——呂振安  編譯

一、毛刺的基本概念和危害性

毛刺是指材料被剪斷時(shí)分離處超出材料本身厚度的殘留。

無(wú)論對(duì)設(shè)計(jì)者或制造者而言，毛刺都是令人感到頭痛的事。在技術(shù)文件或設(shè)計(jì)圖紙上，經(jīng)常可看到明示的規(guī)定和醒目的提示字樣——“不允許有毛刺”；而對(duì)于制造者來(lái)說(shuō)，要達(dá)到這“不允許有毛刺”的簡(jiǎn)單規(guī)定卻并非那么容易，往往會(huì)不顧及成本，并經(jīng)常為不太熟知去除毛刺的有效方法而發(fā)難。

眾所周知，冷沖裁件一般都帶有毛刺，毛刺高度按允許值分為f級(jí)（精密級(jí)）、m級(jí)（中等級(jí)）、g級(jí)（粗糙級(jí)），按冷沖壓件通用技術(shù)條件JB/T4378.2執(zhí)行，也都熟知沖切面質(zhì)量與毛刺高度及沖裁模刀刃間隙值有關(guān)，要想減小剪切面的塌角和傾斜，消除撕裂和提高切斷面平滑程度時(shí)，一定要采取更進(jìn)一步的措施來(lái)解決。

從更進(jìn)一步分析得知，沖壓毛刺的生成決定于零件形狀、材質(zhì)（硬度、成分、組織和其他物理性）、厚度、加工條件（速度、壓力）、潤(rùn)滑劑（成分、粘性）、模具（材質(zhì)、硬度、耐磨性）等諸因素。

通過(guò)一般壓力機(jī)剪切加工產(chǎn)生的毛刺高度約為坯料厚度的1-5%，用油壓式即精密沖裁壓力機(jī)（FINEBLANKING PRESS）（以下簡(jiǎn)稱FB）來(lái)加工，其毛刺高度甚至?xí)^(guò)坯料厚度的10%，也有報(bào)導(dǎo)稱用FB加工毛刺產(chǎn)生在其高度方向比寬度方向的值約大出2.5~5倍。研究認(rèn)為FB加工產(chǎn)生的毛刺高度主要因素是模具間隙和其本身結(jié)構(gòu)而異，即使用同樣的模具，如采用耐磨模材和加工時(shí)選用潤(rùn)滑性能特殊的優(yōu)質(zhì)油等措施時(shí)則更為受到青睞。

不論從安全性能，還是從機(jī)械性能方面而言，毛刺必然會(huì)帶來(lái)危害。作為金屬制品最討厭毛刺，它不僅會(huì)影響外觀，造成人手傷害，對(duì)油閥等動(dòng)作元件極為敏感，甚至是肉眼看不見的毛刺也會(huì)引起設(shè)備事故，像硅鋼片零件的毛刺，發(fā)電設(shè)備及航天器材等有毛刺殘留是絕對(duì)不能允許的。

目前按照驅(qū)動(dòng)源可把壓力機(jī)分為機(jī)械與油壓兩種型式，生產(chǎn)能力高的小型機(jī)械式壓力機(jī)總壓力已達(dá)250t~300t，當(dāng)然就速度容易控制而論，無(wú)疑油壓式領(lǐng)先于機(jī)械式。目前用于汽車工業(yè)的大型壓力機(jī)有1400t左右的，在日本2001~2005年間統(tǒng)計(jì)銷售的用于汽車行業(yè)的一臺(tái)油壓機(jī)平均能力約5230t，剪切速度達(dá)5-60mm/sec，加工材料厚度從5-15mm不等，甚至有達(dá)19mm（瑞士），近年來(lái)壓力機(jī)呈現(xiàn)大型化、高速化傾向，一般在日本生產(chǎn)的高速機(jī)型200t型沖程數(shù)在150，250t型在80，800t以上在20-40上下。

在坯料方面則呈現(xiàn)下列趨勢(shì)：（1）向大型、厚材及高強(qiáng)度化；（2）向電子部件，小型，薄件及微細(xì)化發(fā)展。正所謂向兩極化，因而對(duì)我們而言，有必要充分理解毛刺生成的機(jī)理，并考慮與其相適應(yīng)的毛刺控制和處理方法。

二、毛刺生成機(jī)理

在沖壓加工中，作用于坯料上的力和坯料在變形過(guò)程中產(chǎn)生的諸現(xiàn)象，首先應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

