AFA 3G 連接柄指桿制造工藝優(yōu)化

徐 超 甘 露 黃 帆

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644600）

指桿是AFA 3G 控制組件連接柄的主要組成部分，該零件是由不銹鋼棒料通過車削、銑削加工而成。指桿的制造工藝復(fù)雜且制造難度高，制造過程中不銹鋼棒料加工變形大，所以指桿的連續(xù)生產(chǎn)可行性小[1]。由于指桿內(nèi)孔加工屬于深孔類加工且零件精度要求高，所以在加工過程中前序刀具加工后鐵屑極易殘留在零件孔內(nèi)，這將會(huì)造成后續(xù)刀具在加工時(shí)被殘留鐵屑擠斷的現(xiàn)象。此外，加工過程中冷卻不到位也是造成刀具斷裂的主要原因。實(shí)際生產(chǎn)表明，斷刀現(xiàn)象是制約零件連續(xù)加工的主要原因[2]。在指桿的制造過程中，銑刀斷裂和刀具纏屑導(dǎo)致的內(nèi)孔加工困難、絲錐斷裂的情況經(jīng)常發(fā)生，這使得產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得不到保證[3]。

目前，筆者公司能滿足該零件加工條件的設(shè)備主要有：HARDING TT42、EMCO HT45[4]和DMG SPRINT50。利用現(xiàn)有設(shè)備，通過總結(jié)原本的加工經(jīng)驗(yàn)，本文重新計(jì)算加工參數(shù)并設(shè)計(jì)了新的加工刀具，由此解決了加工過程中存在的刀具斷裂問題，優(yōu)化后的指桿加工工藝實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，不僅節(jié)約了刀具的使用成本，還降低了產(chǎn)品報(bào)廢率[5]。

1 AFA 3G 連接柄指桿加工工藝

AFA 3G 連接柄指桿零件圖如圖1 所示。控制棒上端塞與指桿螺紋連接，先釬焊到翼板上，再釬焊到筒體上，最終形成柄體部件。AFA 3G 連接柄指桿加工工藝流程如下：車棒料外圓→銑刀銑平面→鉆外徑中心孔、銑刀工藝孔→銑刀粗銑U 型槽→精銑U 型槽→鉆端面中心孔→鉆孔、銑刀擴(kuò)孔→鉸刀鉸孔、攻內(nèi)螺紋→重新裝夾車端部錐面。

圖1 AFA 3G 連接柄指桿零件圖

2 制約指桿連續(xù)加工的主要問題

對現(xiàn)有的指桿加工工藝與實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)指桿生產(chǎn)工藝仍然存在較多不足[6]。通過實(shí)際生產(chǎn)過程的反饋，制約AFA 3G 控制組件連接柄指桿實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工的主要問題是刀具在加工過程中的不正常斷裂，除此之外，指桿制造所使用的銑刀在銑槽時(shí)容易發(fā)生斷裂。同時(shí)，不銹鋼棒料在孔加工時(shí)產(chǎn)生的鐵屑不容易自動(dòng)排出，鉆頭鉆削時(shí)排屑不暢，銑刀擴(kuò)孔和鉸刀加工時(shí)鐵屑容易殘留在孔內(nèi)，攻絲時(shí)鐵屑會(huì)纏繞在絲錐上，需要手動(dòng)清理，否則就會(huì)出現(xiàn)絲錐被擠斷的現(xiàn)象，進(jìn)而影響下一道工序。因?yàn)榧庸ね陠蝹€(gè)指桿后，還需要檢查刀具是否完好，因此單件生產(chǎn)周期為15 min。

結(jié)合筆者公司實(shí)際生產(chǎn)情況，指桿加工過程中刀具斷裂位置主要有兩個(gè)：一是在加工3.65×51.18 mm槽時(shí)銑刀斷裂；二是在加工內(nèi)孔時(shí)刀具斷裂。

2.1 銑削槽3.65×51.18 mm 刀具斷裂原因分析

圖2 為U 型槽俯視圖。數(shù)控車削中心加工長U型槽時(shí)，車削中心主、副軸共同夾持零件外圓，用?3.5 mm 銑刀粗U 型銑槽，零件從?9.16 mm 外圓銑扁至7.91 mm，即U 型槽加工余量為7.91 mm。在加工過程中，刀具始終處于滿刀切削的狀態(tài)，如果在切削過程中一次性把U 型槽銑通，將會(huì)造成銑刀吃刀量過大、切削深度過深，反而不利于加工，故U 型槽粗銑時(shí)分為兩半加工。

