| 在加工现场，被称为“古老而永恒的课题”的去除毛刺和棱边加工技术，也随着时代和需求的变化而不断发展，成为当今加工技术中不可或缺的关键技术。 |
近期的去除毛刺和棱边加工技术
现在，以IT、医疗等产业为代表的高科技领域的制造行业，为了应对轻薄、小型产品的高性能化、高品质化、微型化的快速发展，其加工技术也正朝着高精度和微型化的方向发展，并研究开发出了各种各样的加工方法。在加工现场，被称为“古老而永恒的课题”的去除毛刺和棱边加工技术，也随着时代和需求的变化而不断发展，成为当今加工技术中不可或缺的关键技术。在通过高精度加工和微型加工技术制作的高科技构造零件中，各种传感器及开关类、液/气压控制系统用柱塞滑阀及泵类等零部件，包括微型立铣刀等切削工具在内，都是借助于切削加工、磨削加工、喷射加工、激光加工、蚀刻加工和光刻技术等方法制造而成。此类高科技构造零件需要处理在加工过程中产生的微小毛刺并要求形成尖锐的棱边形状，因此去除毛刺的棱边加工技术显得越来越重要。在此前的高科技产品构造零件设计图中，尽管零件的棱边与产品的性能、可靠性、使用寿命密切相关，但都没有对棱边尺寸及形状提出严格规定，只简单标明“无毛刺”，而对于去除毛刺后棱边最终应具备的形状没有做出具体说明。在这种背景下，本文在介绍JIS“棱边质量”标准的同时，也对如何在高精度加工过程中抑制毛刺产生的基本观点，以及针对棱边形状尖锐化所采取的去除毛刺和棱边加工技术(特别是微量去毛刺技术)加以叙述。棱边功能及棱边质量的JIS标准化
| 表1 棱边的功能和相关制品 |
| 零件的功能 | 零件举例 |
|---|
| 切削 | 切削刀具的切削刃、剪切机刀片 |
| 气体密封 | 真空泵法兰的密封边，方向控制阀滑阀柱的迷宫密封沟，压力控制阀的节流孔 |
| 流量控制 | 油压机流量控制阀的节流孔 |
| 膜厚控制 | 印刷机油墨刮油刀 |
| 压力平衡 | 油泵、油压缸体(压力油垫部分)，空压机电磁阀的密封端部 |
| 抑制滑动摩擦 | 油胀泵、油压缸的密封安装部，工作机械的滑动机构部 |
| 强度、耐磨(防止枯结咬死和烧伤) | 齿轮、普通滑动零部件的棱边 |
| 装配、配合 | 装配部件的棱边 |
零件的棱边位于两个表面相交的位置：由于各种表面加工方法会产生毛刺，因此要根据规定的尺寸和形状，借助各种去除毛刺和棱边加工方法对棱边进行处理。所以，零件的棱边功能对其加工后的表面状况依赖程度很高。按照能否为零件提供功能，可对棱边划分如下：- 零件棱边具有功能的情况
- 零件的使用功能要求它的棱边具有相应性能，它与产品的关系如表1 所示。
- 零件棱边对产品构造和功能造成不良影响的情况
- 在承受电压的机器中，尖锐形状的棱边会引发电火花。
- 棱边的龟裂和缺损会引起零件甚至产品破损。
- 残留在棱边位置的毛刺脱落，会妨碍零件的动作甚至引起运转停止的现象。
- 零件的棱边经特殊设训以发挥重要作用的情况
- 对于特殊设计而言，包括棱边周边在内的轮廓形状很重要．可分为两种情况：①两个表面的边界明确，为“尖锐棱边”；②两个表面的边界模糊，为“柔和棱边”。
两个面的棱线形成的棱边(包括其周边轮廓形态)具有各种性能(见表2)。棱边的基本形状分为锐角形、直角形和钝角形，其几何形状决定了它们的基本性能。静态性能是在静止状态下棱边及其周边轮廓具有的性能：动态性能是棱边与其配对零件和对应棱边进行相对运动时所表现出来的性能。耐久性能是指零件或产品在使用时是否发生变形、损耗或碎裂等。在2004年3月发布的JIS B0721《 机械加工零件的棱边质量及其等级》 标准中．对机械加工零件的棱边质量作出了规定。在此之前，世界上唯一对棱边质量作出规定的是德国标准DIN 6784(1974), 1992年修订为国际标准ISO 13715(2000)《 制图―棱边术语及标注方法》。通过将对应于该标准的日本标准JlS B 0051) 进行整合与补充，制定了JIS B0721标准。表2 棱边及其周边轮廊具有的性能| 棱边基本形式 | <DIV style="MARGIN-TOP: 5pt; FONT-WEIGHT: bold; FONT-SIZE: 10pt; MARGIN-LEFT: 5pt; COLOR: #006600; MARGIN-RIGHT: 5pt">锐角形</DIV> | <DIV style="MARGIN-TOP: 5pt; FONT-WEIGHT: bold; FONT-SIZE: 10pt; MARGIN-LEFT: 5pt; COLOR: #006600; MARGIN-RIGHT: 5pt">直角形</DIV> | <DIV style="MARGIN-TOP: 5pt; FONT-WEIGHT: bold; FONT-SIZE: 10pt; MARGIN-LEFT: 5pt; COLOR: #006600; MARGIN-RIGHT: 5pt">钝角形</DIV> |
