CN104289815A - 一种激光去毛刺工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光去毛刺工艺，其特征在于激光器产生的光束经过光学元件聚焦后形成不同直径的激光光斑，光斑在保护气体的作用下，在直线位移平台上以连续扫描方式或脉冲扫描方式清洗工件表面，以去除工件表面的毛刺，包括：直线位移平台、激光器、光学聚焦面、激光功率计、保护气体。激光去毛刺不需要任何刀具，对工件的热影响小，加工效率高，可以对任何金属和非金属工件加工，应用范围非常广。

Description

一种激光去毛刺工艺

技术领域

本发明涉及激光去毛刺工艺。

背景技术

毛刺，是指在金属加工过程中，在工件表面过渡处出现的各种尖角、毛边等不规则的金属部分。金属切削加工就其本质而言，是指被切削层金属在刀具的前刀面和切削刃的作用下经受挤压而产生剪切滑移的变形过程。工件的边、角、棱等部位上的被切削层金属在切削过程中产生较大的塑性变形，并在切屑与工件表面断裂分离的过程中使其一部分滞留在工件的边、角、棱等部位上，形成了切削毛刺。金属切削毛刺有多种不同的形式，按照以切削运动和刀具切削刃为基准的毛刺分类体系，切削毛刺可分为两侧方向毛刺、进给方向毛刺和切削方向毛刺三大类。其中进给方向毛刺和切削方向毛刺又可细分为切入和切出两种形式；两侧方向毛刺也可分为沿主切削刃流动的两侧毛刺和沿副切削刃流动的两侧毛刺，即总共有六种毛刺形式。

经过机械加工的零件表面，特别是两个表面的交界处，往往产生毛刺。毛刺虽小，但危害很大。它不但影响零件的精度，而且影响整机的可靠性。把有毛刺的零件装机使用，是机械产品产生故障的主要原因之一。各种毛刺的存在给零件的加工、装配、检验、产品性能、使用寿命以及安全和外观等带来如下问题：

(1)影响工件的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度；

(2)破坏或影响下道加工工序的定位；

(3)影响或干扰工件的测量精度；

(4)在装配工序中，直接影响装配质量，严重时甚至无法进行正常装配；

(5)在工件(或零部件)的加工及运输过程中，对操作者的安全构成威胁，或造成一定的伤害等；

(6)在加工过程中，毛刺突然脱落往往导致亏缺(也被称为负毛刺)，致使工件尺寸超差或使其报废等；

(7)对于液压系统元件，如果毛刺脱落，毛刺将存在于各液压元件微小的工作间隙内，造成滑阀卡死、使回路或滤网堵塞而造成事故，还会引起流体紊流或层流，降低系统的工作性能。日本液压专家认为，影响液压件性能和寿命的原因有70％是毛刺造成的。液压传动部件、气压传动元件上若带有毛刺，将直接影响其工作效果和使用性能；

(8)对于变压器，带有毛刺的铁心比清除毛刺的铁心铁损增加20--90％，并随频率的增加而加大，直接影响其工作效果和使用性能；

(9)在使用中，存在毛刺的机器做机械运动或震动时，脱落的毛刺可能导致机器滑动表面过早磨损、噪音增大、传动受阻、破坏传动平稳性等，严重时会使机构卡死，动作失灵，电器短路等故障发生，成为引起事故的直接隐患之一；

(10)对毛刺进行去除加工常常成为增加工件加工成本的主要原因之一；

(11)直接影响工件表面美观度、产品的销售等；

(12)带有毛刺的工件热处理时容易产生裂纹，从而降低工件的疲劳强度。同时，毛刺的硬化和脱落是裂纹开始的源头，因此毛刺也可能降低工件的使用寿命。统计分析结果表明，去毛刺工序所用工时约占工件加工总工时的5％—10％。去毛刺投资约占总投资的20％，美国每年花费在清除零件毛刺上的费用都在20亿美元以上，有的年份高达60亿美元。按此比例，我国用于去毛刺的费用也是相当客观的。因此，为了保证产品的高质量，国内外非常重视去毛刺加工。

