旦移動(dòng)到儀表敏感工作部位，會(huì)表現(xiàn)為儀表故障，對(duì)產(chǎn)品造成致命性故障，例如造成馬達(dá)系統(tǒng)卡死、儀表電器件短路等。

隨著慣性器件批生產(chǎn)任務(wù)產(chǎn)能不斷增大，以傳統(tǒng)手工去毛刺為主的生產(chǎn)方式在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性等方面均無(wú)法滿足要求，已成為制約慣性器件發(fā)展的突出瓶頸。為提高慣性器件產(chǎn)品的可靠性，提升產(chǎn)能，在繼承傳統(tǒng)工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，深入開(kāi)展先進(jìn)、超精密、高效去除微小毛刺的新工藝、新方法研究，將是解決當(dāng)前基礎(chǔ)工藝水平制約產(chǎn)品質(zhì)量、性能、可靠性等問(wèn)題及批產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

1 慣性器件精密零件分類及微小毛刺特點(diǎn)

根據(jù)精密零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將慣性器件典型去毛刺零件分為以下3類：

（1）外形復(fù)雜類零件

如圖1所示，慣性器件箱體、底座類零件加工后有大量棱邊需要去毛刺或進(jìn)行倒鈍處理，但需要去除毛刺地方較多，加工中稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生刮刀跑刀現(xiàn)象，造成零件表面劃傷。人工去毛刺勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以保證棱邊外觀的一致性。

圖1 底座零件Fig.1 Part of pedestal

如圖2所示，石英表用軛鐵零件，材料為低膨脹合金4J36，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且生產(chǎn)批量大，對(duì)零件毛刺和表面精度要求高（Ra0.2μm），毛刺去除是石英表生產(chǎn)過(guò)程中最花費(fèi)時(shí)間和人力的環(huán)節(jié)。

圖2 軛鐵零件Fig.2 Part of magnetic excitation ring

（2）通孔交叉孔類零件

如圖3所示，動(dòng)壓馬達(dá)軸材料為GT35鋼結(jié)硬質(zhì)合金，屬于難加工材料。軸中心孔為φ1.3mm，長(zhǎng)度為33mm；3個(gè)斜孔（導(dǎo)線通孔）為 φ0.8mm，采用電火花工藝制孔。電火花工藝導(dǎo)致各孔內(nèi)壁存在大面積的燒蝕情況，表面凹凸不平，且孔口存在燒蝕瘤，交叉孔口毛刺去除異常困難。傳統(tǒng)工藝采用人工絲線＋研磨膏的方式，存在加工效率低、孔內(nèi)表面的硬質(zhì)層及孔口燒蝕毛刺仍難以去除干凈的問(wèn)題。

圖3 馬達(dá)軸零件Fig.3 Part of motor shaft

（3）特殊材料類零件

如圖4所示，疊片類零件如陀螺電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、傳感器的定子、轉(zhuǎn)子等。此類零件片與片之間由膠液黏接而成，所以去毛刺時(shí)不能用刮刀或銼刀用力去除，否則會(huì)導(dǎo)致疊片間開(kāi)裂。故此類零件手工去毛刺時(shí)只能采用砂紙或油石輕輕去除棱邊毛刺，但這樣不但效率低下，而且人工成本高。

圖4 疊片零件Fig.4 Part of Iamination

綜上，慣性器件精密零件毛刺具有以下特點(diǎn)：1）儀表工作面要求高。一般在Ra0.05μm左右，因此要求毛刺去除工藝過(guò)程不能帶來(lái)加工面的損傷；2）隱蔽性強(qiáng)，去除難度大。零件結(jié)構(gòu)本身具有的盲孔、交叉孔、內(nèi)腔、溝槽、窄縫等結(jié)構(gòu)，易存在毛刺去除不徹底的情況；3）毛刺殘留后果嚴(yán)重。儀表工作過(guò)程中產(chǎn)生的微小毛刺脫落形成多余物，一旦移動(dòng)到關(guān)鍵部位，將引起活動(dòng)部件卡滯、重要工作面劃傷、絕緣性能下降、密封性能下降等一系列問(wèn)題，因此對(duì)毛刺的數(shù)量和大小控制要求極嚴(yán)格。

所以，在選擇去毛刺方法時(shí)，需要根據(jù)零件的材料、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及精度要求，還要注意零件表面粗糙度、尺寸公差、變形以及殘余應(yīng)力變化等，綜合考慮多方面因素，研究針對(duì)性的解決措施和技術(shù)手段，確定最佳毛刺去除方法。