|---|
| 基本性能 | | 进入相配件的性能好 | | | 确定位置和范围的性能好 | | | 与相配件一同运动的性能好 | |
|---|
| 静态性能 | 对光电磁波反射较少 | | | 锐利的控制性能 | | | 缓和的控制性能 | 与相配件的配合性好 | |
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| 动态性能 | | 流体阻力小 | | | 正确的动态压力平衡性能好 | | | 因低摩擦使相对变化和缓 | |
|---|
| 耐久性能 | | | 必须考虑不受折弯 | | | 配对件运动时异物不易大量进入 | | 棱边不易出现缺口 | 配对件动作时异物容易进入 |
|---|
| 适用零部件 | 利用刀刃零部状层板结构的阻尼器，喷嘴，空压机，薄的刀刃，节流器 | 高真空用CF法兰，透平机叶片 | 切削刀具(硬质合金刀片)，剃刀刃口，抽血针头 | 磁头，油/空压机的压力补偿阀，油/空压机单向阀的阀座 | 油/空压机直角棱边柱塞阀，高压活塞泵的油缸体，旋转压缩机叶片 | 剪切机刀片，机床主轴用滑动轴承/套 | 高导电零部件棱边，油/空压机单向阀的阀座，食品机械零件的棱边 | 油/空压机油缸孔活塞插入口，油/空压机锥形台肩柱塞阀的阀座 | 油/空压机的减压阀 |
|---|
1.棱边尺寸及其公差
如表3所示，对于“角”的棱边尺寸及其公差，针对现在的棱边锐利化作出了E-0(极超锐利)的规定。另外，由于“角”的棱边棱线的直线度、圆度的精度规定应与棱边功能相对应，因此制定了表4所列的陵边几何公差。
表3 角的棱边的尺寸与公差(JIS B0721) (单位：mm ) | 棱边的尺寸划分 | 棱边形状的尺寸公差 | 棱边名义值
(参考) | 标记 |
|---|
| 以上 | 以下 | A级 | B级 | C级 |
|---|
| 0.0003 | 0.002 | +0.015
0 | +0.03
0 | +0.06
0 | 0.0003 | E-0
(极超锋利) |
| 0.002 | 0.02 | +0.006
0 | +0.08
0 | +0.2
0 | 0.002 | E-1
(超锋利) |
| 0.02 | 0.2 | +0.03
0 | +0.2
0 | +0.4
0 | 0.02 | E-2
(锋利) |
| 0.2 | 2 | +0.06
0 | +0.4
0 | +0.8
0 | 0.2 | E-3
(一般) |
| 2 | 6 | +0.2
0 | +1.0
0 | +2.0
0 | 2 | E-4
(钝) |
| 备注：棱边的尺寸划分按JIS B0051规定的a尺寸进行。采用标记和等级时，这些尺寸划分和等级也适用。 |
表4 角的棱边几何公差(JIS B0721) (mm)| 尺寸划分 | 作为代表值的直线度和圆度公差 |
|---|
| 以上 | 以下 | A级 | B级 | C级 |
|---|
| - | 3 | 0.002 | 0.01 | 0.05 |
| 3 | 10 | 0.005 | 0.05 | 0.1 |
| 10 | 30 | 0.01 | 0.1 | 0.2 |
| 30 | 100 | 0.02 | 0.2 | 0.5 |
| 100 | 300 | 0.05 | 0.4 | 0.8 |
| 参考：直线度和圆度公差用最小区域法定义．最小二乘法最适用(参照JIS B0021)。 |
2.棱边表面形貌
陵边棱线的粗糙度R：根据形成陵边角θ两个面的粗糙度R1和R2，可按下式计算粗糙度R: | R= | 1 | |
| √ | |
| R12+2R1R2cosθ+R22+2R |
| |
|---|
| sinθ |
去除毛刺和加工棱边后，其棱线的粗糙度如表5所示。在分为3个等级的同时，还包含目测检查项目：表面波纹，走刀痕迹，表而缺陷等。
3.棱边表面层形貌(表面完整性)
