微切削毛刺形成機(jī)理及研究進(jìn)展綜述

石文天 侯巖軍 劉玉德 李強(qiáng)強(qiáng)

北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京，100048

0 引言

毛刺[1-2]是影響機(jī)械加工表面質(zhì)量的重要加工缺陷，其形成機(jī)理和去除工藝方法一直備受關(guān)注。隨著微細(xì)切削技術(shù)的發(fā)展，微細(xì)毛刺成為了微小型零件制造中的主要缺陷和制約微加工精度和效率的瓶頸，這是因?yàn)槲⑿⌒土慵旧沓叨容^小，要求精度較高，加工過程中的微細(xì)毛刺若不加以控制[3-4]，將會(huì)影響零件的幾何精度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢。為此，微切削加工中毛刺的產(chǎn)生機(jī)理及其控制工藝方法是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，并已取得了一系列的研究成果。

不同于常規(guī)尺度加工，微切削的切削厚度和刀刃圓弧半徑在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，刀刃受到最小切削厚度的影響會(huì)對(duì)工件施加剪切力和擠壓力，當(dāng)切削到工件邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)剪切區(qū)域，導(dǎo)致工件邊緣壓潰，進(jìn)而發(fā)生塑性變形產(chǎn)生微細(xì)毛刺。微切削加工過程中更易產(chǎn)生毛刺，這是因?yàn)槲⑶邢鞯那邢魉俣容^小，刀具單位面積上的應(yīng)力更大，磨損更為嚴(yán)重，且受尺寸效應(yīng)的影響，當(dāng)切削厚度和刀刃圓弧半徑在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，切屑的產(chǎn)生和去除更加困難。

AURICH等[5]研究了常規(guī)尺度加工毛刺的形成機(jī)理和分類，詳述了毛刺測(cè)量、去除、控制方法和去毛刺裝備。作為文獻(xiàn)[5]的補(bǔ)充和發(fā)展，本文對(duì)微切削毛刺的形態(tài)、分類及其形成機(jī)理進(jìn)行了綜述，對(duì)微切削毛刺的仿真分析研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述，歸納了切削工藝參數(shù)、刀具幾何、切削方式和輔助工藝對(duì)微切削毛刺的影響，介紹了幾種常用復(fù)合材料加工毛刺的研究現(xiàn)狀，綜述了去除毛刺的工藝方法與設(shè)備，提出了去毛刺裝置的性能要求，最后總結(jié)了微細(xì)毛刺研究方面的不足，并對(duì)微切削毛刺的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 微切削毛刺的形態(tài)和分類

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 13715—2017[6]將毛刺定義為超越工件理想邊界的部分，并對(duì)毛刺的形態(tài)進(jìn)行了基本的描述，如圖1所示。

實(shí)際切削加工中的毛刺形態(tài)因形成機(jī)理和材料性質(zhì)的不同而差別很大。白清順等[7]進(jìn)行了微細(xì)銑削鉛黃銅實(shí)驗(yàn)，研究了圓槽頂端毛刺的形態(tài)，并將其分為鋸齒狀、須狀和旗幟狀；AHN等[8]進(jìn)行了微鉆削純銅和黃銅試驗(yàn)，將毛刺分為均勻毛刺、帶帽的均勻毛刺和冠狀毛刺三種類型。

根據(jù)大小和重要程度的不同，毛刺可分為主要毛刺和次要毛刺[9]；根據(jù)加工工藝的不同，可分為微細(xì)車削毛刺、微細(xì)銑削毛刺、微細(xì)車銑毛刺、微細(xì)鉆削毛刺等；根據(jù)毛刺在工件的不同位置結(jié)合切削運(yùn)動(dòng)方向分類，可分為進(jìn)給方向的毛刺、兩側(cè)方向的毛刺和切削方向的毛刺；根據(jù)不同切削刃作用下毛刺形成的方向和方式的不同，可分為切入毛刺、切出毛刺、側(cè)向毛刺和翻轉(zhuǎn)毛刺等；還可根據(jù)毛刺塑性變形程度和形態(tài)進(jìn)行分類，如根據(jù)塑性變形的不同，將金屬材料產(chǎn)生的毛刺定義為撕裂毛刺、切斷毛刺、泊松毛刺和翻轉(zhuǎn)毛刺。

2 微切削毛刺的形成機(jī)理

切削過程是刀具對(duì)工件施加力的作用，產(chǎn)生擠壓剪切，工件材料發(fā)生塑性變形且隨運(yùn)動(dòng)方向被刀具剝離的過程[10]。毛刺的產(chǎn)生是由切屑和工件材料的分離不能達(dá)到理想狀態(tài)造成的，如在材料邊界處由于材料支撐強(qiáng)度不足而導(dǎo)致切屑[11]與工件分離不徹底或是分離后剩下的邊界輪廓不是理想輪廓，則會(huì)形成微細(xì)毛刺。

