航空液壓系統(tǒng)零部件毛刺主動(dòng)控制技術(shù)

尚鮮軍，魏永輝，田東縉

中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 陜西西安 710077

1 序言

毛刺是金屬切削過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毛刺去除難度大，傳統(tǒng)去毛刺方法主要依賴手工。經(jīng)過測(cè)算，航空液壓產(chǎn)品去毛刺工時(shí)占總工時(shí)的比例平均為6.4%，遠(yuǎn)高于機(jī)械行業(yè)平均值的3%[1]。航空液壓產(chǎn)品采用設(shè)備去毛刺占比較小，大量毛刺留到后續(xù)的手工和專門去毛刺工序進(jìn)行。手工去毛刺存在可靠性不高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，同時(shí)對(duì)毛刺的檢查依靠人工，工作量大且殘存的毛刺不易被檢出，是產(chǎn)品清潔度控制環(huán)節(jié)的一項(xiàng)重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

2 毛刺主動(dòng)控制技術(shù)

毛刺主動(dòng)控制是指在毛刺產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，通過合理的工藝方法對(duì)加工過程進(jìn)行事前控制，做到不產(chǎn)生或少產(chǎn)生毛刺。傳統(tǒng)的去毛刺工藝屬于毛刺被動(dòng)控制，一般是在零件加工完成后，再安排去毛刺工序，以達(dá)到零件邊角無毛刺的要求。對(duì)于旋轉(zhuǎn)類零件，由車工進(jìn)行倒角或倒圓以去除毛刺，但所占比例較小。大多數(shù)的鉆、銑和鏜工序依靠手工去除毛刺，屬于毛刺被動(dòng)控制，將去毛刺工序放到最后，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。采用手工去毛刺還會(huì)導(dǎo)致零件倒角部位不規(guī)整，影響產(chǎn)品質(zhì)量。加工后等待去除的毛刺如圖1所示，機(jī)械加工后產(chǎn)生的毛刺如圖2所示。

圖1 加工后等待去除的毛刺

圖2 機(jī)械加工后產(chǎn)生的毛刺

毛刺被動(dòng)控制的工藝流程如圖3所示。

圖3 毛刺被動(dòng)控制的工藝流程

毛刺主動(dòng)控制的思路是在加工過程中不產(chǎn)生或少產(chǎn)生毛刺，減少甚至取消后續(xù)去毛刺工序，從而達(dá)到降低加工成本、提高工件質(zhì)量的目的。根據(jù)毛刺形成機(jī)理，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)零件、材料，采取不同的毛刺控制方案，包括合理安排工藝流程，合理選擇切削刀具如組合刀具，采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給速度的切削參數(shù)以及數(shù)控編程去毛刺等，從而使機(jī)械加工完成后的零件無毛刺或存在少量微小毛刺。最終再采用光整加工等工藝，對(duì)少量微小毛刺進(jìn)行處理，提高毛刺去除的可靠性和表面完整性。毛刺主動(dòng)控制的工藝流程如圖4所示。

圖4 毛刺主動(dòng)控制的工藝流程

3 毛刺產(chǎn)生的機(jī)理分析

毛刺形成的最根本原因是工件材料在切削加工的最末段發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形。由于在加工的最末段工件背靠支撐強(qiáng)度不夠，材料顆粒不斷發(fā)生滑移、位錯(cuò)，切屑圍繞工件端部某一點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而沒有折斷，殘留在工件上形成了毛刺。

金屬切削毛刺形成的影響因素如圖5所示。在不同的加工條件下，采用的加工方法和設(shè)備不同，生成的毛刺也各不相同。有關(guān)試驗(yàn)表明，切削毛刺的形態(tài)和尺寸大小主要取決于工件材料的性質(zhì)、刀具的幾何參數(shù)、切削用量、切削加工的方式和被加工工件終端部的支承剛度的高低等[2]。