在棱边形状微型化及尖锐化的情况下，零件和产品的动态性能对其可靠性和寿命都会造成很大影响，使棱边表面下方的质量(即表面层性能形貌)成为重要的因素。陵边的表面性能形貌按各品质项目和表6所示在加工现场能够观察到的外观缺陷，规定了3个等级的质量标准。高精度加工和毛刺控制技术无论采用何种高精度加工方法，从外部对工件施加物理能量时，对应于工具前端的切削刃圆半径R，工件表而层产生了弹塑性变形区域，即加工变质层(ρ－R)。ρ是弹塑性边界的包络线半径。同时，根据谷口用希尔(HiLL)的球压理论所做实验的结果，得到E/Hv，与ρ/R之间的关系。这里，E和Hv分别是工件的弹性模量和维氏硬度。E/Hv为200～300 的铜、铝等材料的ρ/R数值为7～9，弹塑性变形区域较大，E/Hv为100左右的碳素钢的ρ/R为3～5之间的较小值。另一方面，当R变大时，由于挤光作用造成的压应力增大，ρ也必然会增大。总之，该加上变质层是在工件端而上形成毛刺的主要原因。因此，抑制毛刺生成的关键在于降低形成加工变质层主要因素的加工阻力及加工温度．应考虑以下对策：
- 使用具有锐利切削刃形状的刀具或具有微小磨粒的磨具。
- 采用与工件亲和力低且耐磨性好的工具材料。
- 采用E/Hv数值低的工件材料。
- 减少切削用量(每齿进给量、切深)。
- 选用能更好降低工具与上件之间加工温度和摩擦力的加工冷却液：
- 重新考虑棱边及其周边的形状设计，增加周边刚性。
表5 棱边的表面特性(JIS B0721)| 表面形貌 | 表面特征的等级 |
|---|
| A级 | B级 | C级 |
|---|
| 表面粗糙度Rz | Rz≤0.8 | 0.8＜Rz≤3.2 | 3.2＜Rz≤125 |
| 表面波度(刀具走刀痕迹方向) | 放大40倍观察无波度、刀痕 | 梭边棱线和刀痕方向无交叉 | - |
| 表面缺损 | 放大40倍观察无毛刺裂纹和缺损 | 放大20倍观察无毛刺裂纹和缺损 | 放大10倍观察无毛刺裂纹和缺损 |
| 识别标记 | T-1(超平滑平面) | T-2(平滑平面) | T-3(粗糙表面) |
表6 棱边表面层的特性(JIS B0721)| 表面层的形貌 | 表面层形貌的等级 |
|---|
| A级 | B级 | C级 |
|---|
| 微观裂纹和气泡 | 放大4O倍观察表层断面，未发现微观裂纹和气泡等 | 放大20倍观察表层断面，存在微观裂纹 | 放大10倍观察表层断面，存在微观裂纹 |
| 表面层 | 无加工硬化和表面应变 | 无表面应变 | 有表面应变 |
| 识别标记 | 精密表面层 | 中级表面层 | 粗糙表面层 |
棱边的锐化和微量去毛刺
如前所述，为了抑制毛刺的生成，必须采取去毛刺的饺边加工方法。作为一般的去毛刺棱边加工技术．通常采用物理能、电能和化学能的方法．以及将这此能复合起来的一些方法。其中就有能够去除微小毛刺并形成锋利棱边的方法。微量去毛刺的棱边加工方法，这些方法有如下一些共同点：- 由粘弹性体所支撑的微粒起加工作用：(a)、(e)、(f)
- 微粒工具和流体一起流动并起加工作用：(a)、(b)、(c)、(d)、(g)
- 利用磁力使微粒工具产生加工作用：(i)、(j)
- 将电化学与机械作用进行复合以实现加工：(h)、(k)、(l)、(m)
随着近年来对棱边形状锐利化和微皱去毛刺提出的要求．采用上述微粒工具去除微小毛刺的方法是必要的。主要方法有：首先，喷砂破丸研磨法(a)对于产生锐利化棱边形状和去除微小毛刺是相当好的方法。在包含适量水分的粘弹性体中混合#3000～#10000的金刚石磨粒的研磨材料，采用离心投射方式，对零件棱边进行冲击而去除毛刺的棱边加工方法。根据情况，也可采用微型工具磨去毛刺或用激光熔融毛刺的陵边加工方法。
其次，磁力滚筒加工法(j)能够充分抑制毛刺的产生，对锐利形状棱边的加工可发挥良好效果。将由SUS304不锈钢制作的微小针状介质(直径&3216;0.2～0.5mm、长度2～3mm)和洗净液、零部件放入聚丙烯容器内，在N极和S极高速变换的磁场中，使磁性针状介质进行反转、旋转、搅拌，与带有毛刺的棱边部位碰撞，通过冲击力去除毛刺的同时，利用针状介质的磨光作用进行棱边加工。另外，离子束加工法(g)是氩气等的离子与零件的毛刺部分高速碰撞，从而将构成毛刺的原子弹落的方法。作为工具的离子尺寸在0.01µm以下，因其速度很高，因此能在较短时间内去除微型毛刺，而表面却不会残留机械变形，从而可制成锐利形状的棱边。近年来，日本的产业竞争力正被中国、韩国等亚洲新兴国家赶超，除汽车以外，竟争优势急剧卜降：制造现场的一些具有科技含量的细微诀窍都会对竞争力产生影响。日本的“现场制造力”向来具有优势，以此拉开与对手差距的战略是今后的你续发展所必不可少的，这一点不言自明。生产高附加值产品时不可缺少的棱边质量就是其中之一。本文介绍了2004年3月制定的JIS B0721标准“机械加工零件的棱边质量及其等级”，这是生产高性能、高品质产品所必需的。