AURICH等[5]總結(jié)了不同延展性材料的毛刺產(chǎn)生機(jī)理，他們指出毛刺形成均經(jīng)歷8個(gè)步驟，且延性材料和脆性材料毛刺形成的前5個(gè)步驟是相同的，如圖2所示。

圖2 毛刺形成的8個(gè)步驟[5]Fig.2 Eight steps of burr formation[5]

盧曉紅等[12]進(jìn)行了鎳基高溫合金Inconel718微銑削毛刺試驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)刀具的鋒利程度會(huì)影響微細(xì)毛刺的產(chǎn)生：當(dāng)?shù)毒咻^鋒利時(shí)能及時(shí)斷屑，但當(dāng)?shù)都獠课荒p嚴(yán)重時(shí)，切削能力顯著降低，受最小切削厚度的影響，切屑在形成后不能及時(shí)斷屑，從而形成微細(xì)毛刺。

陳文琳等[13]利用有限元軟件模擬了微毛刺的形成過程，他們認(rèn)為微細(xì)銑削加工中毛刺的形成是由尺度效應(yīng)形成負(fù)剪切區(qū)域造成的，如圖3所示，刀具剪切角突變導(dǎo)致塑性變形失穩(wěn)，從而形成了微細(xì)毛刺。

圖3 微切削的負(fù)剪切區(qū)域[13]Fig.3 Negative shear zone in micro cutting[13]

3 微切削毛刺的仿真分析和試驗(yàn)研究

毛刺的產(chǎn)生過程是微切削中切屑?xì)埩艋蛎撾x工件表面的動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的非線性過程，伴隨著摩擦、擠壓、剪切、變形以及力的耦合作用，微切削毛刺的影響因素有許多。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已采用有限元仿真軟件對(duì)毛刺生成過程、形態(tài)及其轉(zhuǎn)換、切削應(yīng)力、毛刺尺寸大小等方面進(jìn)行了研究。在微切削毛刺的試驗(yàn)研究中，由于采用的微切削加工工藝不同，因此所關(guān)注的微切削毛刺的影響因素也有很大差異。

3.1 微切削毛刺的仿真分析

朱云明等[14]利用DEFORM 3D軟件建立了車削毛刺形成有限元模型，考慮了工件材料累積塑性變形的影響，分析了車削毛刺形成的三個(gè)階段：負(fù)剪切區(qū)域的形成、負(fù)剪切區(qū)域的擴(kuò)展、部分切削和塑性彎曲變形，研究結(jié)果表明，毛刺的尺寸大小由負(fù)剪切區(qū)域的擴(kuò)展方向決定。曲海軍等[15]運(yùn)用DEFORM 3D對(duì)毛刺形成與變化進(jìn)行了模擬，揭示了兩側(cè)方向切屑應(yīng)變與其形態(tài)的關(guān)系，初步實(shí)現(xiàn)了毛刺形成與變化的預(yù)測(cè)。孫秋蓮等[16-18]利用DEFORM軟件研究了加工參數(shù)、切削力等因素對(duì)毛刺形成的影響，得到了毛刺尺寸最小的優(yōu)化參數(shù)組合。熊勇華等[19]利用ABAQUS軟件對(duì)2024-T3鋁合金微細(xì)切削過程進(jìn)行了仿真研究，他們指出，刀具前角、后角、切削刃鈍圓半徑、切削深度和切削速度均會(huì)影響毛刺的形成。龐迎春等[20]應(yīng)用ABAQUS軟件研究了金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)微細(xì)切削加工中毛刺形成的影響。劉詩(shī)選等[21]根據(jù)未變形切厚理論，利用ABAQUS軟件分析了微銑削無(wú)氧銅時(shí)尺寸效應(yīng)對(duì)出口毛刺的影響，研究結(jié)果表明，未變形切屑厚度與刀尖鈍圓半徑比值為1時(shí)毛刺尺寸最小。王全意等[22]基于應(yīng)變梯度理論對(duì)傳統(tǒng)J-C本構(gòu)模型進(jìn)行了修正，并將其應(yīng)用于毛刺形成的切削仿真過程。YADAV等[23]構(gòu)建了模擬微銑削Ti6Al4V出口毛刺的有限元模型，仿真結(jié)果表明，該模型可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)毛刺大小，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0 000 r/min增大至200 000 r/min時(shí)，毛刺尺寸將減小96%。WAN等[24]基于三維有限元分析模型，指出工件頂部毛刺的形成可分為如下四個(gè)階段：泊松起始階段、泊松發(fā)展階段、撕裂起始階段和撕裂形成階段。

