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行业资讯|粉末冶金零件毛刺的产生原因以及去除技术

日期: 2017-12-09
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粉末冶金是绿色制造技术,具有高质量、高效率、低成本的特点,已广泛应用于机械、电子、自动化和航空航天等领域。随着工业化和自动化水平的提高,对机械零件的制造精度要求越来越高,使用条件要求越来越苛刻,毛刺逐渐引起高度重视,去除毛刺成为零件加工过程中的关键工序。

一、毛刺产生原因

毛刺的产生与零件的设计和制造方法有很大关系。粉末冶金是以金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合)作为原料,经过成形和烧结制造金属材料、复合材料及各种类型制品的工艺过程。粉末零件压制模具的设计、安装粉坯成形过程,将直接影响到粉末冶金零件的表面质量。

1、模具结构

粉末冶金模具一般包括4部分,例如用于制作压溃强度试样的成形模具,即由上模冲、下模冲、芯棒、阴模组成,如图1所示。

行业资讯|粉末冶金零件毛刺的产生原因以及去除技术

2、毛刺产生的原因

(1)模具的间隙

粉末冶金技术是一种金属粉末模压成形技术,模具的阴模与模冲、模冲与芯棒之间的相对滑动必然存在配合间隙,当金属粉末或精整烧结坯件在模具中受到压力而成形时,会产生流动或塑性变形。成型件在模具配合间隙处,产生的填充效应,是造成毛刺的根本原因。当间隙在0.008mm左右时,零件的直线、棱角部分会出现毛刺;当模具间隙达0.002mm时,就易出现锐边毛刺。粉末冶金件的毛刺会随着间隙的变化而变化,而模具的间隙还依赖于加工表面粗糙度的变化,如图2所示,当Ra值从0.2增加到0.8,间隙从0.002mm增加0.008mm。这类毛刺均匀分布在零件周围,零件表面粗糙度好。

行业资讯|粉末冶金零件毛刺的产生原因以及去除技术

(2)模具的精度

粉末压制多采用容量装粉法,模具表面与粉末直接接触,细小的粉末颗粒,易进入模具间隙中,形成多体摩擦。在生产实践中,模冲与阴模、模冲与芯棒之间的间隙是动态变化的,粉末颗粒就会随着模具间隙的变化而变形,从而产生加工硬化,增加了粉末颗粒的硬度和耐磨性。虽然模具具有较高的硬度和耐磨性,但模具间的粉末颗粒在加工硬化以后,当模具间隙进一步缩小时,模具的表面就会留下细微划痕。随着磨损的加剧,模具表面粗糙度降低,增大了粉体与模具的摩擦力,在脱模的时候易出现毛刺,甚至不能成形。另外,模具的精度或制造精度(如圆柱度、垂直度等),也会对产品的质量产生一定影响。毛刺的形态视模具表面质量而定,一般零件的表面粗糙,没有金属光泽。

(3)模具的损坏

粉末冶金零件常常有倒角,为了减少后续机械加工,节约成本,在设计模具的时候就把倒角加在模具上,这样模具上易出现薄边,甚至尖角,在这些地方易损坏。由于模具形状复杂,制造费用较高,所以经常在不影响产品最终质量的前提下(即粉末冶金毛坯的缺陷在以后的工序中可以消除,不影响产品的出厂质量)依然服役,就会出现飞边毛刺,毛刺的形状比较规则,存在于模具缺陷处。

(4)模具安装与使用

模具安装一般由下向上,由里向外安装,依靠模具本身的配合进行定位。由于模具配合间隙的存在,在安装和调试模具的时候,就不能保证配合间隙的均匀分布,间隙大的一侧,易出现毛刺,间隙小的一侧,易产生干摩擦而导致局部粘着磨损;其次,由于安装本身的缺陷,模冲在运行时受力不均匀,在巨大压力的作用下,易产生微小的横向移动,导致间隙向一个方向增大。特别是在成形异形件时,由于模具压力中心跑偏与机床压力中心不重合而失稳,不仅产生较大的毛刺,而且还加速模具的磨损损坏,对设备的精度也会有一定的影响。这些问题会产生局部形状不规则毛刺。

(5)设备的精度

模具的运行精度除了依赖模具本身的设计、制造精度,模具的安装调试外,还与成形设备本身的精度有关。模具按照要求安装在模架上,在运行过程中上下模冲的导向,以及模架本身的导向,决定着模具的运行状态。在成形多台阶的零件,往往需要3~5个模冲,设备的精度显得尤为重要。设备精度不足,导致模具的使用工况恶化,促使了毛刺的产生。另外,如装粉高度超过了设备的行程范围,压制压力过大导致设备吨位不足等,导致设备运行不稳定,也会产生毛刺。这类毛刺多随机分布于零件的表面。

 

 二、毛刺对产品质量的影响

由于粉末冶金产品加工的特点,毛刺无法避免。对毛刺和飞边要求严格控制在一定的范围内,过大者必须设法去除,否则对产品的质量和性能产生不良影响,主要体现在以下5个方面。