2 慣性器件精密零件去毛刺現(xiàn)有工藝

現(xiàn)有慣性器件零件生產(chǎn)過(guò)程中比較普遍的去毛刺工藝方法主要有：自制專用刮刀、機(jī)床倒角刀具切削去毛刺、光整去毛刺、軟性磨頭打磨去毛刺、磨料光整去毛刺等。

（1）自制專用刀具手工去除

針對(duì)產(chǎn)品中相交孔、異型槽、銳邊、穿線孔、盲孔、小螺紋孔等結(jié)構(gòu)，使用刮刀、銼刀或自制專用去毛刺刀具。目前主要依靠手工操作，對(duì)工人技能和責(zé)任心要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定，容易造成零件劃傷或產(chǎn)生二次毛刺。

（2）倒角刀具切削去毛刺

利用倒角刀具在車削、銑削等加工過(guò)程中增加倒角工藝，將加工形成的飛邊毛刺去除。這種工藝方法可以在加工過(guò)程中一次裝卡完成，加工一致性好、效率高。但是在倒角切削過(guò)程中由于塑性變形，又會(huì)形成新的微小毛刺，不能完全滿足超精密零件技術(shù)要求。

（3）光整去毛刺

振動(dòng)磨粒去毛刺方法利用成型聚氨酯襯里內(nèi)腔，將零件置于混合磨粒介質(zhì)中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)產(chǎn)生的撞擊、刮蹭去除毛刺。操作簡(jiǎn)單、效率高、一致性好、適于批量生產(chǎn)，但只適用于外表面毛刺或較大內(nèi)孔腔體毛刺場(chǎng)合，且由于去除中零件表面二次損傷，適用于對(duì)零件表面質(zhì)量要求不高的毛刺去除。

（4）軟性磨頭去毛刺

采用電動(dòng)和氣動(dòng)打磨工具，使用硅樹脂系列的軟性拋磨頭，硅樹脂磨頭軟硬適中，對(duì)零件傷害小，操作技能要求低，去毛刺效率高。

現(xiàn)有的去毛刺工藝方法一定程度上解決了航天慣性器件型號(hào)生產(chǎn)中的去毛刺工藝要求，但仍存在較大的問(wèn)題，主要包括：

1）現(xiàn)有去毛刺工序都為技能人員手工操作，能利用的工具十分簡(jiǎn)陋，沒(méi)有專用設(shè)備，加工效率極低，無(wú)法保證徹底去除毛刺，不適于批量生產(chǎn)需求。

2）對(duì)于關(guān)鍵零件的超精密級(jí)去毛刺要求，現(xiàn)有工藝方法不僅不能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，而且在一定程度上降低了產(chǎn)品的性能。

3）對(duì)先進(jìn)去毛刺新工藝、新技術(shù)了解少，對(duì)其應(yīng)用適用性研究不夠，影響了航天產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的提升。

3 慣性器件零件精密去毛刺工藝試驗(yàn)

隨著科技發(fā)展，精密去毛刺技術(shù)發(fā)展很快，出現(xiàn)了很多新技術(shù)、新方法。但是由于每種工藝方法的特點(diǎn)及局限性，不一定能夠滿足具體零件的技術(shù)要求（材料、結(jié)構(gòu)、精度要求等）。針對(duì)航天慣性器件精密零件去毛刺應(yīng)用需求，選取典型精密零件，開(kāi)展了精密去毛刺技術(shù)調(diào)研和工藝試驗(yàn)，對(duì)去毛刺效果進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。

3.1 磨粒流加工技術(shù)

磨粒流加工技術(shù)是一項(xiàng)精飾去毛刺新工藝，此工藝特別適合于剛剛進(jìn)入精加工階段的毛刺。如圖5所示，磨粒流設(shè)備的加工原理是通過(guò)一種擠壓方法，其磨料具有流動(dòng)性，其中的顆粒不斷地對(duì)工件表面進(jìn)行研磨，完成拋光和去毛刺加工。

圖5 磨粒流設(shè)備原理Fig.5 Mechanism of abrasive flow

如圖6所示，使用磨粒流設(shè)備去除馬達(dá)軸內(nèi)孔毛刺，高效快捷地去除了馬達(dá)軸零件交叉孔內(nèi)的毛刺，同時(shí)能夠保證尺寸和形位精度不變；也解決了馬達(dá)軸交叉孔清洗難的問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的合格率和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖6 馬達(dá)軸內(nèi)孔去毛刺前后對(duì)比圖Fig.6 Comparison of internal hole of the motor shaft between before and after deburring

