山高刀具技术前沿 | 如何对航空零件进行高效可靠的倒角毛刺处理

介绍

制造商在零件上加工特征时，使用车削、铣削和钻孔等操作。但是，这些相同的加工过程也可能在零件边缘产生毛刺和锐边。这些状况可能会导致零件在使用时发生材料断裂，从而削弱其结构，并对操作人员构成危险，许多终端用户将毛刺或锐边视为拒绝供应商零件的原因。

传统上，制造商使用手工研磨机和其它手工艺来去除毛刺和锐边。这些方法速度慢，并且需要将零件从机床上取下并重新安装以进行去毛刺或倒角操作。而且，即使由熟练工人执行，这些操作在处理不同零件时也缺乏必要的过程一致性。

机械化倒角毛刺处理（Mechanized Edge Profiling 下文简称MEP）是手动去毛刺的一种高效替代方案。MEP通过使用非标刀具在加工零件的相同设备上，来消除不合格的边缘状况。MEP流程具有多项优势：它可以通过机床的CAM系统精确设定和编程最终的边缘状态，从而确保最高的重复性。由于无需将零件从机床上卸下并重新定位，整体零件生产时间得以缩短，同时消除了因设置变化导致的公差累积和其他不一致问题。面对这一趋势，现代刀具制造商不断推出新型高效的工具，进一步提升了MEP流程的优势。

航空行业中MEP的优势

鉴于航空行业对零件精确度和一致性的要求日益提高，喷气式飞机的部件成为了应用MEP的理想选择。

以飞机涡轮发动机部件为例，它们一般分为非旋转部件和旋转部件。对于非旋转部件如鼓和壳体，MEP通常涉及标准的倒角和破边刀具，这些刀具直接应用于加工部件的设备上。

对于风扇和压缩机盘等关键旋转部件，终端用户的要求更为严格，他们要求完全消除表面的任何瑕疵。这些边缘条件通常需要通过实验室的测试和认证。为了去除这些零件上的毛刺，刀具制造商开发了一系列高精度、可完全复现的定制MEP刀具。

MEP刀具的开发

标准去毛刺和成形刀具，如应用于非旋转部件的刀具，包括带有45°和60°切削刃的涂层硬质合金倒角铣刀，以及使用可换刀片来产生45°和60°倒角的刀具。

对于最关键的应用，刀具制造商提供专门定制设计的刀具，用于在孔的入口或出口处进行边缘造型和去除毛刺。一些刀具结合了这些功能，可以去除入口和出口两侧的毛刺。

这些定制刀具通常具有复杂的槽型。能够在切削边缘产生倒角的同时，通过设计引导角度来防止二次毛刺形成的边缘设计。

专业刀具开发不仅限于切削刃本身。对于在孔入口或零件顶面的毛刺和边缘进行造型，研究表明，右旋切削与右旋螺旋的结合最为有效，因为这有助于将切屑从零件上移除。另一方面，对于部件底面的出口毛刺，右旋切削与左旋螺旋的结合效果最佳，因为这种配置能够将切屑从部件上移开。

其他应用分析显示，专为在孔的顶部或入口处去除毛刺而设计的MEP刀具，其使用寿命通常长于那些用于在通孔底部或出口端去除毛刺的刀具。这是因为，设计用于穿过零件到达孔出口的去除毛刺刀具，其长度会更长，直径更小。这样的刀具更容易出现不稳定和振动，这些问题都可能导致硬质合金刀具破损或断裂。因此，大多数车间更倾向于使用不同的刀具分别处理孔的入口和出口边缘，而不是使用一个刀具同时完成这两个任务。

更长、直径更小的刀具在选择切削参数时也需要更加谨慎。短而坚固的刀具可以更快地运行，而不会出现振动或其他问题。零件的几何形状和特征也会产生影响。当切削条件稳定，且切削顺畅无中断时，可以采用更积极的切削参数。另一方面，如果零件特征（如进入孔）打断了MEP的切削路径，就需要使用更保守的参数来最小化刀具磨损并防止刀具过早失效。

MEP刀具的持续开发部分涉及到将特征加工与去毛刺相结合的工具。例如，MEP的切削刃将位于端铣刀的顶部，这样它可以同时加工孔的直径并去毛刺入口边缘。

材料挑战

对于加工大型孔和边缘，刀具制造商可以设计出任何尺寸的刀具，只要供应商能够提供足够大的毛坯。然而，在尺寸较小的一端，存在一定的限制。目前能够研磨的最小半径大约是0.2毫米，相应的引导角度也更小。

