边缘精加工——产品增强还是成本浪费？

边缘准备对于很多零件来说都是至关重要的；事实上，边缘预处理绝对可以提高产品质量

边缘精加工在制造业中是一个相对较新的术语。这是对许多过去称为去毛刺、边缘珩磨、边缘准备、边缘准备、去毛刺、倒角或边缘融合的全新且更深入的关注。边缘精加工超出了这些定义中的任何一个。去毛刺通常被管理人员认为是浪费精力，错误地带有负面含义。事实上，去毛刺和边缘精加工工艺为零件带来了许多好处——它们创造了非常理想的边缘质量——大多数产品所需的质量。

显然，用户不想要毛刺，但大多数人真的不想要完美锋利的“无毛刺边缘”。大多数用户都希望组装正确的光滑边缘既简单又容易——也许是自动的——以及不会导致过早失效的边缘。许多去毛刺工艺提供的正是这一点——确保长寿命的高质量边缘条件。但很少有用户会问这样的问题：“如何通过提高零件边缘的质量来延长我的产品寿命？”

考虑一下完全没有毛刺但具有完美方形、锋利边缘的零件。除了可能焊接组件之外，这些部件对于组件来说是不可接受的。这些“无毛刺”、完美锋利的边缘会切割电线、导致镀层堆积、加剧 RF 中断、切割配合部件、凿出堆叠在它们上面或与其接触的部件、产生高应力、缩短疲劳寿命等。结果，即使没有毛刺，公司也必须修整边缘（提高边缘质量）以提高性能。

根本问题不是毛刺，而是公司想要什么样的边缘质量，以及他们愿意做出什么样的权衡使两者兼得必要的性能和低零件成本。 “边缘精加工”和“去毛刺”在其最完整的上下文中是同一需求的两种不同观点——提供客户需要或想要的边缘。

什么是边缘质量？作为通用领域，边缘质量的定义很少。 “边缘质量”是一个通用术语，表示零件边缘（即两个表面的交点）所需的条件。它不同于表面特性和体积特性。然而，构成边缘质量的元素与零件的其余部分具有一些相同的特征，特别是几何或拓扑以及表面完整性。表面完整性实际上包括许多次表面问题，从标题为边缘质量属性的边栏中的列表可以看出。

完整的问题列表比边栏中的更​​广泛，并且取决于被加工的材料。我的书批量精加工手册，可用来自 SME 的 e 列出了用户希望避免的 42 种不同的缺陷，除了三个缺陷外，所有缺陷都出现在边缘和其他零件表面上。

Koya Takazawa 是最早讨论该术语的人之一他早期在丰田空调压缩机方面的工作成果。精确控制关键部件的边缘配置可显着提高压缩机效率 (5–15%) 和其他产品的性能。表面完整性问题会影响零件的静态和动态寿命以及强度。

传统的金属切削和打磨都会在表面下方留下残余应力。拉伸应力通常会导致早期零件失效，而压缩应力会提供抑制拉伸载荷的约束应力。换句话说，对于大多数应用，表面以下的压应力会增加零件寿命，并可能会稍微提高零件强度。读者可以通过轻轻抛光零件样品来了解机械加工引起的这些残余应力的影响，并查看零件边缘附近的应变线。几乎在每种情况下，金属颗粒都被拉伸成弯曲的线条。金属的变形会产生残余应力。通过加工带有圆形或磨损切削刃的黄铜，最容易看到这种情况。扰动层的深度可以用公式y~1/3(F/K)来近似，其中y是具有残余应力的层的深度，F是每单位宽度的合成切削力的大小，并且K是静态材料屈服剪切应力。

刀具行业是刃口精加工最先进的研究者之一，每年花费数千万美元用于刀具刃口的精加工。几千年来，工具制造商一直在以某种方式对刀具的刀刃进行打磨，而刀刃“打磨”在 1970 年代成为刷打磨和抛光的标准。边缘配置从锋利的（磨光的）、磨光的（圆角的）、倒角的、倒角和磨光的，到具有各种不同的边缘配置与边缘相邻的土地。正确精加工刀具刃口可减少刃口崩刃和后刀面磨损，从而延长刀具寿命。正确的切削刃还可以减少工件的犁削（这会导致较小的力）、改善表面光洁度并减少加工产品中的残余应力。正确的边缘准备取决于刀具材料特性、工件特性、加工参数和涂层的许多变化。