磨粒流是采用研磨去量的工作方式，必須精確控制工藝參數(shù)。針對(duì)零件必須制定專用工裝，加工效率偏低。

3.2 強(qiáng)力超聲波去毛刺技術(shù)

強(qiáng)力超聲波去毛刺技術(shù)是革新的超聲波清洗技術(shù)，強(qiáng)力超聲波在液體中產(chǎn)生真空氣穴，然后利用空穴在生成和消失時(shí)的高壓水流沖擊力進(jìn)行去毛刺。強(qiáng)力超聲波去毛刺技術(shù)的單位強(qiáng)度為3w/cm2～3.5w/cm2，是普通超聲波清洗機(jī)的 10～20倍，能去除微小毛刺，且提高零件清潔度。

如圖7～圖9所示，使用強(qiáng)力超聲波設(shè)備去除底座、疊片等零件毛刺，可有效去除零件內(nèi)部細(xì)微毛刺及其他多余物，整體提高了零件的潔凈度。去除毛刺時(shí)間短（5min）、效率高（可批量加工），同時(shí)不影響零件尺寸精度和表面粗糙度，適宜去除零件精密加工后的較小毛刺。

圖7 底座（局部）去毛刺前后對(duì)比圖Fig.7 Comparison of pedestal between before and after deburring

強(qiáng)力超聲波設(shè)備使用純水對(duì)零件進(jìn)行物理打擊，是一種環(huán)保的工藝方法。但是對(duì)于一些結(jié)合力較大的翻邊去除效果差，需要采用其他去毛刺方法對(duì)零件進(jìn)行預(yù)處理，才能達(dá)到較好的效果。

圖8 鋁合金零件槽口去毛刺前后對(duì)比圖Fig.8 Comparison of Aluminum alloy parts slot between before and after deburring

圖9 疊片去毛刺前后對(duì)比圖Fig.9 Comparison of Iamination between before and after deburring

3.3 磁力研磨去毛刺技術(shù)

磁力研磨是將零件放入兩磁極形成的磁場(chǎng)中，在零件和磁極的間隙中放入磁性磨料，磨料在磁場(chǎng)力的作用下沿磁力線方向整齊排列，形成一只柔軟且具有一定剛性的磁研磨刷，當(dāng)工件在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)井作軸向振動(dòng)時(shí)，零件與磨料發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨料就對(duì)工件表面進(jìn)行研磨加工。

如圖10、圖11所示，使用磁力研磨設(shè)備對(duì)軛鐵和底座零件進(jìn)行去毛刺試驗(yàn)，能夠短時(shí)間（5min）對(duì)小批量零件同時(shí)加工。能夠有效去除銳邊毛刺，同時(shí)棱邊倒圓，零件尺寸精度不發(fā)生變化，棱邊倒圓的尺寸隨零件處理時(shí)間增加而微增。這種工藝無(wú)法去除零件內(nèi)部特別是小孔內(nèi)的毛刺，零件表面粗糙度隨著加工時(shí)間增加而增加。此種工藝方法可以一次實(shí)現(xiàn)零件毛刺去除、拋光、清洗的多重效果。

磁力研磨是一種投資少、效率高、用途廣、質(zhì)量好的精加工方法，但是磨料與零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磨料對(duì)零件的撞擊會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生微量的影響，還需進(jìn)一步研究。磁力研磨設(shè)備會(huì)對(duì)加工的鐵基零件進(jìn)行充磁，需要增加退磁工序。

圖10 軛鐵去毛刺前后對(duì)比圖Fig.10 Comparison of yoke iron between before and after deburring

圖11 底座（鋁合金）去毛刺對(duì)比圖Fig.11 Comparison of pedestal between before and after deburring

3.4 熱能去毛刺技術(shù)

熱能去毛刺是用氫氧氣體或氧與天然氣形成時(shí)混合氣爆燃后產(chǎn)生的高溫將毛刺燒掉。是將氫氣或者甲烷與氧氣的預(yù)混合可燃性氣體通入一個(gè)密閉的容器內(nèi)，經(jīng)火花塞點(diǎn)火，使混合氣在瞬時(shí)內(nèi)爆燃放出大量的熱能而去除毛刺。

如圖12、圖13所示，使用熱能去毛刺機(jī)床對(duì)軟磁和鈦合金材料零件進(jìn)行去毛刺試驗(yàn)。軟磁材料毛刺去除的圓潤(rùn)光滑，棱邊倒圓R0.05mm～0.1mm。鈦合金材料最低壓力、最低溫度工藝參數(shù)也使得零件尖端燒蝕，40倍顯微鏡下毛刺未去除。