軟件仿真作為一種計(jì)算機(jī)輔助模擬的研究方法，在預(yù)測(cè)切削參數(shù)對(duì)毛刺形成的影響、毛刺變形與形態(tài)方面已取得了一定成果，但仿真的局限性也非常明顯：①本構(gòu)模型與客觀事實(shí)存在一定差距；②不能完全涵蓋毛刺生成的影響因素，在仿真分析上也不能全面揭示其形成機(jī)理和過程變化。所以仿真分析只能作為試驗(yàn)研究的佐證或輔助手段，最終分析及結(jié)論的可靠性必須依靠嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證。

3.2 微切削毛刺影響因素的試驗(yàn)研究

3.2.1切削工藝參數(shù)對(duì)毛刺的影響

切削速度、切削深度、每齒進(jìn)給量是切削過程中最基本和最重要的影響因素，微細(xì)切削中毛刺的產(chǎn)生機(jī)理、形態(tài)變化都會(huì)受到切削工藝參數(shù)的影響。

YANG等[25]采用微銑刀對(duì)硬鋁合金進(jìn)行了銑削微槽結(jié)構(gòu)研究，分析了每齒進(jìn)給量、背吃刀量對(duì)微毛刺的影響，結(jié)果表明：隨著每齒進(jìn)給量的減小，產(chǎn)生的切屑數(shù)量減少，相應(yīng)的微細(xì)毛刺尺寸也較??；隨著背吃刀量的增大，毛刺尺寸增大。張志陽(yáng)等[26]研究了微銑削加工毛刺形成的影響因素，研究發(fā)現(xiàn)，銑削深度和每齒進(jìn)給量對(duì)毛刺的形成有顯著的影響，隨著銑削深度和每齒進(jìn)給量的增大，毛刺尺寸明顯增大。蔡明等[27]、彎艷玲等[28]在金屬微細(xì)切削加工研究中均發(fā)現(xiàn)，影響表面質(zhì)量的最重要因素為主軸轉(zhuǎn)速。HUO等[29]指出在微切削無(wú)氧銅時(shí)，進(jìn)給速度對(duì)毛刺高度有明顯的影響，而切削速度對(duì)毛刺成形的影響較小。HASSANPOUR等[30]指出進(jìn)給速度是影響毛刺形成的最重要因素，影響程度達(dá)到51.95%，其次是主軸轉(zhuǎn)速，影響程度為28.5%，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、每齒進(jìn)給量為0.8 mm、切削深度為60 μm時(shí)出現(xiàn)了最小尺寸的毛刺。GULFAM等[31]進(jìn)行鈦合金的微切削加工試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，每齒進(jìn)給量是影響毛刺形成的最主要因素，影響程度為81%。張霖等[32]在細(xì)微端銑削工件過程中也發(fā)現(xiàn)，每齒進(jìn)給量是影響毛刺形成的最顯著因素。ZHONG等[33]的研究結(jié)果表明：進(jìn)給速度大、主軸轉(zhuǎn)速適中時(shí)成形精度高，毛刺尺寸較?。磺矣捎诶绺?yīng)、刀具結(jié)構(gòu)和主軸跳動(dòng)的影響，切削寬度、進(jìn)給速度、切削速度和毛刺成形之間是復(fù)雜的非線性關(guān)系。KHANGHAH等[34]研究了微銑削316L不銹鋼中進(jìn)給速度、切削速度和切削深度等參數(shù)對(duì)毛刺厚度和高度的影響，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min、每齒進(jìn)給量為5 mm、切削深度為0.15 μm時(shí)，毛刺的尺寸最小。PIQUARD等[35]指出，毛刺高度和毛刺寬度均受進(jìn)給速度的影響，隨著進(jìn)給速度的增大，毛刺高度和毛刺寬度均減小，且毛刺尺寸大幅度減小。ZHAO等[36-37]研究了塑料基銅涂層電路基板的微銑削加工情況，結(jié)果表明，隨著進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速的增大，平均毛刺寬度增大。BIERMANN等[38]在微切削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度的增大，所產(chǎn)生的毛刺數(shù)量減少。

3.2.2刀具幾何對(duì)毛刺的影響

對(duì)于微細(xì)切削，刀具幾何包括刀具前角、刀具結(jié)構(gòu)和刀具刃口圓弧半徑等對(duì)毛刺的產(chǎn)生有重要的影響，其中刀具刃口圓弧半徑會(huì)導(dǎo)致切削過程中存在最小切削厚度(即微細(xì)切削過程中形成切屑的臨界值)。微細(xì)切削中，切削厚度和刃口圓弧半徑在同一數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致工件材料受到擠壓和剪切的規(guī)律與常規(guī)尺度切削大不相同，呈現(xiàn)較強(qiáng)的尺度效應(yīng)，且切削厚度和刀具刃口圓弧半徑的比值會(huì)影響微細(xì)毛刺的尺寸大小。此外，刀具前角對(duì)毛刺尺寸也有很大影響：較大的刀具前角有利于抑制毛刺的生成，刀具前角越大，切削阻力越小，切屑易被去除且產(chǎn)生的變形較小，毛刺尺寸也就越小。