工业现在使用的 109 种不同的去毛刺和边缘精加工工艺中的每一种都产生了独特的组合的边缘条件。例如，用填充磨料的纤维进行刷洗，广泛用于去除切削刀具刀片上具有破坏性但微小、锋利边缘的变化。简而言之，锋利的磨削刀片边缘必须稍微倒圆角。大多数（如果不是全部）切削刀具刀片都经过自动刷光，以低成本提供均匀的半径。在这个行业中，刷牙以提供所需的边缘半径而著称——这是一个提高零件质量的工艺——边缘的更均匀性转化为更长、更均匀的刀具寿命。

切削工具制造商还发现，高能批量精加工工艺转化为转化为有益的更高次表面压应力，从而延长刀具寿命。根据 Walther Trowal（德国哈恩）的说法，当立铣刀被提交进行拖动精加工时，它们的寿命翻了一番。更长的使用寿命是去除锋利边缘的直接结果，以及统一的半径生成和平滑的凹槽以允许更容易的切屑流动。在此应用中，产生的边缘半径可控制在 15 至 60 µm ±0.5 µm 范围内。 3.5 分钟的运行时间使刀具寿命延长了一倍多。

如今，其他公司正在研究离心机筒和涡轮磨料工艺，甚至高频振动精加工以提高凹槽刀具寿命.这些过程的一些好处被认为是不仅是表面改善的结果，还有更好的压缩残余应力引起的地下问题。据报道，立铣刀、钻头、铲形钻头、拉刀、滚刀，甚至圆锯片都通过一些松散磨料或批量精加工工艺进行精加工。还使用细磨料浆料，橡胶轮中浸渍的磨料、手工石磨以及干法和湿法喷砂。

适用于硬质合金刀片行业的情况不一定适用于其他切削工具。如上所述，大多数硬质合金刀片刀具不需要完美锋利的边缘，但非常需要单晶金刚石 (SCD) 刀具上的锋利边缘。它们可以赋予铝镜面光洁度。为什么工具材料之间存在差异？碳化物由许多压在一起的小颗粒制成，而单晶工具——顾名思义——由单晶制成，剪切或研磨时边缘缺口少得多。

多晶金刚石(PCD) 工具通常在 50 倍放大倍率下进行检查。 ST&F Precision Technologies & Tools（Arden, NC）的 Dave Novak 指出：“当 50 倍放大倍率是验收标准时，经过研磨的 PCD 可产生的最佳光洁度为 15–50 µm Ra，但在 150 倍放大倍率下经检查无刻痕的工具可以产生 10–14 Ra 表面。相比之下，SCD 工具可产生 4 µm 的光洁度，因为它们在边缘没有微小间隙和刻痕。 SCD 工具上锋利的边缘用于制造特殊的金属镜和光学透镜。”在 15,000 倍放大倍数下观察时，一些单晶工具没有显示出明显的边缘圆度。

用弱酸进行电解抛光可以提高许多手术器械的表面光洁度。例如，皮下注射针经过数以百万计的电解抛光以使其表面光滑，并去除任何毛刺或小碎片而不会产生大半径。当针头进入您的手臂时，大半径会产生更多疼痛。

其他医疗应用包括使用 NaCl 和 NaNO3 进行电化学边缘精加工。最近的研究表明，该工艺可有效用于医用钛夹和手术钢刀，以及其他钛和不锈钢产品。与典型的电化学去毛刺 (ECD) 不同，最近的工艺利用 ECD 和先进的可编程控制器来提供定制波形（不对称、中断的电压波形）。基于电化学的工艺都有一个对许多应用有用的独特特性——它们不会引入任何残余应力。它们通常会消除有害的拉伸应力，同时消除尖锐的突起。据报道，该工艺可在 2 秒内完成刀刃加工。

