粉末冶金零件毛刺的产生原因与去除技术*

吴松，陈其玲，马少波，李其龙，徐伟

（1合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；2安徽省粉末冶金工程技术研究中心，安徽合肥 230009）

专论与综述

粉末冶金零件毛刺的产生原因与去除技术*

吴松1，陈其玲1，马少波1，李其龙2，徐伟2

（1合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；2安徽省粉末冶金工程技术研究中心，安徽合肥 230009）

毛刺的产生严重影响精密粉末冶金零件的使用性能，限制了粉末冶金零件的应用范围。从模具的装配间隙、模具的制造精度、模具的损坏、模具的安装与使用以及设备的精度等5个方面系统分析粉末冶金零件毛刺的产生原因；对比分析了滚磨、光饰、喷砂和热能几种常用的毛刺去除技术；对粉末冶金零件的毛刺去除技术提出了建议。

粉末冶金；毛刺；去除技术

1 前言

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［1-2］。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。

2 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［3-4］。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。

2.1 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。

图1 制作压溃强度试样的成形模具

2.2 毛刺产生的原因

2.2.1 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［5-6］。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。

图2 模具的间隙与表面粗糙度的关系

2.2.2 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。

2.2.3 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。

2.2.4 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。

2.2.5 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。

3 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。

4 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。

表1 常用去除毛刺方法能力比较

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［7］。

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［8］。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。

5 结语

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［7］。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。

［1］韩凤麟.粉末冶金—公认的绿色制造技术［J］.现代汽车零部件，2010（11）：26-29.

［2］刘咏，黄伯云，龙郑易，等.从PM2004看世界粉末冶金的发展现状［J］.粉末冶金材料科学与工程，2005，10（1）：10-20.

［3］徐庆仁，刘淑敏.国外去毛刺技术的发展现状与动向［J］.国外导弹与航天运载器，1991（1）：35-43.

［4］黄培云.粉末冶金原理［M］.2版.北京：冶金工业出版社，1997.

［5］张华诚.粉末冶金实用工艺学［M］.北京：冶金工业出版社，2004.

［6］于伯忠.粉末冶金从动齿轮去毛刺有限元分析［J］.工艺与装备，2001，19（5）：37-40.

［7］于伯忠.粉末冶金产品毛刺机械去除机理分析与实验研究［D］.上海交通大学，2001.

［8］刘斌，彭满华，邹仕放.制品表面毛刺去除技术综述［J］.表面技术，2010，39（5）：107-109.

Study on Causesof Burrsand Deburring Technology in thePowder Metallurgy Parts

WU Song1,CHEN Qiling1,MA Shaobo1,LI Qilong2,XU Wei2
（1 School of Mechanical And Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China；2 Anhui Center of Powder Metallurgy Engineering and Technology,Hefei 230009,China）

The existence of burrs has great influence on the quality,performance and application scope of powder metallurgy parts. This article systematically discussed and analyzed the produced cause of burr on power metallurgy part from five aspects included mold assembly gap,mold manufacturing precision,mold damage,mold installation and precision of equipment and also comparatively analyzed some of the commonly used techniques for deburring such as roll grinding,polishing,sandblasting and heating.In addition, the potential developments of deburring of powder metallurgy parts are put forward in this paper.

powder metallurgy;burr;deburring technology

TF124

文章编号：1004-4620（2014）04-0004-03

科技部中小企业创新基金项目（11C26213401950）

2014-05-14

吴松，男，1990年生，现为合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生，从事机械设计、粉末锻造方面的研究工作。