ARAMCHAROEN等[39]在微銑削加工中分析了最小切削厚度效應(yīng)對(duì)表面質(zhì)量和毛刺形成的影響，研究了不同刀具破損形式下毛刺尺寸的大小，結(jié)果表明隨著切削厚度和刃口圓弧半徑比值的減小，毛刺的尺寸明顯增大，他們還發(fā)現(xiàn)倒棱或圓角的切削刃可以獲得更好的工件表面加工質(zhì)量，從而抑制毛刺的形成。趙孟等[40]通過微細(xì)車削試驗(yàn)得到了類似的結(jié)論：切削厚度與刃口圓弧半徑的比值是影響加工質(zhì)量的主要因素，切削厚度與刃口圓弧半徑比值過小會(huì)造成刀具磨損嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致毛刺數(shù)量增加。LI等[41]使用具有較大頸角的新型切削刀具進(jìn)行了研究，并優(yōu)化了刀具中心幾何形狀和前角，結(jié)果表明，刀具剛度和切削刃強(qiáng)度的提高使得刀具磨損量較小，由此工件上的毛刺數(shù)量大量減少。AZIZ等[42]設(shè)計(jì)了一種新的微型復(fù)合刀具(圖4)，該刀具由帶坡度的頂部鉆頭部分和帶有磨削棒的斜面組成，可實(shí)現(xiàn)鉆削和磨削的復(fù)合加工，顯著改善了鉆孔的表面粗糙度，減少了加工SUS304不銹鋼的毛刺生成。SAPTAJI等[43]使用錐形硬質(zhì)合金銑刀研究Al-6061合金的微槽加工后發(fā)現(xiàn)，側(cè)刃傾角和錐角的增大會(huì)使頂部毛刺數(shù)量明顯減少，這是因?yàn)閭?cè)刃傾角增大可提高刀具強(qiáng)度，減緩刀具磨損，抑制毛刺形成，而錐角增大可增大刀具的法向前角，進(jìn)而提高刀具切削效能，減少毛刺數(shù)量。WYEN等[44]指出毛刺數(shù)量隨刀刃數(shù)量的增加而增加。

圖4 新型復(fù)合刀具示意圖[42]Fig.4 A new compound tool[42]

3.2.3切削方式對(duì)毛刺的影響

通常情況下，順銑對(duì)毛刺的影響較大，易形成長(zhǎng)毛刺，逆銑工件時(shí)對(duì)毛刺的影響較小，不易形成毛刺。張海軍等[45]對(duì)慣性約束核聚變(ICF)微靶零件進(jìn)行了微銑削試驗(yàn)，研究了微銑削加工過程中順銑和逆銑對(duì)毛刺的影響規(guī)律，結(jié)果表明，逆銑側(cè)產(chǎn)生的毛刺尺寸比順銑側(cè)產(chǎn)生的毛刺尺寸小。 VIPINDAS等[46]通過Ti6Al4V微切削試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，逆銑側(cè)的毛刺尺寸小于順銑側(cè)的毛刺尺寸。袁美霞等[47]的試驗(yàn)結(jié)果表明，順銑比逆銑一側(cè)的毛刺尺寸大，硬材料比軟材料的毛刺尺寸大，這是因?yàn)轫樸娂庸ず陀膊牧霞庸r(shí)刀具磨損更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致刀具的切削效能降低。

3.2.4輔助工藝對(duì)毛刺的影響

QU等[48]發(fā)現(xiàn)，在微銑削薄壁槽過程中使用氰基丙烯酸酯作為潤(rùn)滑液可減少出口處的毛刺數(shù)量。PERCIN等[49]研究了四種切削條件下的毛刺形成情況，分別為干切削、液體潤(rùn)滑切削、微量潤(rùn)滑(minimal quantity lubrication，MQL)切削、液氮冷卻切削，結(jié)果表明，切削條件對(duì)毛刺高度沒有明顯的影響，但由于液氮條件使合金變脆，其塑性變形程度隨溫度降低而降低，因此在采用液氮冷卻時(shí)毛刺高度最小。NAM等[50]比較了氣體潤(rùn)滑、純微潤(rùn)滑和納米流體微潤(rùn)滑三種潤(rùn)滑模式對(duì)毛刺的影響，結(jié)果表明，采用納米流體微潤(rùn)滑可抑制切屑和毛刺的形成，因?yàn)榇藯l件下鉆削力和鉆削扭矩得到了有效減小；此外NAM等[51]還對(duì)鈦合金微切削加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用納米微量潤(rùn)滑方式可更加有效地抑制Ti6Al4V微銑削加工毛刺的形成。LI等[52]研究了干切削和MQL條件下毛刺形成與切削工藝參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，MQL條件下沒有出現(xiàn)明顯的針狀和波狀毛刺，同時(shí)毛刺數(shù)量減少，這是因?yàn)镸QL條件下刀具的磨損較小。