1、影响产品的定位性能。粉末冶金多采用纵向压制,产品的侧面成形能力差。对于侧面含孔的零件,往往需要机械加工。毛刺的存在必然导致定位误差,从而影响孔的加工精度。对于精度要求比较高的零件,必须在机械加工之前,去除毛刺。此外,毛刺还影响了零件的检测精度。

2、影响产品的装配性能。对一些装配要求较高的结构件,由于毛刺的存在易造成配合零件的干涉和卡死,如电机衬套、汽车减震器的导向套、底阀座、活塞等,毛刺的存在直接影响装配要求。

3、影响产品的使用性能。机械运行过程中,在摩擦力的作用下,毛刺易脱落,加剧磨损,造成零件的早期失效。在液压系统中,脱落的毛刺随液压油一起进入液压系统的回路中,影响了液压系统的正常运行,出现爬行、抖动现象。

4、影响产品的表面质量。毛刺影响产品表面的光洁度,在对表面质量要求比较高场合,导致零件的不合格,如某些齿轮泵侧板由于零件未去除或去除不干净的毛刺而不能使用。

5、影响产品的热处理性能。带有毛刺的零件经热处理时,容易应力集中,产生裂纹,致使零件疲劳强度降低。这对于承受高负荷和高速运动的零件不能忽视。

 

三、毛刺去除方法

目前,采用手工操作的方式去除毛刺在相当大的范围内依然存在,使用的工具主要有毛刷、锉刀、刮刀等,存在2个方面的缺点:

1、去除毛刺的质量难以控制,凭操作经验判断;

2、生产效率不高,每次只能加工1个产品,劳动强度大,生产成本高,难以实现大规模生产,主要用于新产品试制、小批量生产,以及在烧结前去除由模具本身缺陷造成的飞边。

机械加工零件去除毛刺的方法有很多,选择时应与工厂生产实际相结合,既要考虑零件的材质、毛刺大小和部位,又要考虑去除毛刺方法的原理和经济性。几种常用去除毛刺方法的能力综合比较如表1所示。

 行业资讯|粉末冶金零件毛刺的产生原因以及去除技术

1、滚磨去毛刺

通过转动的毛刷带动工件旋转,或者毛刷与工件的旋转由不同的电机驱动。在滚动过程中,毛刷对工件上的毛刺产生载荷作用使毛刺脱落,从而达到去除毛刺的目的。该法应用范围较广,合理选择毛刷的材质和旋转速度等参数,可以加工不同精度的工件。主要用于结构简单的回转件和薄板件,如齿轮、摆线转子、侧板等。其关键技术为在多大载荷和何种载荷方向下能够获得最好的效果。

2、光饰去毛刺

光饰机主要分为振动光饰机、离心光饰机、磁力光饰机、流动光饰机、滚桶光饰机共5大类,其中振动光饰机、滚筒光饰机已广泛应用于粉末冶金行业。振动光饰机通过振动电机做激振源,使工作筒体产生三元振动,将工件与研磨石或钢珠、研磨剂等密切均匀混合,随着机器高频率的振动,工件和研磨介质呈螺旋涡流状滚动,以研磨切削或抛光工作物表面。磨料选择根据零件的材料、硬度、形状及表面粗糙度等级而定。滚筒光饰机采用水平式回转桶,桶内分有无披覆内衬,内桶覆PU胶,可耐酸碱、耐磨,又可防工件碰撞。桶内无披覆内衬,加强了切削力,磨削效果更加明显,适用于粉末冶金淬火件。桶身可任意回转,有适当的斜度,下料方便,是研磨抛光机中较经济的抛光机。

3、喷砂去毛刺

喷砂是采用压缩空气为动力,以形成高速喷射束,将喷料高速喷射到需要处理的工件表面,利用磨料对工件表面的冲击和切削作用,使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,以改善工件表面的机械性能。如对淬火后的弧齿伞齿轮进行喷砂处理,不仅提高了表面光洁度,而且提高了其表面抗疲劳强度。

4、热能去毛刺

其原理是将需要去毛刺的工件放在具有足够强度的密封容器类,然后送入一定比例的预混合可燃气体,经火花塞点燃产生瞬间高温去除工件表面的毛刺。该法毛刺去除效率高、效果好,不会影响零件的金相组织,适用范围广,但成本相对比较高,主要应用于结构比较复杂、精度要求较高的零件。

 

四、粉末冶金零件去毛刺工艺

粉末冶金零件因其工艺和材质的特性,力学和机械性能等方面与机械加工零件相比,有很大的差异。具体体现在去毛刺的方法、过程与设备上。为了提高生产效率,提高产品的质量,大部分企业都在寻求好的去除毛刺方法,建议从以下几方面入手。

1、采用现代设计方法,优化模具的结构。根据粉末的特性,零件的结构和模具的材质等,合理控制模具的间隙。

2、对模具进行表面处理,增加耐磨性。随着模具磨损,表面光洁度降低,间隙增大,可采用电镀等方法修复模具,保证模具的表面光洁度和配合间隙。

3、借用机械加工金属材料零件去毛刺的成功经验;从加工实用性出发,凭借已有的经验进行现有设备改造;与高校或者设备制造企业合作,开发适合更多粉末冶金行业运用的专用设备。


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