圖2 U 型槽俯視圖

如圖3 所示，粗銑U 型槽第一半時(shí)，銑刀加工產(chǎn)生的切屑會(huì)殘留在槽內(nèi)，同時(shí)由于冷卻液沖刷壓力不足，切屑排除不順暢，就會(huì)造成銑刀加工時(shí)銑刀擠屑，產(chǎn)生銑刀斷裂現(xiàn)象。

圖3 粗銑槽第一半

如圖4 所示，粗銑U 型槽第二半時(shí)，雖然切屑容易排除，但由于零件中間部分被切空，造成零件自身剛性減弱，切削過程中出現(xiàn)震動(dòng)、彈刀的現(xiàn)象，長時(shí)間加工會(huì)導(dǎo)致銑刀斷裂，如圖5 所示。

圖4 粗銑槽第二半

圖5 銑刀斷裂情況

根據(jù)筆者公司實(shí)際生產(chǎn)中的加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每把銑刀加工產(chǎn)品數(shù)量在50～90 件時(shí)，銑刀斷裂情況就會(huì)發(fā)生。

2.2 內(nèi)孔加工時(shí)刀具斷裂分析

在加工內(nèi)孔部分時(shí)，?5.5 mm 鉆頭和6.35-28 UN-2B 絲錐常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。根據(jù)筆者公司實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生的鉆頭斷裂情況逐步分析，總結(jié)出在加工過程中?5.5 mm 鉆頭斷裂的主要原因是切削參數(shù)不合理和刀具排屑槽短，影響切屑正常排出，導(dǎo)致?5.5 mm 鉆頭斷裂；而造成6.35-28 UN-2B 絲錐斷裂的原因有2 個(gè)：一是絲錐在加工時(shí)，自身加工所產(chǎn)生的切屑未及時(shí)排除，在下一次加工時(shí)，絲錐由于切削阻力變大，造成絲錐斷裂[7]；二是在?7.14 mm內(nèi)孔鉸孔時(shí)，鉸刀所產(chǎn)生的切屑?xì)埩粼诳變?nèi)，在下一工序攻絲時(shí)切屑阻礙絲錐造成絲錐擠壓斷裂。

2.2.1?5.5 mm 鉆頭斷裂分析

圖6 為?5.5 mm 鉆頭的加工示意圖。在加工內(nèi)孔時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，需要盡量提高切削參數(shù)值，采用經(jīng)驗(yàn)法對切削參數(shù)進(jìn)行選擇，確定主軸轉(zhuǎn)速n=3 500 r/min， 進(jìn)給量F=0.09 mm/r。

圖6 ?5.5 mm 鉆頭的加工示意圖

根據(jù)切削速度計(jì)算公式：

式中：Vc為切削速度，m/min；D為加工棒料直徑，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)算可得，?5.5 mm 鉆頭的切削速度：

而?5.5 mm 鉆頭加工不銹鋼的切削速度參數(shù)為Vc范圍為40～60 m/min，通過測試對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)用的切削參數(shù)過高是導(dǎo)致鉆頭斷裂的主要原因。

對刀具實(shí)際情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)刀具切削刃長度為46 mm，而指桿最終的切削深度為44 mm，鉆頭切削刃略長于指桿的內(nèi)孔深度。在加工過程中，排屑槽短導(dǎo)致排屑不暢，同時(shí)在更換新刀具時(shí)，由于刀具鋒利且切削力小，刀具可以正常加工，但隨著加工進(jìn)行，刀具逐漸磨損，切削力逐步增大，切屑又不能及時(shí)排出，造成?5.5 mm 鉆頭擠斷。對200 支?5.5 mm 鉆頭跟蹤統(tǒng)計(jì)，192 支鉆頭在加工零件數(shù)目達(dá)到200～300時(shí)出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象。

2.2.2 6.35-28 UN-2B 絲錐斷裂

攻絲工序中常出現(xiàn)絲錐斷裂情況，如圖7 所示。根據(jù)斷裂情況分析，在加工過程前一工序?7.14 mm鉸孔時(shí)，有鐵屑?xì)埩粼诳變?nèi)，是造成最后絲錐斷裂的原因之一[8]。同時(shí)，觀察、分析加工的實(shí)際情況，絲錐攻絲產(chǎn)生的鐵屑纏繞在絲錐上且未及時(shí)清除，在下一次加工時(shí)，就會(huì)造成攻絲切削阻力增加，使得絲錐斷裂，影響連續(xù)生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中，工作人員通常采用加工暫停的方式，手動(dòng)清理出殘留在孔內(nèi)和刀具上的鐵屑來保證下一個(gè)周期正常加工。因此，每一件指桿成品的生產(chǎn)周期中，必須有兩次暫停來進(jìn)行手動(dòng)清除切屑：一是在?7.14 mm 鉸孔完成后，絲錐攻絲前要進(jìn)行手動(dòng)清除孔內(nèi)殘留切屑，二是在絲錐攻絲完成后需要手動(dòng)清除絲錐上纏繞的切屑。