3.2.4.2 超聲振動(dòng)輔助工藝對(duì)毛刺的影響

KO等[53]研究超聲振動(dòng)輔助高速間歇銑削加工后發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)給方向上施加輔助振動(dòng)可得到良好的工件表面質(zhì)量，同時(shí)減少垂直進(jìn)給方向的輔助振動(dòng)可減少毛刺的產(chǎn)生。LI等[54]研究了超聲振動(dòng)輔助加工工藝，結(jié)果表明，使用超聲輔助加工工藝可減少約18%的毛刺數(shù)量，且隨著切削長(zhǎng)度的增大，刀具磨損程度越劇烈，對(duì)毛刺產(chǎn)生的影響也越大。韓光超等[55]研究發(fā)現(xiàn)，隨超聲振幅的增大，毛刺高度逐漸減小，且呈碎片化趨勢(shì)。針對(duì)非共振輔助微銑削系統(tǒng)，可通過選擇合適的振動(dòng)參數(shù)和方向來(lái)大幅減小毛刺尺寸[56-57]。DING等[58]利用二維振動(dòng)輔助技術(shù)研究了微銑削工藝，結(jié)果表明，在微細(xì)銑削工藝中采用輔助超聲振動(dòng)可削弱尺寸效應(yīng)，提高切削性能，減小毛刺高度，且合理選擇振動(dòng)參數(shù)可大幅減小毛刺高度。XU等[59]采用新型二維旋轉(zhuǎn)超聲紋理技術(shù)處理微觀表面結(jié)構(gòu)，最終得到了幾乎無(wú)毛刺的良好工件表面。

3.2.4.3 激光輔助工藝對(duì)毛刺的影響

OKASHA等[60]采用激光鉆導(dǎo)向孔的工藝方法減小了孔加工的毛刺尺寸，采用近零錐度和負(fù)錐度激光預(yù)鉆導(dǎo)向孔工藝時(shí)，毛刺尺寸分別是無(wú)導(dǎo)向孔純機(jī)械鉆孔工藝的1/4和1/6。XIA等[61]通過激光誘導(dǎo)氧化輔助加工方法進(jìn)行了鈦合金的微細(xì)加工，研究發(fā)現(xiàn)采用激光輔助工藝可使頂部毛刺的尺寸更小。SHELTON等[62]研究了激光輔助微銑削金屬材料，并證明了激光輔助工藝可使Inconel718和Ti6Al4V的常規(guī)側(cè)銑毛刺數(shù)量顯著減少。

從表2的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，半段圓弧擬合直徑的絕對(duì)誤差平均值為0.402 mm，說明本文擬合優(yōu)化方法針對(duì)復(fù)雜空間圓弧擬合也具有一定的可行性。

4 復(fù)合材料切削加工毛刺的研究

近年來(lái)，各類復(fù)合材料(包括金屬基復(fù)合材料和樹脂基復(fù)合材料)的應(yīng)用日趨廣泛，精密切削加工中的毛刺問題日益凸顯，研究其形成機(jī)理和抑制毛刺及去毛刺工藝方法對(duì)提高零件加工精度和效率具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

崔西亮等[63]使用PCD刀具在五軸加工中心上對(duì)厚度為3.5 mm的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了鉆削加工試驗(yàn)，結(jié)果表明：“逆剪”切削的缺陷更少，材料易被切斷，無(wú)毛刺或較小毛刺撕裂缺陷產(chǎn)生；“順剪”切削時(shí)因纖維很難被切斷而易形成毛刺撕裂缺陷，隨著進(jìn)給速度的增大，孔口的毛刺現(xiàn)象有明顯加重的趨勢(shì)，且成正比例關(guān)系。

劉剛等[64]進(jìn)行了螺旋銑孔碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的關(guān)鍵工藝參數(shù)正交試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：選用較小的每齒進(jìn)給量和軸向切削深度，以及提高刀具的主軸轉(zhuǎn)速，都有利于減小加工過程中的軸向切削力，加工孔入口基本無(wú)毛邊，且不產(chǎn)生毛刺。