圖5 金屬切削毛刺形成的影響因素

毛刺產(chǎn)生的機(jī)理在國(guó)內(nèi)外已有較深入的研究，依據(jù)毛刺形成的機(jī)理和理論研究成果，從毛刺控制角度出發(fā)，總結(jié)如下：①刀具切出部位毛刺大于切入部位毛刺。②毛刺尺寸隨刀具前角的增大而減小。③毛刺高度和根部厚度隨切削厚度增大而增大。④切削速度越高，毛刺尺寸越小。由此可以通過調(diào)整加工順序、改變切削條件以及調(diào)整工藝參數(shù)，達(dá)到有效抑制切削毛刺產(chǎn)生的目的。

4 毛刺主動(dòng)控制工藝方法

4.1 合理安排工藝流程

在零件工藝設(shè)計(jì)上，采用合理的加工工藝或工步順序，能夠有效地減少毛刺的產(chǎn)生。這主要利用了刀具切出部位毛刺大于切入部位毛刺的原理，比如板類零件鉆孔時(shí)，出口部位易產(chǎn)生較大翻邊毛刺，可在下面墊工藝墊塊后再鉆孔，或采用多件組合鉆孔；軸套類零件徑向多排小孔與軸向孔相貫處易產(chǎn)生毛刺，可在孔中灌低溫合金或插入心棒后 鉆孔。

1）采用工序集中原則減少手工去毛刺工作量。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件如殼體類零件，傳統(tǒng)的工藝方法加工流程長(zhǎng)，上道工序的毛刺可能影響下道工序的定位，故需安排過程去毛刺工序。通過優(yōu)化工藝，采用工序集中原則，可減少過程去毛刺工序，避免對(duì)同一個(gè)部位反復(fù)去毛刺，從而減少手工去毛刺工作量。主要方法有：①通過優(yōu)化裝夾方式，變傳統(tǒng)壓板式裝夾為拉釘式壓緊，一次裝夾可加工零件的5個(gè)方向特征。②相似加工特征集中安排，采用刀具標(biāo)準(zhǔn)化原則，在刀具數(shù)量受限情況下，一次加工更多特征。③采用高速切削技術(shù)，粗、精加工在一次裝夾中完成。

2）通過合理的走刀軌跡控制毛刺（見圖6）。利用刀具切出部位毛刺大于切入部位原理，改變刀具軌跡，變刀具切出部位為切入部位。圖6中的平面銑削，采用往復(fù)式走刀方式，會(huì)形成大量的出口毛刺；采用從四周向中心加工的走刀軌跡，刀具順銑，僅產(chǎn)生微小的入口毛刺。

圖6 通過合理的走刀軌跡控制毛刺

車削端面、鉆孔時(shí)，通過調(diào)整車削方向保證外圓無毛刺，如圖7所示。原工藝規(guī)程無具體加工工步要求，車削加工端面時(shí)，操作人員采用從零件端面中心向外圓方向加工，然后倒圓R0.2mm。由于R0.2mm與外圓相切部位存在誤差，剛好是刀具出口部位，導(dǎo)致部分零件外圓殘留有微小的二次毛刺，需要安排手工拋光。經(jīng)分析，改變倒圓刀具軌跡，刀具由外圓向端面車削，使二次毛刺產(chǎn)生的方向最終由于車端面而加工掉，從而保證最終無毛刺。

圖7 通過調(diào)整車削方向保證外圓無毛刺

3）通過加工工步的安排，使毛刺朝容易去除的方向翻轉(zhuǎn)。在不可避免會(huì)產(chǎn)生毛刺的加工中，加工工步的安排應(yīng)使毛刺朝易于去除的方向翻轉(zhuǎn)，或者朝向非工作表面。圖8中的零件小孔和環(huán)形槽交貫部位，如果先加工環(huán)形槽，后鉆小孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的出口毛刺。改變加工順序，先加工小孔，后加工槽，毛刺就會(huì)較小并且易于清除。