磁性研磨加工可提供更精细的表面光洁度，同时从零件上去除 EDM 重铸件而不损坏任何表面。磁力研磨精加工可产生 0.4 µm Ra 的光洁度，而大量精加工工艺引用了 abo我们提供 4–8 µm 光洁度 (Ra)。如有必要，磁性方法还允许从表面去除小至 0.000001 英寸（0.000025 毫米）。

边缘质量不仅是外部边缘的问题，对于许多内部孔也是如此。燃料喷射口取决于喷嘴配置，许多孔口也是如此。孔口影响下游的压力和速度，以及喷雾模式。这些孔口中的每一个都具有明确定义的边缘条件。边缘半径或形状、硬度、抗侵蚀性和粗糙度都是频繁使用的注入端口或孔口的问题。例如，柴油喷射喷嘴使用直径为 100–200 µm 的孔，孔的直径为 0.1–0.4 µm Rasurfaces。入口也需要这样的精密饰面。这些部件上错误的边缘配置不仅会影响燃油效率，还会影响空气中的排放物。边缘会影响通过孔的压降以及从孔中流出的流体流的实际尺寸乐。我的锪孔手册（可从 SME 获得）描述了仔细控制孔边缘的 27 个好处。

通常对疲劳寿命样本进行边缘平滑处理，以消除边缘效应对寿命的影响。测试样本的锐利边缘可能会提供有关新项目的误导性耐久性信息。例如，ASTM 建议对这些样本使用 0.006 英寸（0.152 毫米）的半径。

钣金边缘有时会凹陷或压花以产生压应力。据报道，飞机材料的压印边缘将疲劳寿命提高了四倍。这两种方法可以产生多种边缘配置，但好处在于增加产品的使用寿命，而不是传统的边缘形状。

Data by R.E.科恩，D.K.科罗拉多矿业学院（Golden, CO）的 Matlock 和 G. Krauss 表明，与方角相比，圆形边缘在渗碳后产生更均匀的表面硬化深度。四舍五入的边缘允许均匀的汽车减少疲劳数据分散的良好扩散。他们 1992 年的工作对方形和圆形边缘样品之间的冶金差异提供了一些见解。与圆形样品相比，方角样品在边缘保留的奥氏体多近 50%。方形边缘的边缘硬度低于圆形边缘，耐久极限比圆形样品低 13%。

许多零件的边缘精加工需要高精度，但很大一部分工艺用于完成边缘不需要高精度工具来完成。刷光和大量精加工是保形工艺；它们符合零件位置或公差的细微变化。他们不需要精确的控制策略来提供精确的结果。有些可以去除失去光泽、光滑的表面和边缘，并提供其他部件优势。简而言之，边缘精加工不仅仅是去除毛刺，它还能使产品正常运行，并在其预期使用寿命内持续使用。一些工艺提供软状态或绿色状态期间所需的边缘，而其他工艺仅针对非常硬的边缘执行此操作。

许多零件的要求比上面表达的要多。它们只需要简单地组装成复杂的机制，而圆角或倒角有助于组装。因此，对这些零件进行边缘准备（而不是仅仅去毛刺）可以提高后续操作的质量。适当的边缘可以减少射频辐射和串扰，防止电镀堆积，并减少腐蚀的机会（因为锋利的边缘就像电流的天线一样加速腐蚀）。光滑的边缘显着提高了钣金零件的可成形性，薄铝板中的凹坑埋头孔边缘可将疲劳强度提高多达 58%。

边缘质量的属性

• 可接受的边缘几何形状
• 没有毛刺
• 正确的半径、倒角、锐度或其他形状
• 沿整个边缘的均匀性
• 缺边排屑、断裂或任何类型的损坏
• 可接受的边缘表面光洁度
• 可接受的表面纹理
• 无异物表面涂抹材料
• 无外来嵌入材料
• 可接受的地下完整性
• 无裂纹
• 存在适当的残余应力（通常是压缩应力）
• 无熔融金属或塑料
• 没有热影响区
• 没有“白色金属”
• 没有金属污迹
• 正确的形态
• 正确的结构
• 正确的晶粒取向
• 不受结晶影响
• 不受化学变化影响
• 不受化学影响或物理吸收
• 免于氧化、水合或污渍
• 整个边缘的所有属性均一（除非另有定义）

这文章首次发表于 2009 年 6 月版的《制造工程》杂志。