李哲等[65]利用超聲橢圓振動(dòng)加工方式對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行制孔加工，比較了分別采用橢圓振動(dòng)套磨與普通套磨進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料制孔的切屑排出效果和刀具切削能力，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用振動(dòng)套磨可提高切屑排出效果和刀具切削能力。這是因?yàn)檎駝?dòng)增強(qiáng)了排屑能力，降低了切屑粉塵黏附和刀具內(nèi)部料芯的堵塞程度，最終有效地減少了毛刺缺陷。

康永峰等[66]進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料高速銑削槽試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)左螺旋刃未加入切削時(shí)，槽的上棱邊產(chǎn)生了大量毛刺；而當(dāng)左螺旋刃加入切削時(shí)，槽的上棱邊未產(chǎn)生毛刺，加工表面質(zhì)量良好。這是因?yàn)殂姷队衣菪星邢鲿r(shí)，對(duì)槽的上棱邊產(chǎn)生了向上的力，材料最表層纖維未能完全切斷，從而產(chǎn)生了毛刺；當(dāng)左螺旋刃切削時(shí)，對(duì)槽上棱邊產(chǎn)生的向下的力能夠完全切斷表層纖維。

張加波等[67]發(fā)現(xiàn)，在鉆削復(fù)合材料加工試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)抽絲拉毛的缺陷，這是因?yàn)榍邢鞯毒卟粔蜾h利，不能迅速剪斷纖維，與纖維走向同方向的切削力不斷作用于纖維，使得纖維被成束抽出，經(jīng)過切削刃不斷地刮擦和剪切，最終形成了絮狀。解決此缺陷的首要方法是采用足夠鋒利的切削刀具進(jìn)行加工，保證切削刀具材料的高硬度、高韌性特性；其次是增大鉆削速度，以便于切削刃迅速地剪斷纖維，減少拉毛缺陷。

WEN等[68]對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行了微米劃痕試驗(yàn)研究，分析了切削加工時(shí)不同纖維方向的材料破壞去除過程，結(jié)果表明：當(dāng)劃切方向垂直于纖維方向時(shí)，劃切力最大，撕裂缺陷易產(chǎn)生；當(dāng)劃切方向與纖維方向的夾角分別為30°、45°、60°時(shí)，劃痕右側(cè)纖維會(huì)發(fā)生較大的彎曲變形，纖維斷裂均勻，不易形成毛刺，劃痕左側(cè)纖維受到壓頭擠壓向左退讓并發(fā)生彎曲現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生鋸齒形斷裂，形成毛刺。該結(jié)論證明了孔加工時(shí)，刀具旋轉(zhuǎn)方向與纖維方向垂直的區(qū)域易形成撕裂缺陷，毛刺缺陷出現(xiàn)在纖維方向與刀具旋轉(zhuǎn)方向成鈍角的區(qū)域。

劉浩文等[69]進(jìn)行了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成形槽銑削的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)給量過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致刀具走刀過快，在達(dá)到切削深度要求后，切削力在切出點(diǎn)處尚不足以破壞材料層間強(qiáng)度和纖維橫向強(qiáng)度，材料未被切斷，但切削力已足以將工件側(cè)面表層與工件主體剝離，這樣會(huì)導(dǎo)致少量纖維材料未被完全切斷，在切削刃出口處與工件主體仍連接在一起，從而出現(xiàn)毛刺。

筆者在芳綸纖維復(fù)合材料切削加工試驗(yàn)研究中指出抽絲和拉毛是經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷[70]。由于芳綸纖維具有抗拉強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、難以被切斷等特點(diǎn)，因此刀具磨損劇烈，刀刃經(jīng)常被磨鈍，致使刀具不能快速地切斷纖維，只能將芳綸纖維從復(fù)合材料中拉出而不是剪斷，拉出的芳綸纖維數(shù)量少，便形成了抽絲；芳綸纖維復(fù)合材料的樹脂基體在固化后呈脆性，而切削時(shí)的芳綸纖維呈柔性，其抗拉強(qiáng)度較低，切斷或拉斷時(shí)其切屑呈絲絮狀，從而出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。

GIASIN等[71]指出，在鋁基碳纖維復(fù)合材料鉆孔過程中，不同的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速會(huì)改變毛刺的厚度和高度；當(dāng)進(jìn)給速度最小時(shí)，毛刺的尺寸最小。

