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【創世紀小百科】如何讓毛刺無處藏身
Part 1
少無鉆削毛刺的
基本原則
抑制和去除鉆削毛刺是精密與超精密加工中的一個重要問題，實現對鉆削毛刺的控制，對于提高鉆削效率和零件質量等有著重要的作用。
基于鉆削毛刺生成、形成及發展變化的理論分析和實驗研究，通常情況下，在控制和去除鉆削毛刺的生成過程中，應遵循以下三條原則。
(1)精度原則
在鉆削加工過程中，雖然采用一些控制或減小鉆削毛刺生成及降低鉆削毛刺尺寸的有效手段，但是在工件加工孔的入口處和出口處仍會有毛刺的生成。
如果將這些毛刺的尺寸控制在很小范圍內，它們對工件加工孔質量的影響則會很小，可以保證加工孔的尺寸精度和形位精度在允許的公差范圍內，而不會造成對工件使用性能的影響。
這種情況下，鉆削加工后不需要再安排后續的去毛刺工藝，這種加工方法就稱為“無毛刺鉆削加工”。
(2)效率原則
在實際金屬鉆削加工過程中，由于鉆削條件和加工環境等各方面原因，很難實現所謂的“無毛刺鉆削加工”。
這時候就要采用各種方法途徑來控制毛刺的形態或減小毛刺的尺寸，盡量將毛刺的高度和根部厚度降到可以實現的范圍尺寸內。
這可以減小后續去毛刺的工作量，從而減少毛刺的時間和提高鉆削孔的加工質量。這種方法就稱為效率原則。
(3)位置原則
在鉆削加工過程中，一般來講，毛刺的生成是無法避免的，雖然可以安排后續工序來去除毛刺，但這仍會造成對工件質量的影響，且不同部位毛刺的去除工作量和難易程度也不盡相同。
這時候就應該采用有效的方法，盡量使毛刺生成在非關鍵部位，或對工件精度影響較小、毛刺較易去除的部位，將毛刺的影響范圍降到很低。
這種方法就稱為位置原則。
在實際鉆削加工過程中，所加工工件的形狀和材料千變萬化，刀具參數和鉆削用量也各異。
在主動控制鉆削毛刺形成時，要根據具體的鉆削條件和工件性能要求而有所取舍和輕重主次之分。
一般來講，應選擇精度原則，其次是效率原則，最后是位置原則。
根據具體的加工材料、工件形狀、加工孔位置、鉆削刀具和鉆削條件來選擇合理的毛刺抑制手段和控制原則，以取得相應于工件使用性能和使用環境的加工孔表面完整性。
Part 2
鉆削毛刺的
控制技術
在實際零件孔鉆削加工中，根據工件孔的精度要求和使用性能，必須綜合考慮各種因素對毛刺的影響作用，分析其主要影響因素的成因，然后采取相應的手段來抑制毛刺的生成或減小毛刺的大小, 以達到少無鉆削毛刺加工的目標，從而使鉆削效率得到提高、鉆削質量得到保障。
上圖總結了一些少無鉆削毛刺加工的常用方法。可以看出，可以從工件選擇、鉆削工藝、加工方法、切削用量和刀具幾何等五個方面來研發抑制和減小鉆削毛刺的技術與方法。
Part 3
鉆削用量
優選法
隨著鉆削速度v 的增加和鉆削進給量f 的降低，毛刺尺寸逐漸減小。
所以，根據特定的鉆削條件和孔質量需求，盡可能優先選擇較大的切削速度v 和較低的進給量f，可以降低軸向力Fx 和毛刺尺寸的大小，從而使切削效率得到提高、切削質量得到保障。
3.1切削速度影響
這是由于毛刺形成機制為翻卷毛刺，因有未切除金屬材料的撓曲變形，所以毛刺尺寸較大。
同時，鉆削速度增加后，因刀具——工件和切屑——工件之間的摩擦變得更加劇烈，鉆削區溫度隨之逐漸增加，導致工件材質軟化，材料硬度降低，因此鉆削扭矩和鉆削力降低。
所以工件終端材料受鉆頭軸向力作用而產生的撓曲變形量就會相應減小，終端面最后一層金屬的大部分材料就可以形成切屑而被切除，所以剩余的未切除金屬材料變少，所形成的毛刺尺寸也就隨之變小。
3.2進給量f 的影響
隨著進給量f的增加，毛刺尺寸逐漸增加。這是由于毛刺形成機制為翻卷毛刺，因有未切除金屬材料的撓曲變形，所以毛刺尺寸較大。
同時，進給量f 增加后，切削層金屬厚度增加，鉆削加工軸向推力變大，工件終端被切削材料的因受軸向力而產生的變形量增加，終端面最后一層金屬的大部分材料未能形成切屑而被切除，所以剩余的未切除金屬材料增多，所形成的毛刺尺寸也就隨之變大。
Part 4
鉆頭參數
優化法
隨著鉆頭螺旋角β的增加和頂角2φ的減小，毛刺尺寸逐漸減小。所以，在鉆削加工中一些可允許的情況下優化鉆頭的幾何參數，選擇較小的頂角2?和較大的螺旋角β，可以達到減小和控制毛刺尺寸與形態的效果。