1）材質(zhì)與其支承方法；

2）剪切輪廓形狀；

3）凸凹模刃的形狀；

4）沖裁加工條件。

這些因素都與毛刺生成有很大的關(guān)系。

當(dāng)兩工具刃口在逐漸切入坯料時(shí)的作用力如圖1所示。

在凸模與凹模刃部分別作用著軸向力Pp和Pd，并因這二個(gè)力分別隔著間隙C而作用，因而產(chǎn)生力矩，同時(shí)使坯料產(chǎn)生彎曲變形作整體回轉(zhuǎn)，即凸模下面的坯料沿著剪斷封閉曲線在反向間隙部產(chǎn)生反彎矩，使坯料彎曲，脫離凸模，于是凹模上的坯料，因無(wú)壓板力而上翹，由于這樣的坯料彎曲產(chǎn)生工具方面的側(cè)壓力Fp和Fd，模具和坯料的摩擦系數(shù)分別為μ1，μ2，μ3，μ4，則加于模具上的純剪切載荷：

P=Pp+μ2Fp=Pd+μ+Fd，而分別作用于模具上的側(cè)向力為：

F=Fd-μ3Pd=Fp-μ1Pp

隨著工具的切入，坯料加工硬化程度加劇，P和F值增大，超越變形界限，由彈性向塑性變形演變，形成崩碎，直至破斷分離。

當(dāng)用壓板時(shí)，為防止凹模面上的坯料上翹，與凸模側(cè)相鄰側(cè)坯料受拉伸，凹模上的坯料受壓縮，在凸模刃口端容易引發(fā)崩碎現(xiàn)象。

不用壓板時(shí)，凹模側(cè)的坯料相反延伸，由于凸模側(cè)坯料受壓，則先從凹模刃口部產(chǎn)生崩碎，從兩刃口處產(chǎn)生崩碎貫穿坯料內(nèi)部完成剪斷。其崩碎形成方法，如圖2所示。因沖裁時(shí)坯料上下裂紋不一定從兩刃口同時(shí)發(fā)生，因而模具間隙對(duì)坯料上下裂紋重合與否至關(guān)重要。

a）間隙過(guò)小時(shí)，崩碎方向比刀尖聯(lián)線向外傾斜，錯(cuò)開一段距離，其間的坯料一面被工具刃口削切，一面剪斷，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為二次剪斷，形狀如舌頭狀結(jié)疤，所謂（tongue），在壓力加工厚坯料時(shí)，這種二次剪切癥狀有可能發(fā)生2-3次，即在剪切面光亮帶上呈現(xiàn)出撕裂痕跡。

b）間隙合適時(shí)，不產(chǎn)生上述現(xiàn)象，即坯料裂紋在模具凸凹處相遇并重合，得到光滑的截?cái)嗝妗?/span>

c）間隙過(guò)大時(shí)，當(dāng)工具刃口慢慢切入，坯料容易引起所謂跟進(jìn)，即凸模刃口處裂紋較合理間隙時(shí)向內(nèi)錯(cuò)開一段距離，在崩碎發(fā)生階段，上下裂紋未重合部受大的拉伸而撕裂，相對(duì)工具軸線呈現(xiàn)大的傾斜，使塌角增大，毛刺增肥增長(zhǎng)，沖壓加工時(shí)坯料的截面示于圖3。

（1）剪切面（shear surface）由于工具面與坯料擠光作用所形成的光滑面部分（光亮帶）a。

（2）塌邊（shear droop）因工具刃口慢慢壓入形成的自由表面部分b。

（3）破斷面（torn surface），由于崩碎結(jié)合形成的粗糙面部分c（斷裂帶）。

（4）毛刺（burr）因壓縮應(yīng)力坯料塑性變形部分d。

坯料在剪切面上所占比例如圖4所示。從圖明顯看出模具間隙與坯料厚度之比關(guān)系密切。

間隙一大由于工具側(cè)壓力Fp和Fd增大，雖然軸向力Pp和Pd不大，其工具刃口在慢慢切入坯料時(shí)，刃口部受張力，塌角b增大，因此易成為崩碎變形條件，切斷抗力減少。對(duì)于兩工具刃尖的崩碎順利會(huì)合的間隙，直至切斷完成，同時(shí)由于隨著間隙增大，剪斷抗力減小又疊加，崩碎重合最適宜的間隙（5-10%）可取較大值10-15%的最小值。

相對(duì)各種材質(zhì)毛刺最小時(shí)最適宜的間隙值列于表1。目前國(guó)內(nèi)一般采用GB/T 16743—1997規(guī)定“按質(zhì)定隙”原則。

三、控制和減少毛刺的方法

從前節(jié)剪斷機(jī)理看出：坯料厚度1-2%高度的毛刺是必然會(huì)產(chǎn)生的。圖5所示，毛刺高度取決于受到兩工具尖端的磨損影響，即由于兩工具刀尖尖棱存在著鈍圓半徑，所以一定會(huì)產(chǎn)生幾乎跟鈍圓半徑值差不多的毛刺高度，由于在毛刺高度上已認(rèn)知兩工具尖端的磨損事實(shí)，因此必須要監(jiān)視其對(duì)工具的再磨削時(shí)間，尖端越尖，在坯料上的張力越集中，則毛刺就愈小，然而隨著壓力機(jī)加工頻數(shù)的增加，工具刀尖變鈍，使壓縮應(yīng)力增加，毛刺也隨之增大。