綜上所述，復(fù)合材料由于自身材料結(jié)構(gòu)的各向異性決定了其毛刺生成規(guī)律比較復(fù)雜，不能一概而論。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的切屑呈崩碎狀，其加工毛刺多為撕裂造成的針刺型毛刺，可通過采用鋒利切削刀具或者銑磨加工來(lái)解決，必要時(shí)可進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囌{(diào)整(如選用較小的每齒進(jìn)給量和軸向切削深度，以及增大切削速度)來(lái)減少毛刺的產(chǎn)生。對(duì)于芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，芳綸纖維具有柔性和抗拉特性，難以被剪切，但該復(fù)合材料的切屑呈絲絮狀，表面缺陷主要是以分層、抽絲、拉毛為主，與碳纖維復(fù)合材料的針刺型毛刺截然不同。目前對(duì)復(fù)合材料尤其是非金屬?gòu)?fù)合材料微細(xì)毛刺的研究還沒有完全展開，同時(shí)限于復(fù)合材料種類繁多，研究也不夠深入，故仍需開展大量有針對(duì)性的研究和試驗(yàn)。

5 去除毛刺的工藝方法與設(shè)備

5.1 去除毛刺的工藝方法

根據(jù)能量來(lái)源不同將去除毛刺的工藝方法進(jìn)行了總結(jié)分類，如圖5所示。

圖5 去除毛刺的工藝方法Fig.5 Technology of deburring

采用機(jī)械方法去除毛刺的工藝方法已較為成熟，但由于該方法多用于常規(guī)尺度加工，對(duì)局部特征的毛刺去除效果不夠理想，因此常配合其他特種加工工藝方法(如微噴砂、超聲波、磁力研磨、電化學(xué)拋光、高壓水射流、超聲輔助研磨等工藝)使用，以完成局部毛刺的去除和修整。

熱能去毛刺方法適用于微小型金屬零件，該方法是利用熱量去除零件的毛刺和飛邊[72]，其加工原理如圖6所示。將可燃?xì)怏w和氧氣充入密封腔內(nèi)，使得置入其中的零件完全被可燃?xì)怏w包裹，點(diǎn)燃后瞬間產(chǎn)生的高溫將裸露在外的小體積毛刺和飛邊燃燒掉。隨著燃燒的擴(kuò)散，溫度迅速降低，這一過程不影響工件本身，但足以將毛刺、飛邊燒掉，且殘留物可很方便地用溶劑清洗掉。由于可燃?xì)怏w可以滲透到零件的各個(gè)位置，因此該方法的優(yōu)點(diǎn)是可去除零件任意部位的毛刺，如手工無(wú)法去除的部位、盲孔內(nèi)部和零件內(nèi)孔交接處的毛刺，但缺點(diǎn)是燃燒時(shí)間不易控制，有可能會(huì)燒傷工件主體，產(chǎn)生二次破壞。

(a)未處理毛刺 (b)毛刺燃燒(c)毛刺被去掉圖6 熱能去毛刺方法[72]Fig.6 Deburring technology using heat energy[72]

電化學(xué)去毛刺方法也適用于微小型金屬零件，主要解決毛刺零件內(nèi)通道相交處粗糙并帶有毛刺的這類問題。該去除方式主要采用成形工裝對(duì)工件的特定部位進(jìn)行加工。電解液瞬間溶解毛刺，且可在相交處產(chǎn)生均勻、精確的倒圓邊角。但需嚴(yán)格控制能量輸出、電解液濃度和作用時(shí)間。

磨削去毛刺方法需對(duì)定位精度、定向精度、主軸運(yùn)動(dòng)、加工時(shí)間進(jìn)行精確控制，以最大程度地避免磨粒對(duì)局部尺寸特征的破壞。JIN等[73]使用磁性顆粒研磨法研究了微圖案去毛刺技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)粉末在磁場(chǎng)作用下按磁力線分布，磨料填充在待加工區(qū)并與其柔性接觸，磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)磨料運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將微圖案上的毛刺去除。KIM等[74]利用磁性研磨劑實(shí)現(xiàn)了孔口周圍的毛刺去除，通電的感應(yīng)器與底部磁鐵之間形成磁場(chǎng)，磁性磨粒在磁場(chǎng)作用下被吸附于感應(yīng)器下表面形成柔性磨料刷，并隨感應(yīng)器一起在工件表面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以去除孔周圍毛刺，如圖7所示。

圖7 磁性磨粒去毛刺方法示意圖[74]Fig.7 Deburring method of magnetic abrasive[74]

噴射方法中的高壓水射流去毛刺，是利用高壓水噴射所具有的沖擊力和切割作用來(lái)去除毛刺的一種工藝方法。通過專用泵加壓后，水從特殊設(shè)計(jì)的噴嘴噴射而出，并沖擊到工件表面，巨大的沖擊能量可在短時(shí)間內(nèi)將毛刺去除[75]。周艷輝等[76]以高壓水射流去毛刺基礎(chǔ)理論為基礎(chǔ)，開發(fā)了數(shù)控高壓清洗中心，結(jié)合液壓閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)噴射壓力、流量、作用力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高效率去毛刺的目標(biāo)。