圖8 零件小孔和環(huán)形槽交貫部位

4.2 合理選擇或優(yōu)化切削刀具

在刀具設(shè)計(jì)和選擇上，合理選擇刀具參數(shù)，適當(dāng)增大前角；采用硬質(zhì)合金、CBN和金剛石等高效、高速刀具材料，為參數(shù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)；采用復(fù)合刀具或組合刀具，一次加工多個(gè)部位，以減少加工毛刺的產(chǎn)生；盡量采用強(qiáng)制換刀，以減少由于刀具過度磨損而產(chǎn)生的毛刺；應(yīng)選用合適的切削液，有效降低切削溫度，減少刀具與切屑或工件之間的摩擦，能減少毛刺產(chǎn)生。

1）采用組合刀具加工減少毛刺產(chǎn)生。組合刀具是將原需多把刀具加工的特征，組合在一起一次加工成形的刀具，該類刀具一般需要特殊定制或?qū)I(yè)化設(shè)計(jì)。由于毛刺主要產(chǎn)生在刀具出口部位，組合刀具減少了刀具的切出部位，從而達(dá)到不產(chǎn)生或少產(chǎn)生毛刺的目的。組合刀具種類繁多，簡(jiǎn)單的如鉆孔及孔口倒角組合、鉆孔和鉸孔組合等，采用組合刀具具有加工效率高、毛刺小的特點(diǎn)，一般用于箱體類零件的孔系加工，可通過推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)促進(jìn)成組刀具在工藝上的應(yīng)用。

圖9所示為采用組合刀具加工孔系以減少毛刺。

圖9 采用組合刀具加工孔系以減少毛刺

2）改變加工刀具，減少工作面毛刺。通過改變刀具類型或者刀具結(jié)構(gòu)，減少切出部位毛刺。如果采用端銑刀銑削平面，則切出部位毛刺較大；如果改用圓柱銑刀的側(cè)刃銑削，則切出部位毛刺較少。采用普通倒角刀，會(huì)在倒角部位的兩端產(chǎn)生二次微小毛刺，通過改變刀具結(jié)構(gòu)，可以減少二次微小毛刺的產(chǎn)生（見圖10）。在刀具安排上，選擇鋒利刀具作為最終一刀，可以減少切削加工產(chǎn)生的毛刺。

圖10 通過刀具結(jié)構(gòu)改變減少毛刺

4.3 合理選擇切削參數(shù)

采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給速度的加工參數(shù)，零件加工完成后毛刺較小，典型的應(yīng)用就是高速切削加工工藝，特別是在最終工步，留少許余量進(jìn)行精加工，最終加工后工件上形成的毛刺是微小毛刺，有利于后續(xù)毛刺去除。經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)，最終余量一般選擇0.02～0.1mm。

圖11為某殼體零件少毛刺切削加工模型，其外形由棒料加工而成。精加工中考慮了毛刺控制，重點(diǎn)是如何解決相貫孔及內(nèi)部型腔交貫部位的毛刺清除。利用切削參數(shù)的改變，采用高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給速度，相對(duì)較小的切削力不會(huì)造成較大的塑性變形，從而產(chǎn)生的毛刺也較小。為了提高加工效率，在去除量比較大的部位可以使用相對(duì)大的螺旋步距，在接近相貫孔的位置改變?yōu)檩^小的螺旋步距，來發(fā)揮高速加工的優(yōu)勢(shì)。某殼體少毛刺切削加工工藝參數(shù)見表1。

圖11 某殼體零件少毛刺切削加工模型

表1 某殼體少毛刺切削加工工藝參數(shù)

4.4 采用數(shù)控編程去除毛刺

對(duì)于旋轉(zhuǎn)類零件，在旋轉(zhuǎn)類設(shè)備如數(shù)控車床上加工時(shí)，可以輕易地采用倒角或倒圓的方法清除毛刺。下面主要針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件數(shù)控編程去毛刺進(jìn)行介紹。

（1）加工面與加工面棱邊要求倒角的毛刺去除 加工中心等數(shù)控設(shè)備加工殼體、箱體及結(jié)構(gòu)件等復(fù)雜零件，當(dāng)設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)行棱邊倒角時(shí)，外形可以采用倒角刀通過程序軌跡控制將棱角加工出倒角或倒圓；內(nèi)孔的各棱邊，可以采用專用或通用帶R的倒圓弧刀具，編程倒圓。圖12為在三軸加工中心采用倒角刀編程去除零件外輪廓毛刺。