随着工业化和自动化水平的提高，机械加工领域，特别是航空航天仪表制造领域，机械零件制造精度要求越来越高，使用条件越来越苛刻，许多零件内部不允许留有任何毛刺，以免引起故障。同时，机构设计趋于微型化、复杂化，去毛刺的难度越来越大，传统手工去毛刺的工艺已远远不能满足要求，毛刺的危害尤为明显，逐渐引起人们的高度重视。毛刺问题不仅成为产品更新换代，提高质量，降低成本的至关重要因素，而且也是实现生产过程机械化、自动化、智能化的一大障碍。因此，去毛刺已成为零件加工过程中的关键工序。面对各种产品在实际应用中因毛刺的存在而发生的种种事故，提出了去毛刺的概念，而且对去毛刺的工艺要求也越来越高。同时，逐渐形成了一门新的学科—去毛刺工程。美国、日本和德国等国家提出了“毛刺工程”(Burr Engineering)或“毛刺技术”(Burr Technology)，并正在迅速发展。在国内也建立了去毛刺行业协会，定期召开国内和国际会议，还拟定了冲裁件毛刺高度极限的国家标准，并在制造行业中得到了广泛的应用。对毛刺技术重要性的真正认识，始于美国的Bendix公司的Larrux K．Gillepie先生，他在1974年的美国制造工程师学会(SME)成立毛刺技术分会会议上发言时，首先使用了去毛刺技术这个术语。随着时间的推移，国际上在探索这项技术时，往往与棱边(edge)、表面光整技术(Surface Finishing Technology)合在一起来进行交流，所以这个分会后来正式改名为毛刺、棱边和光整技术分会(Burr Edge & Surface FinishingTechnique)简称为BEST。以美国BEST学会的名义，1975年在美国召开了第一次国际性的研讨会，接着在1976年、1977年召开，以后每两年召开一次。

去毛刺过程既要花费大量的工时，又会使零件的生产成本增加。为了解决毛刺的问题，各种去毛刺方法应运而生。去毛刺工艺由手工向专用机械、自动化的方式发展。据粗略统计，1972年去毛刺的方法还只有22种，1980年增加到50种左右，到目前为止，去毛刺方法已达80多种。按照加工原理，去毛刺方法可以分为机械的、磨粒的、化学的、电学的、热能的及磁力的六大类。

尽管去毛刺的方法很多，但是选择时要根据工件的材料特性、形状、尺寸、加工精度、生产批量和毛刺的位置、大小、硬度以及去毛刺的经济效果与实现可能性进行综合考虑。去毛刺方法的选择是否恰当，直接关系到去毛刺的效果和加工成本。下面列出几种主要的去毛刺方法：

（1）滚筒研磨法

把一定比例的工件和磨料放在滚筒中，然后封闭，在滚筒转动过程中，使零件与磨料产生磨削，零件与零件间也产生磨削，从而去除毛刺。为了提高效率，不仅让滚筒回转，而且使其达到离心流动、自公转和上下移动、正反高速回转、上下左右往复、涡流式运动、龙卷运动等，使工件和研磨料之间更好的相对运动。这种设备价格便宜，生产效率高，适合于去除刚性较好的各种工件和冲压件的毛刺以及锻、铸毛坯件的飞边和毛刺。对于厚度在0.5mm以下和容易变形的零件不易采用。

(2)高温去毛刺(热力去毛刺)

将零件装入燃烧室内，密封后，将一定体积比的氢和氧通入燃烧室，经点火燃烧，产生瞬间高温、高压和冲击波。在高温下，零件的毛刺因其体积小而表面积大被迅速加热至自熔温度，并与剩余的氧化合成氧化物而自行脱落，从而去除毛刺。与此相反，由于爆燃时间极短，零件的基本金属体积大，表面积小，温升有限，不足以造成基体材料物理性质的变化，因而不伤害零件。热力去毛刺的最大优点是可加工盲孔、深小孔、交叉孔、窄缝隙等部位的毛刺。对于不同材质的零件，只需调整工艺参数，勿需更换工作介质，可有效的控制产品质量。但是，这种方法也有局限性，例如，不适于低熔点合金材料，若零件的面、体积比过大(大于20)，则会在去毛刺的同时烧坏零件本身，一般去除毛刺的厚度应小于材料厚度的十倍以上。目前，由于燃烧室尺寸的限制，外形尺寸大或很长的零件均不适合用这种方法去毛刺。国内生产的热力去毛刺机嫩烧室的尺寸为最大直径250mm，最大高度300mmp。

(3)机械刷去毛刺

采用如钢丝、铜丝、嵌入磨粒的尼龙丝等材料做成各种形式的刷子，可以像换刀具一样更换刷子，实现对工件去毛刺和光整加工。刷子去毛刺可实现柔性加工，既可去除毛刺，也不会损伤加工表面。根据内、外加工表面的形状，可以制作各种类型的金属刷和尼龙刷，因而适应性广。但这种方法难于应用在截形不一致的零件。另外，硬毛刷形成的加工表面往往不便于随后的处理。

(4)挤压珩磨去毛刺(磨料流动加工)