采用各種工藝對(duì)微毛刺進(jìn)行去除時(shí)，要嚴(yán)格控制各種設(shè)備的輸出功率、確定精確的作用區(qū)域、設(shè)置合理的加工工藝參數(shù)以及配合精準(zhǔn)有效的檢測(cè)方法。

5.2 去除毛刺的工藝設(shè)備

瑞典的紐曼[77]發(fā)明了一種激光去除微毛刺的工藝方法和設(shè)備，如圖8所示。其原理是激光器3通過光束4以α角照射工件1邊棱上的毛刺2，使得可確定第一表面5和第二表面6的位置，通過計(jì)算得到一個(gè)外推面7，然后可確定切割曲線8，并沿切割曲線8除去毛刺2。這種工藝設(shè)備具有一定的智能性，適合于精度要求較高的工件，且不會(huì)對(duì)工件造成二次破壞。

(a)激光照射工件表面

(b)確定5、6面 (c)確定7面(d)確定8線圖8 激光去除毛刺的原理[77]Fig.8 Deburring principle with using laser[77]

馬云青[78]發(fā)明了一種通過流體噴射去除毛刺及油污的方法和裝置。其原理如下：在流體介質(zhì)中，利用一定硬度的研磨劑，通過增壓后噴射在可移動(dòng)的工件表面，使工件的毛刺在噴射沖擊力和介質(zhì)摩擦力共同作用下被去除，油污也在上述作用力下變成細(xì)微的滴狀物，使得油污在一定程度上也被同時(shí)去除。

陳玉峰[79]發(fā)明了一種超聲波研磨裝置，可用于去除微毛刺，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。工件在研磨粉中受到超聲振動(dòng)的作用，通過含水切削液和升降機(jī)構(gòu)使得研磨粉發(fā)生頻率較高的振動(dòng)，進(jìn)而摩擦去除工件上的微小毛刺。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是：不受空間形狀的限制，只要有液體介質(zhì)就可去除毛刺；對(duì)環(huán)境沒有污染；超聲波振動(dòng)盒與工作加工區(qū)域相分離，避免了研磨粉對(duì)振動(dòng)盒的物理?yè)p害；水槽不用添加過濾裝置，研磨粉與水槽之間也是完全隔離的。該裝置不足之處在于：研磨粉與工件表面的接觸可能會(huì)損傷表面質(zhì)量要求較高的制品，對(duì)韌性材料毛刺的去除效果還不夠理想。

圖9 超聲波研磨去毛刺裝置[79]Fig.9 Deburring device using ultrasonic grinding[79]

目前，微毛刺是微細(xì)切削加工表面質(zhì)量缺陷中研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，隨著微小型零件應(yīng)用的日益廣泛，研發(fā)針對(duì)微毛刺的去除裝置和工藝顯得尤為迫切，總體來(lái)說，微毛刺去除裝置必須具備以下特點(diǎn)：

(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，便于大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

(2)設(shè)備的材料適用性要強(qiáng)，應(yīng)能滿足不同材料(如金屬和非金屬材料)毛刺的去除要求。

(3)去毛刺功能較強(qiáng)，能夠去除邊角甚至凹側(cè)面、孔腔內(nèi)部的毛刺。

(4)去毛刺精度高，質(zhì)量可靠，廢品率少。

(5)具備綠色性，應(yīng)以綠色環(huán)保工藝去除毛刺、不污染環(huán)境為技術(shù)前提。

(6)實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)合，在傳統(tǒng)加工工藝的基礎(chǔ)上輔以化學(xué)、超聲振動(dòng)、激光、磁化加工等新技術(shù)。

6 總結(jié)與展望

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微切削毛刺的研究已經(jīng)較為深入，相對(duì)于常規(guī)尺度下的毛刺，微細(xì)毛刺研究更加復(fù)雜，必須采用多種方法來(lái)研究微切削毛刺的產(chǎn)生機(jī)理，探索有針對(duì)性的工藝方法和技術(shù)裝備，進(jìn)而更好地對(duì)微細(xì)毛刺的產(chǎn)生和形態(tài)進(jìn)行控制。同樣，對(duì)于非金屬?gòu)?fù)合材料，由于其各向異性、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，必須重視二次加工過程中的工件表面質(zhì)量尤其是毛刺的控制和去除，從切削加工機(jī)理上盡量避免或減少毛刺的產(chǎn)生，從而提高成品率和加工精度，以拓展其適用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。在微切削毛刺的研究方面仍需要進(jìn)行深入探索，包括：①介觀尺度下毛刺形成機(jī)理的研究；②適用于微切削中的毛刺控制理論和少無(wú)毛刺加工方法；③探索多種工藝復(fù)合的微毛刺去除工藝方法；④研發(fā)新的微切削毛刺測(cè)量方法和儀器。