圖7 絲錐斷裂情況

3 指桿制造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 ?3.5 mm 銑刀加工U 型槽改進(jìn)

3.1.1 加工參數(shù)的確定

根據(jù)?3.5 mm 銑刀加工U 型槽3.65×51.18 mm時(shí)刀具斷裂現(xiàn)象進(jìn)行分析，針對銑刀容易出現(xiàn)震動(dòng)、彈刀的現(xiàn)象，在不改變走刀路線和刀具的前提下，對加工參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，確定?3.5 mm 銑刀加工切削速度為50 m/min，在此情況下，將切削轉(zhuǎn)速定為4 500 r/min，進(jìn)給速度為F=40 mm/min。

3.1.2 冷卻管的設(shè)計(jì)

通過銑刀加工U 型槽第一面時(shí)銑刀斷裂現(xiàn)象分析，銑刀斷裂的主要原因是冷卻液沖刷不到位，使銑刀切削產(chǎn)生的不銹鋼屑沒有及時(shí)排出而殘留在槽內(nèi)，造成銑刀沒有切削到材料，反而和產(chǎn)生的不銹鋼屑摩擦，造成銑刀斷裂[9]。針對這一現(xiàn)象，對冷卻液管進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將原內(nèi)孔?5.0 mm的冷卻管更換為?6.0 mm的冷卻管，保證滿足冷卻壓力的同時(shí)又有較大的流量，同時(shí)保證冷卻液管口噴出的切削液能夠直接沖到銑刀切削部位，并保證其無松動(dòng)擺動(dòng)現(xiàn)象。

3.1.3 新銑刀的設(shè)計(jì)

指桿生產(chǎn)制造中，如圖8 所示，通常采用刀柄為?6.0 mm、刀刃為?3.5 mm的銑刀加工，切削深度為4.0 mm。為了滿足機(jī)床自身不發(fā)生干涉現(xiàn)象，避免銑刀容易出現(xiàn)震動(dòng)、彈刀，刀具伸出長度最短為35 mm，通過筆者公司實(shí)際生產(chǎn)中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，銑刀加工最大長徑比為5∶1。

圖8 ?3.5 mm 銑刀

在滿足刀具伸出長度為35 mm的情況下，還要保證其自身的加工強(qiáng)度。通過計(jì)算，得出刀柄直徑為?8.0 mm 最為合適。考慮到制造過程中刀具和主副軸夾頭的干涉情況，如圖9 所示，設(shè)計(jì)出臺階柄銑刀，在避免干涉現(xiàn)象的發(fā)生的同時(shí)又可以增大刀具剛度。

圖9 改進(jìn)前后刀具對比圖

3.2 內(nèi)孔加工工藝改進(jìn)

3.2.1?5.5 mm 鉆頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化

?5.5 mm 鉆頭鉆孔深度從31.5 mm 加工到44 mm處，鉆頭直徑小且伸出過長，加工中的長徑比為8∶1，加工長度大于5 倍的直徑，屬深孔加工。通過對實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行分析，使用原本的?5.5 mm鉆頭時(shí)存在孔口排屑困難導(dǎo)致鉆頭斷裂、冷卻孔小造成排屑速度慢，切屑帶走的加工熱量少[10]等問題。結(jié)合生產(chǎn)制造情況，針對?5.5 mm 鉆頭的以上情況進(jìn)行改進(jìn)：增大鉆頭內(nèi)冷孔徑和冷卻流量，以便于加工時(shí)帶走更多的產(chǎn)出熱量，同時(shí)增長排屑槽長度，使切屑在排出過程中順暢無阻，保證?5.5 mm 鉆頭在加工過程中不會(huì)出現(xiàn)非正常斷裂現(xiàn)象。

根據(jù)分析重新設(shè)計(jì)?5.5 mm 鉆頭，結(jié)果如圖10所示。

圖10 新設(shè)計(jì)的? 5.5 mm 鉆頭

3.2.2?7.14 mm 鉸孔刀具

圖11 為6.35-28 UN-2B 螺紋加工示意圖。根據(jù)指桿零件圖技術(shù)要求，6.35-28 UN-2B 最小有效螺紋長度為41.66 mm，螺紋底孔深度最大為44 mm，螺紋底部到孔底的最大空間長度為2.34 mm，由于絲錐加工時(shí)有導(dǎo)向切削刃，所以實(shí)際空間長度遠(yuǎn)小于2.34 mm。如果孔內(nèi)有切屑?xì)埩簦ソz時(shí)絲錐將會(huì)折斷。對攻絲前一工序進(jìn)行改進(jìn)，保證孔內(nèi)無切屑?xì)埩簦?7.14 mm鉸刀加工時(shí)，不定期無規(guī)律地出現(xiàn)鉸孔屑?xì)埩粼诳變?nèi)，具體情況如表1 所示。可以看出，?7.14 mm 鉸刀轉(zhuǎn)速為200 r/min，進(jìn)給速度為0.15 mm/r 時(shí)，孔內(nèi)殘留切屑相對較少。