非标定制的MEP刀具具有特定的半径、倒角、角度以及这些特征的各种组合。这些刀具通常具有方形的切削边缘。然而，球头和棒棒糖型刀具也是可用的，用于造型那些限制方形边缘MEP刀具进入的部件特征。在五轴机床上应用时，这些刀具可以扫描复杂部件轮廓的线条，并在长曲边上创建半径。

MEP加工的过程

为了提高加工准确性和一致性，并节省零件在多台机器间转移的时间，制造商通常将MEP作为实际零件特征加工操作的一个环节来执行。

通常，去毛刺工作会在所有机加工操作完成后进行。CAM程序会指导MEP刀具按顺序对所有孔进行去毛刺和倒角处理。一些MEP刀具可用于去除多种孔的毛刺，而一些轮廓加工刀具可以应用于三个或四个不同的位置或特征，例如孔的底部以及圆弧轮廓的底部。

为确保边缘轮廓加工在正确的位置进行且加工量适宜，必须在MEP操作开始前定义或测量涉及的孔或特征。当零件的公差非常严格时，零件表面的位置已经很好地定位，因此过程中可能无需测量。然而，当公差较大时，初始加工后需要进行测量，以确定要加工的边缘或特征的位置。

此外，还必须测量并定位刀具本身，以确保它能正确地对零件进行轮廓加工。由于刀具半径非常小——从实际操作角度来看，几乎无法测量——因此CAM程序中指定的是刀具的长度。操作员可以在机器外部使用预调器或在机器上通过激光或探针来确认刀具的长度。进给速率是根据零件特征和刀具的测量尺寸来计算的。最先进的定制去毛刺刀具由制造商100%测量，刀具轮廓的公差包括跳动在内为40微米。

去毛刺或倒角操作应被视为一种精加工过程，主要关注的是质量。生产效率始终很重要，但对于成本数十万欧元的航空航天部件来说，尤其如此，过度追求刀具的最大产出可能会带来负面且昂贵的后果。一致性、可靠性和避免废品的发生才是至关重要的。

MEP加工案例

使用MEP减少了303不锈钢部件的循环时间

一家制造商正在一台双主轴机床上生产303不锈钢部件。随着部件体积和批量大小的增加，对生产效率的需求也随之增长。操作不平衡且耗时——90%的加工在主轴中进行，而且需要手动去除外侧毛刺，这需要额外的设置。当制造商在机器的副主轴中应用了定制设计的硬质合金MEP刀具时，它能够同时加工部件法兰螺栓孔的两面。两个主轴之间的加工时间变得更加平衡，循环时间显著减少。使用MEP刀具还消除了手动去毛刺和额外的设置所需的时间和需要。

使用MEP进行圆角边缘处理，零件寿命提升3倍

另一个案例涉及到在倒角（平面）边缘处理和圆角（圆弧）边缘处理之间的选择。有些零件并没有具体要求必须使用哪种风格的刀具来处理边缘。然而，一家制造商发现，当使用圆角代替倒角时，零件的寿命是倒角处理部件的三倍。在刀具选择上的微小差异显著提高了部件的质量。

使用MEP消除TiAl-4V风扇盘的表面处理问题

最后，一个关于TiAl-4V风扇盘的航空航天制造操作提供了一个应用MEP轮廓加工刀具的例子。一家制造商之前一直在使用装在凸轮适配器中的硬质合金成型刀具来加工这个盘。盘和槽圆角周围的表面光洁度在随机位置都很差，这个问题不一致，严重性和频率各不相同。制造商应用了一种直径10毫米、10齿的中心切削棒棒糖式涂层硬质合金刀具，带有30度右旋螺旋。这种刀具消除了表面光洁度问题，并且能够在较短的时间内完成盘的两面加工。

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带有超出规格的锐边和毛刺的零件被视为昂贵的废品。这在航空航天行业中尤为明显，但在医疗、能源等一些关键应用领域中也正在成为一种增长趋势。制造商需要一种一致、可记录和成本高效的去毛刺和倒角加工零件边缘的方法。MEP满足了这一需求，因为它取代了手动操作。

手工操作无论这些操作多么熟练，都可能在零件之间不一致，并且在人力成本、设置和零件处理费用方面成本高昂。一些终端用户已经禁止了手动去毛刺，因为它无法记录和认证。

有效且具成本效益的MEP代表着工程开发和专业知识的结合。提供这种全面解决方案的刀具制造商（举个栗子：山高刀具）将帮助简化航空航天制造过程（以及其他关键行业中的类似过程），并产生新的质量和生产率水平。

（ 山高刀具）

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