采用一种含磨粒的半流动状态的粘性磨料，放置在一个磨料室中，两端各有一个汽缸，使胶状物来回通过被加工零件型腔，零件在磨料的这种往复流动过程中，受到最大的阻滞处具有较大的腐蚀能力而将型腔内及孔口边缘毛刺去除。其主要优点是，凡是磨料流经的地方均可去除毛刺，可去除复杂零件的毛刺，不产生高温，不形成加工后残余应力和应变层，更不会产生二次毛刺。但是，该方法也受到限制，例如加工的最小孔径为0．35mm，毛刺的最大厚度为0．3mm，倒棱的最大半径为1～1．5mm，表面粗糙度Ra大于0．2μm。这种方法不适于加工很长的零件及在盲孔中去除毛刺。

(5)磁力研磨法

通过磁力吸住磁性磨料在加工面上按程序移动进行光整加工。加工时，将铁磁性磨料和工件置于两磁极之间。在两磁极之间形成直流磁场时，铁磁性磨料形成磁性研磨刷。使磁极或工件旋转并振动，从而使研磨刷对工件产生相对运动，发挥磨削工件表面的作用，以达到去毛刺和抛光的目的。其应用面很宽，几乎不受零件的形状限制，如端面、外圆、内圆、平面、球面、曲面等都能进行研磨抛光，同时将毛刺去除。

(6)水喷射去毛刺

利用专用喷嘴中喷出的高压水所造成的冲击能量去除毛刺。该法对去除深孔和小直径孔的毛刺很有效，特别适合用于去除复杂形状零件在机械加工后形成的多种毛刺。水喷射去毛刺可去除复杂形状零件上的多种毛刺，但这种方法需专用设备，费用较高，适用于批量大的生产。磨料分级要求严格，且需控制尘埃。

二十世纪八十年代末，随着激光加工技术的飞速发展，激光加工技术的应用越来越广泛，制造业诞生了一项令世人瞩目的新技术，纳米加工及微细加工技术。也正由于激光微细加工技术的异军突起，激光去毛刺技术才得以迅速发展，作为激光微细加工技术的一个分支，利用激光光束可以聚焦成极细光斑的特点，将激光加工技术应用于毛刺去除领域的研究越来越引起工程技术人员的关注。

激光去毛刺技术的基本原理是：利用激光具有强度高、能量密度大、聚焦性强、方向性好的特点、从激光器发出的激光束经过光学装置，使激光束聚焦成不同直径的光斑，对零件上的毛刺进行扫描，可以瞬间将毛刺去除。对于不同尺寸的毛刺，可以通过控制不同直径的激光束聚焦光斑，调整激光的能量密度，最终达到去除毛刺的目的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种激光去毛刺工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光去毛刺工艺，激光器产生的光束经过光学元件聚焦后形成不同直径的激光光斑，光斑在保护气体的作用下，在直线位移平台带动下以连续扫描方式或脉冲扫描方式清洗工件表面，以去除工件表面的毛刺，包括：激光器、光学聚焦面、激光功率计、保护气体。所述的激光器包括二氧化碳激光器和YAG激光器。所述保护气体为工业用氧气和工业用氮气。激光扫描速度为2mm/s—200mm/s。

具体实施方式

实施例1

一种激光去毛刺工艺，二氧化碳激光器产生的光束经过光学元件聚焦后形成不同直径的激光光斑，光斑在工业用氧气保护作用下，在直线位移平台带动下以连续扫描方式清洗工件表面，以去除工件表面的毛刺，包括：激光器、光学聚焦面、激光功率计、保护气体。所述的激光扫描速度为2mm/s—200mm/s，激光器功率为40W，脉冲频率100HZ，脉冲宽度5ms。

实施例2

一种激光去毛刺工艺，YAG激光器产生的光束经过光学元件聚焦后形成不同直径的激光光斑，光斑在工业用氮气保护作用下，在直线位移平台带动下以脉冲扫描方式清洗工件表面，以去除工件表面的毛刺，包括：激光器、光学聚焦面、激光功率计、保护气体。所述的激光扫描速度为400mm/s，激光器功率为500W，脉冲频率200HZ，脉冲宽度2ms，采用4次循环扫描清洗。

Claims (5)

1.一种激光去毛刺工艺，其特征在于激光器产生的光束经过光学元件聚焦后形成不同直径的激光光斑，光斑在保护气体的作用下，在直线位移平台带动下以连续扫描方式或脉冲扫描方式清洗工件表面，以去除工件表面的毛刺，包括：直线位移平台、激光器、光学聚焦面、激光功率计、保护气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器包括二氧化碳激光器和YAG激光器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护气体为工业用氧气和/或工业用氮气。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光扫描速度为2mm/s—400mm/s。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的扫描方式为循环扫描，直到达到工艺的要求。