圖12 軟磁材料零件去毛刺前后對(duì)比圖Fig.12 Comparison of soft magnetic material parts between before and after deburring

圖13 鈦合金材料零件去毛刺前后對(duì)比圖Fig.13 Comparison of Titaium alloy parts between before and after deburring

熱能去毛刺加工效率較高，但是其設(shè)備昂貴、工藝參數(shù)復(fù)雜，零件經(jīng)過(guò)燃爆后，其氧化粉末會(huì)附著工件表面上，必須加以酸洗，一定程度上降低了熱能去毛刺法的適用性。此種去毛刺方法對(duì)于硬質(zhì)合金、高溫合金、鈦合金等材料的毛刺去除效果不好。

3.5 高速水流去毛刺技術(shù)

采用高壓清洗機(jī)的數(shù)控加工控制系統(tǒng)，CNC5軸控制，可進(jìn)行6面清洗。通過(guò)自動(dòng)換刀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種噴嘴進(jìn)行清洗、去除切屑、毛刺。自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)可任意設(shè)定噴嘴壓力。

如圖14、圖15所示，高速水流去毛刺，能夠有針對(duì)性地指定部位、指定方向加工，對(duì)非加工面基本沒(méi)有影響，毛刺去除效果較好。

高壓清洗機(jī)設(shè)備造價(jià)較高，對(duì)于不同零件需要編寫專用的數(shù)控加工程序，工藝復(fù)雜。

圖14 軟磁材料零件去毛刺前后對(duì)比圖Fig.14 Comparison of soft magnetic material parts between before and after deburring

圖15 軛鐵去毛刺前后對(duì)比圖Fig.15 Comparison of yoke iron between before and after deburring

3.6 試驗(yàn)小結(jié)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，獲得不同去毛刺技術(shù) 的對(duì)比效果，如表1所示。

表1 去毛刺技術(shù)的對(duì)比效果表Table 1 Comparison effect of different deburring technologies

4 結(jié)論

重視和提高微小毛刺控制技術(shù)將是精密加工向高精度、高質(zhì)量、高效率、高水平的重要發(fā)展方向之一。本文通過(guò)開(kāi)展慣性器件典型零件去毛刺加工試驗(yàn)，對(duì)比毛刺去除前后零件的表面質(zhì)量、應(yīng)力狀態(tài)等，完成了磁力研磨去毛刺、強(qiáng)力超聲去毛刺等技術(shù)在慣性器件產(chǎn)品的工藝應(yīng)用研究，得到了如下結(jié)論：

1）強(qiáng)力超聲波、磁力研磨去毛刺技術(shù)是適用于慣性器件精密零件毛刺去除方法，投資少、效率高、適用范圍廣、毛刺去除效果好，需要進(jìn)一步開(kāi)展以上精密去毛刺技術(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響的研究。

2）磨粒流去毛刺技術(shù)是適用于慣性器件通孔、交叉孔類零件，后續(xù)將進(jìn)一步提高磨粒流加工效率和完善去毛刺后清洗工藝。

3）熱能和高速水流去毛刺技術(shù)使用的設(shè)備昂貴，且工藝復(fù)雜，對(duì)操作人員技能要求較高。熱能去毛刺會(huì)使零件表面產(chǎn)生氧化層，高速水流去毛刺必須編寫專用加工程序，這兩種方法目前未在慣性器件零件加工生產(chǎn)中應(yīng)用。

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Study on Micro?burr Removal Technology of Precision Components of Inertial Instrument

TANG Zhao-fang，XU Zhi-qiang，ZHANG Lu
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

In this paper，in order to meet the need of micro-burr removal of complex shape parts，through-hole and cross-hole parts and special material parts in inertial devices，the disadvantages of the existing methods are analyzed.Then high-efficiency and high-quality deburring tests of parts are carried out，so as to study the influence of the new ultra-precision deburring method such as deburring of abrasive flow，deburring by magnetic force grinding，deburring by strong ultrasonic on the quality of the part.The applicability of the advanced deburring method is analyzed，and the development direction of the deburring technology of the inertial instrument parts is explored.

inertial instrument；deburring；strong ultrasonic；magnetic force grinding

V261

A

1674-5558（2017）04-01486

10.3969/j.issn.1674-5558.2017.06.011

2017-11-10

唐照芳，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫芗庸ぁ?/p>