4.1頂角2?的影響
這是由于毛刺形成機制為翻卷毛刺，所以毛刺尺寸較大。
同時，鉆頭的頂角2?增加后，鉆削厚度增加、鉆削寬度減小，使得鉆削扭矩M 與切向力Fz 減小、軸向進給分力Fx 增加，終端面被切削材料的因受鉆頭橫刃擠壓而產生的變形量增加，工件孔終端面最后一層金屬的大部分材料未能形成切屑而被切除。
所以，剩余的未切除金屬材料增多，最終會全部撓曲變形并堆積在已加工孔的周圍而形成切出進給方向，所以毛刺尺寸逐漸變大。
4.2螺旋角β的影響
這是因為毛刺形成機制為翻卷毛刺，所以毛刺尺寸較大；同時，鉆頭的螺旋角β增大后，其實際工作前角也隨之變大，使得切屑流更加順暢；并且螺旋角β增加后，鉆削扭矩M 和軸向進給分力Fx 也隨之快速減小。
所以工件終端材料受鉆頭軸向力作用而產生的撓曲變形量就會相應減小，工件孔最后一層金屬材料的大部分材料就可以形成切屑而被切除，剩余的未切除金屬材料變少，所以所形成的毛刺尺寸變小。
4.3鉆頭結構優改法
優改后的鉆頭及相應的試驗觀測數據如下圖所示。
可以看出，使用鉆頭(a)和鉆頭(b)后，毛刺的根部厚度B 降低了25~33%，但毛刺高度H 幾乎沒有變化。
這是因為改善鉆頭后，切削熱的散發變得更快，切削刃的工作長度得到增加，鉆頭主切削刃的切削力和軸向推力Fx 也減小了。
另外，鉆頭主切削刃和副切削刃的轉角ε增加了，使得軸向力減小，從而工件終端材料的變形量減小，毛刺尺寸變小。
Part 5
工件定位材料及
其尺寸影響
5.1工件疊加鉆削法
鉆削加工過程中，工件終端部(鉆頭出口)材料的支承剛度是毛刺出現、形成與變化發展的主導因素之一。
將工件疊加起來，可以增加終端部材料的有效支承剛度，如下圖所示。
工件疊加后，毛刺尺寸的變化入上圖所示。可以看出，鉆削工件(a)和工件(b)時形成的毛刺要比鉆削工件(c)的更小。
這是由于工件疊加起來以后，工件(a)和工件(b)終端部材料的有效支承剛度得到提高，從而使得毛刺尺寸變小。
5.2工件材料的影響
在標準鉆削條件下，鉆削加工H68、20#、45#鋼和HT15-33 鑄鐵的實驗結果如圖5.112 所示。
當鉆削加工HT15-33 鑄鐵時，I 類毛刺生成；當鉆削加工20#鋼、45#鋼和H68 黃銅時，Ⅱ、Ⅲ類毛刺生成，并且H68 黃銅產生的毛刺最大，45#鋼產生的毛刺最小。
這是由各種工件材料機械性能(延伸率和抗拉強度)的差異所造成的。
也即是說，延伸率高的材料，撓曲變形大，其毛刺尺寸較大，多為Ⅲ類毛刺。
而延伸率小的材料，因材料撓曲變形小，所產生的毛刺也較小，多為Ⅱ毛刺。對于HT15-33 鑄鐵等延伸率更低(δ≤5%)的脆性材料，較易發生脆性斷裂，所以易于形成I 類毛刺。
5.3終端部材料強化法
工件材料機械性能之間的差異會造成鉆削毛刺的尺寸大小不同。
而通過強化工件終端部的材料，可以改變鉆頭出口部位材料表面的機械性能，從而可以達到減小和控制鉆削毛刺的效果。
比如通過敲擊或噴丸來增加終端部材料的硬度。通過噴涂化學材料來減小工件終端部材料的延伸率，等等。
5.4底孔直徑D 的影響
在標準鉆削條件下，針對45#鋼材料，對底孔直徑大小不同的工件進行鉆削加工實驗，可知，當底孔直徑小于19mm 時，毛刺尺寸突然急劇增大，并且從此以后毛刺大小保持基本不變。
而當底孔直徑大于19mm 時，毛刺尺寸非常小，并且其尺寸大小也保持基本不變。
這是因為毛刺產生的機制發生了根本性變化：當底孔直徑較大，材料切除余量較小，只有泊松毛刺形成，毛刺尺寸大小直接受材料泊松比的影響，所以基本保持不變。
而當底孔直徑小于19mm 時，材料切除余量也大，所以除了形成泊松毛刺以外，更主要的是翻卷毛刺的形成，其尺寸較大。
Part 6
改變底孔直徑的
“階梯鉆削法”
鉆削加工中，工件底孔直徑大小對毛刺的形成機制及毛刺大小有影響作用如下圖所示。
當底孔直徑大于某一個值后，毛刺尺寸明顯較小，這是由于毛刺生成機制發生根本性變化，只有泊松毛刺形成的緣故。
因此可以設計一種階梯鉆頭，如上圖所示，第一階鉆頭直徑為D1，第二階鉆頭直徑為D2，只要兩階鉆頭的直徑差值小于某一個定值2f tanφ時，就可以達到抑制翻卷毛刺的產生，而只有尺寸很小的泊松毛刺生成，從而可以達到減小毛刺尺寸的效果。
同時，第二階鉆頭也可以去除第一階鉆頭鉆削加工時所產生的毛刺。