偏心銑削管材端面延長刀片壽命的研究

□ 曾桂彬□ 周麗娜

1.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院 重慶401121

2.重慶嘉陵華光光電科技有限公司 重慶400700

燃料棒是核電站里面參加核反應(yīng)的重要組件，作為核反應(yīng)燃料的鈾塊裝在鋯合金包殼管中，在包殼管的端面焊上端塞將鈾塊密封在包殼管里組成燃料棒。由于反應(yīng)后燃料棒的包殼管內(nèi)會(huì)有很多強(qiáng)放射性物質(zhì)，并且要承受高溫高壓的嚴(yán)苛工作環(huán)境，如果密封不嚴(yán)會(huì)造成核泄漏，嚴(yán)重危及人員安全和造成環(huán)境污染。為了確保焊接后端面良好的密封性，要求焊接前包殼管的端面必須平整，且對(duì)于加工后端面與外圓的垂直度要求很高。因此在包殼管加工過程中必須對(duì)端面進(jìn)行精銑加工，保證端面的垂直度。由于包殼管在自動(dòng)化生產(chǎn)線上進(jìn)行大批量加工，刀具的損壞會(huì)導(dǎo)致不合格品的產(chǎn)生及生產(chǎn)節(jié)奏的停頓，因此如何在保證加工質(zhì)量的前提下提高銑刀刀片的壽命尤為重要。下面以專供給上海阿海琺公司的包殼管精定長自動(dòng)化生產(chǎn)線中的端面精銑機(jī)為例，就如何利用偏心來提高管材端銑刀片壽命作具體分析。

1 端面精銑機(jī)簡介

如圖1所示，為了保證端面精銑的加工質(zhì)量，端面精銑機(jī)采用了夾持力及對(duì)中性均非常好的氣動(dòng)對(duì)中夾鉗，確保夾持的穩(wěn)定和定位的可靠，端銑刀片固定在動(dòng)力頭前端的刀頭上，動(dòng)力頭采用穩(wěn)定可靠的伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，確保了加工過程的平穩(wěn)性。但設(shè)備安裝完成后，在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)銑刀刀片比在法國使用的同類設(shè)備磨損更快，因銑刀刀片磨損失效造成的端面不合格品也更多。

2 偏心對(duì)刀片壽命的影響分析

經(jīng)過對(duì)刀片工作情況的分析發(fā)現(xiàn)，管材軸心與刀片旋轉(zhuǎn)中心同軸安裝，在工作過程中，刀片上只有一小段刃口參與切削，由于這段刃口上每個(gè)工作點(diǎn)在切削工作過程中都會(huì)有磨損，當(dāng)磨損達(dá)到一定程度這些工作點(diǎn)就會(huì)失效。工作點(diǎn)磨損的程度主要取決于該點(diǎn)參與切削的累計(jì)工作長度［1］（由于主要討論偏心對(duì)刀片工作壽命的影響，對(duì)于其它與偏心無關(guān)的影響因素此處就不作探討［2］），一個(gè)工作點(diǎn)參與切削工作達(dá)到一定長度就容易因?yàn)槟p過大而失效。如果安裝時(shí)讓管材軸心和刀片旋轉(zhuǎn)中心之間錯(cuò)開一定距離，就能增加刀片上參與切削的刃口工作段長度，減小每個(gè)工作點(diǎn)的磨損，從而增加刀片壽命。由于實(shí)際加工過程是很多個(gè)重復(fù)的切削周期（刀片旋轉(zhuǎn)一圈為一個(gè)周期）共同完成的，因此只需要分析刀片上工作點(diǎn)在一個(gè)完整的切削周期中參與切削的工作長度，以此分析偏心距對(duì)刀片壽命的影響。以下就同軸安裝和偏心安裝對(duì)刀片壽命的影響作進(jìn)一步的分析。

▲圖1 端面精銑機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 偏心對(duì)刀片壽命的影響實(shí)例分析

▲圖2 刀片旋轉(zhuǎn)中心與管材中心同軸

▲圖3 刀片旋轉(zhuǎn)中心與管材中心不同軸

▲圖4 刀片工作段分析

▲圖5 刀片段工作分析

▲圖6 刀片段工作分析

▲圖7 刀片段工作分析

▲圖8 刀片段工作分析二

▲圖9 刀片段工作分析三

▲圖10 刀片段工作分析四

綜上可知，加工10 mm（外徑）×0.5 mm（壁厚）管材，管材軸心與刀片旋轉(zhuǎn)中心偏心距為0.5 mm時(shí)，刀片上所有工作點(diǎn)的單點(diǎn)工作長度最大為4.84π，而在管材軸心與刀片旋轉(zhuǎn)中心同軸的情況下，切削管材外圓的刀片工作點(diǎn)單點(diǎn)工作長度為10π，即在同軸加工時(shí)刀片的單點(diǎn)最大工作長度比偏心加工長一倍。同理，加工其它規(guī)格的管材時(shí)，適當(dāng)?shù)钠膶?duì)延長刀片壽命也是有幫助的。

偏心雖然能提高刀片上每個(gè)工作點(diǎn)的使用壽命，但是由于刀片上工作點(diǎn)的變化也會(huì)帶來工作點(diǎn)（受力點(diǎn)）到刀桿軸心線距離（即力臂）的變化［6］，沒有偏心時(shí)，切削力與刀桿中心的力臂為刀片旋轉(zhuǎn)中心到切削點(diǎn)的距離，是恒定的，偏心越大，力臂變化越大［7］，動(dòng)力頭的負(fù)載就會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)［8］，對(duì)精銑加工的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響［9］。另外，刀片上只有一段工作點(diǎn)參與切削，當(dāng)這段工作點(diǎn)失效后可以將刀片移動(dòng)一段位置（如圖11所示，將刀片從位置一移動(dòng)距離t后到達(dá)位置二），避開前面的工作段使用新的工作段繼續(xù)切削［10］。由于同軸切削時(shí)刀片上只有長度為管材壁厚的工作段參與工作，因此只需移動(dòng)一個(gè)管材的壁厚即可避開原工作段，而偏心時(shí)需要移動(dòng)管材壁厚加上二倍的偏心距才能避開原工作段。偏心對(duì)于同一塊刀片可移動(dòng)位置重復(fù)利用的次數(shù)也會(huì)減少。

▲圖11 刀片移位示意圖

4 實(shí)施效果

實(shí)際生產(chǎn)過程中，以前在加工10 mm×0.5 mm的管材時(shí)，每加工200根就要移動(dòng)一次刀片位置，而現(xiàn)在加工400根才移動(dòng)一次刀片位置，且由于刀片原因產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品也比原來有所減少［11］。因?yàn)橥C(jī)移刀的時(shí)間大幅減少，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也得到了大幅降低。在加工其它規(guī)格的管材時(shí)移刀頻率也有不同程度的降低。

5 結(jié)論

在管材銑端面的加工過程中，管材軸心與刀片旋轉(zhuǎn)中心保持適當(dāng)?shù)钠膶?duì)延長刀片使用壽命是有幫助的。