圖12 在三軸加工中心采用倒角刀編程去除零件外輪廓毛刺

（2）加工面與非加工面棱邊要求倒角的毛刺去除 當(dāng)零件為鑄造毛坯時(shí)，由于實(shí)際外形和理論外形存在較大的差異，零件外形不能采用常規(guī)的倒角刀進(jìn)行去毛刺，此時(shí)可以用浮動(dòng)去毛刺刀具[3]替代普通剛性倒角刀進(jìn)行毛刺去除。鑄造毛坯外形及浮動(dòng)去毛刺刀具去除毛刺如圖13所示。

圖13 鑄造毛坯外形及浮動(dòng)去毛刺刀具去除毛刺示意

（3）無倒角要求時(shí)的毛刺去除 當(dāng)零部件不要求對(duì)棱邊倒角或倒圓，僅要求無毛刺時(shí)，可以采用陶瓷研磨刷對(duì)加工面整體去毛刺。采用陶瓷研磨刷，效率高，毛刺去除后不產(chǎn)生二次毛刺。由于陶瓷研磨刷與零件存在一定的過盈量，需根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的走刀軌跡，防止較軟的材料局部尺寸變化，或者不同部分毛刺去除效果不一致。

4.5 殘存微小毛刺的最終處理

通過毛刺主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用，可以大幅減少或避免毛刺產(chǎn)生，但由于航空液壓系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品清潔度的高要求，最終零件還需采用設(shè)備對(duì)殘留的微小毛刺或二次毛刺進(jìn)行處理。如對(duì)于外形件，可采用光整加工，使用磨料清除微小毛刺殘留；對(duì)于通孔的軸套類零件，可以采用磨粒流去毛刺[4]；對(duì)于復(fù)雜內(nèi)腔零件，可以采用高壓水沖洗去除微小毛刺[5]；對(duì)于油路交貫等特殊結(jié)構(gòu)部位，可以采用電化學(xué)去毛刺，毛刺主動(dòng)控制為特種設(shè)備去毛刺奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

針對(duì)航空液壓系統(tǒng)零部件加工中存在的毛刺較多、手工去毛刺質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，通過合理安排工藝流程、優(yōu)化切削刀具、采用高速切削工藝以及對(duì)已產(chǎn)生的毛刺采用數(shù)控編程去除，可以使加工過程的毛刺有效減少。對(duì)于最終殘留的微小毛刺或二次毛刺，采用設(shè)備對(duì)零件整體或毛刺部位進(jìn)行處理，可以可靠、有效地避免毛刺殘留。通過主動(dòng)去毛刺技術(shù)應(yīng)用，消除或減少了加工部位產(chǎn)生的毛刺，簡(jiǎn)單零件可以實(shí)現(xiàn)消除手工去除毛刺，復(fù)雜零件可以降低30%～60%的手工去除毛刺的工作量，同時(shí)提高毛刺控制的有效性和穩(wěn)定性，為產(chǎn)品的后續(xù)加工和清潔度控制奠定良好的基礎(chǔ)。

20221106

專家點(diǎn)評(píng)

針對(duì)零件加工中存在的毛刺，提出毛刺主動(dòng)控制技術(shù)，通過改進(jìn)工藝、優(yōu)化刀具和切削方法來減少毛刺；采用數(shù)控編程的方法隨機(jī)切削去除已產(chǎn)生的毛刺；使用光整加工設(shè)備專門處理最終殘留的毛刺，解決了手工去除毛刺質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，具有很好的通用性和實(shí) 用性。

文章的亮點(diǎn)是主動(dòng)去毛刺技術(shù)，具有自動(dòng)化程度高、手工干預(yù)少、適用面廣及靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過工藝優(yōu)化和技術(shù)應(yīng)用，消除和減少了加工部位產(chǎn)生的毛刺，提高了毛刺控制的可靠性和穩(wěn)定性。