　　對(duì)每種壓力加工毛刺生成形態(tài)與原因以及控制方法列于表2。

四、去除毛刺的對(duì)策方法

在講去除毛刺的對(duì)策方法之前，再次聲明一個(gè)概念，即一般認(rèn)為經(jīng)過(guò)FB加工后的毛刺不會(huì)太大，但這是一種誤解，應(yīng)更正為經(jīng)過(guò)FB加工產(chǎn)生的毛刺要比一般沖切加工的毛刺要來(lái)得大。因?yàn)橛?/span>FB加工毛刺產(chǎn)生的情況如觀察該碎片，就可確認(rèn)破斷面情況，當(dāng)碎片呈現(xiàn)平滑斷面時(shí)，往往制品方面是存在較多的破斷面痕跡這樣一個(gè)事實(shí)。

下面來(lái)闡述一下用什么方法去除毛刺。

去除毛刺通常作法是采用打磨或砂光，不外乎用砂紙、砂布、拋光輪（片）、葉輪等工具，但對(duì)于成批生產(chǎn)，主要依靠機(jī)械，用得最多最熱門的要算砂帶機(jī)，多頭輸送帶式砂帶磨床（如圖6所示），應(yīng)成為去除大毛刺的首選。當(dāng)毛刺較大時(shí)，用砂帶磨一次去除掉，當(dāng)然是不科學(xué)的，由于毛刺受到高壓力傾倒之際加劇了砂帶的顯著磨耗，因此采用多頭磨削是行之有效的方法，即先用粗砂粒，再用細(xì)砂粒，直至最后用精細(xì)砂粒砂帶。

最近即使是去除毛刺的作業(yè)，也呈高速化傾向，送進(jìn)速度達(dá)每分鐘20m，采用砂帶與刷子并用7頭組合砂帶磨床附帶工件翻轉(zhuǎn)裝置，在德國(guó)、美國(guó)及意大利對(duì)摩擦片一次磨削成功，也有采用復(fù)合式成型加工，如歐洲逐步普及用注入研磨液的樹脂刷子或直接用金屬刷來(lái)去除毛刺的工序。日本也在采用復(fù)合型加工方法，稱作刷子附帶特注的去毛刺機(jī)，如圖7所示。

總之去毛刺設(shè)備分濕式和干式，種類繁多，講到終極去毛刺，還有電解、加熱、高水壓、磁性砂粒、滾筒光飾、噴丸，超聲波振蕩、化學(xué)法、砂粒強(qiáng)流動(dòng)法等，也各有各的用途。下面列表3來(lái)觀察各種去毛刺方法及終級(jí)特性的比較。

毛刺當(dāng)然不好，首先由于尖端會(huì)傷及人手；其次往往因部件毛刺形成設(shè)備故障。對(duì)于一般毛刺也常用銼刀或砂輪那樣堅(jiān)實(shí)工具和方法來(lái)處理。但對(duì)FB加工零件由于毛刺較大且粘纏，在要求有一定切削力同時(shí)，又要注意部件變形和本身的尺寸誤差，因而采用彈性工具者居多，其中砂帶磨削是用得最普遍的去毛刺方法，因?yàn)樯皫ハ骷嬗兄啬ハ骷叭嵝阅ハ鞯碾p重優(yōu)點(diǎn)。最近由于FB加工，浮雕加工及曲面加工愈發(fā)增長(zhǎng)，因毛刺較大又要求加工面具有一定粗糙度要求，特別對(duì)于平板件，使用多頭砂帶復(fù)合磨床是最明智的選擇。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之對(duì)于沖壓件的后處理，目前已明確，砂帶磨削加工是不能省缺的工序，因?yàn)樵撛O(shè)備與零件形狀、尺寸幾乎沒有什么關(guān)連，由于該設(shè)備納入生產(chǎn)線非常簡(jiǎn)單的步驟，想來(lái)作為砂帶磨削專業(yè)廠將來(lái)在FB連線的出料端，安上砂帶磨削機(jī)等連結(jié)裝置，來(lái)用于去毛刺及磨削，直至出成品的終極加工，必定會(huì)成為努力開發(fā)的方向。

（本文參考并部分翻譯來(lái)自《研磨布紙加工技術(shù)研究會(huì)》會(huì)刊 通卷115號(hào))

譯者簡(jiǎn)介：呂振安，男，高級(jí)工程師，原新鄉(xiāng)機(jī)床廠總師辦主任，日本研磨布紙加工技術(shù)研究會(huì)特別會(huì)員