圖11 6.35-28 UN-2B 螺紋加工示意圖

表1 ?7.14 mm 鉸刀殘留切屑情況

為了增大排屑槽，降低絲錐折斷概率，以?7.14 mm為基礎(chǔ)重新設(shè)計(jì)新鉸刀。如圖12 所示，增大鉸刀內(nèi)冷孔徑，將原有?0.8 mm 雙螺旋冷卻孔改為?2.0 mm 直通內(nèi)冷孔，使冷卻液更集中，冷卻液倒流速度更快，帶出的切屑更多，孔內(nèi)無切屑?xì)埩簦源诉_(dá)到改善冷卻與排屑效果。

圖12 新設(shè)計(jì)的?7.14 mm 鉸刀

3.2.3 6.35-28 UN-2B 絲錐加工方法優(yōu)化

根據(jù)指桿零件圖可知，絲錐加工深度最小為10.16 mm。由于絲錐攻絲時(shí)是一次性加工，所以產(chǎn)生的切屑長且硬度高，還不易變形脫落，增加了絲錐斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況分析，切削時(shí)若能形成短碎屑，則可以被冷卻液帶出，實(shí)現(xiàn)絲錐無屑?xì)埨@。即由原來的1 次加工改為多次加工成形，具體方案見表2。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絲錐由原來的1 次攻絲改為5 次攻絲成形，實(shí)現(xiàn)了攻絲產(chǎn)生的屑為短碎屑，易脫離絲錐，無需手動(dòng)清理切屑。

表2 絲錐攻絲方案

4 結(jié)語

（1）通過對?3.5 mm 銑刀加工U 型槽過程中加工參數(shù)的重新計(jì)算，設(shè)計(jì)并使用了新的冷卻管和U 型槽銑刀，在后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)制造中，單把銑刀加工數(shù)量有了明顯提升，如表3。根據(jù)筆者公司數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，每把刀具加工產(chǎn)品從數(shù)量50～90 件提高到300～350 件。本文所提出的?3.5 mm 銑刀加工U 型槽優(yōu)化方案大大提高了刀具使用壽命，減小了換刀頻率，從而節(jié)約了刀具使用成本，降低了產(chǎn)品報(bào)廢率。

表3 ?3.5 mm 銑刀與U 型槽銑刀加工統(tǒng)計(jì)

（2）通過重新設(shè)計(jì)?5.5 mm 鉆頭并將新鉆頭用于加工試驗(yàn)，加工過程排屑穩(wěn)定、順暢。如圖2所示，據(jù)后續(xù)實(shí)際加工統(tǒng)計(jì)，每支?5.5 mm 鉆頭加工數(shù)量從200～300 件提高到2 000～2 500 件，且加工時(shí)未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，鉆頭正常磨損。在加工穩(wěn)定后，連續(xù)對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終確定每支鉆頭定額加工數(shù)量為2 300 件。

（3）通過重新設(shè)計(jì)?7.14 mm 鉸刀，配合新的加工參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際加工中，經(jīng)過實(shí)際加工統(tǒng)計(jì)，每支新鉸刀可以連續(xù)加工500～600 件產(chǎn)品，且孔內(nèi)無殘留切屑，能夠保證下一工序攻絲能夠順利進(jìn)行。

（4）通過對6.35-28 UN-2B 絲錐加工方法進(jìn)行優(yōu)化，解決了產(chǎn)品加工過程中停機(jī)手動(dòng)清理切屑的問題，減少了輔助加工時(shí)間，通過筆者公司對100支絲錐加工統(tǒng)計(jì)可知，每支絲錐連續(xù)加工數(shù)量為400～600 件產(chǎn)品。

（5）根據(jù)本文所提供的AFA 3G 連接柄指桿制造工藝優(yōu)化方法，后續(xù)對100 件優(yōu)化后的AFA 3G 連接柄指桿加工統(tǒng)計(jì)表明：單件產(chǎn)品的生產(chǎn)周期由15 min 縮短為12 min，生產(chǎn)效率提高了20%，且刀具非正常斷裂情況大量減少，并實(shí)現(xiàn)了AFA 3G 連接柄指桿的連續(xù)生產(chǎn)。