難加工材料深孔高效加工工藝攻關與流程優化

/北京精密機電控制設備研究所

某產品機加屬于北京精密機電控制設備研究所新承接任務,由殼體、屏蔽套、線圈組件(含骨架)、鐵芯組件、端蓋、引出線等組成。但是殼體和骨架的加工效率低、生產周期長、耗材成本高、一次交檢合格率不高等難題,對產品機加齊套形成了制約,影響了產能的充分釋放,有時甚至對其它任務及時排產形成擠壓。因此,合理優化利用現有設備加工能力,在成本可控的前提下提高生產效率和質量,同時均衡有關生產單元負荷成為當務之急。

一、工作與實踐

1.工作策劃

事業部高度重視殼體、骨架2種零件的生產瓶頸問題(見圖1、圖2)。從落實全面質量管理(TQM)理念的角度出發,成立了由1名生產管理者、2名工藝人員、2名技能人員組成的攻關團隊,并設有操作、檢驗、管理崗有關人員積極配合,保證由上至下對人力資源、生產計劃、設備工具、工藝方法的有效安排,同時保持由下向上的信息反饋路徑通暢,確保能夠及時應對攻關過程中遇到的問題。

團隊堅持“問題導向”原則。首先對前述技術和管理層面暴露的問題進行全面的歸納,隨后按照質量4M1E因素分類,即人(man)、機器(machine)、材料(material)、方法(method)和環境(environment),從5個方面逐項分析、挖掘問題背后的原因。團隊嚴格按照航天過程質量控制的有關要求,在生產階段可行的范圍內提出有效的解決措施,通過梳理各項因素之間的因果關系,發現深盲孔加工技術能力不足是導致一系列問題的關鍵短線。團隊以2017年所級科研生產攻關項目的實施為契機,深入討論、研究有關技術方案,確立了以深盲孔加工技術研究作為重點技術攻關路徑,同時在生產管理層面統籌考慮,精簡原有的工藝流程、均衡不同單元的生產負荷,通過提升技術能力來突破產能天花板。

圖1 殼體零件生產瓶頸及解決措施

圖2 骨架零件生產瓶頸及解決措施

2.實施內容及方法

一是薄壁平底深孔零件切削加工技術研究。針對殼體、骨架薄壁平底深孔結構加工過程中刀具磨損快、加工質量差、產前準備繁瑣、車加工及刃磨單元超負荷生產等問題,開展薄壁平底深孔零件刀具加工技術研究,內容包括刀具選用、設備選用、切削參數優化研究等。

刀具選用。殼體選用奧氏體沉淀硬化不銹鋼材料(1Cr18Ni9Ti),為了克服內孔機加工過程中暴露的材料加工難、耗材種類多、工藝流程復雜、加工效率低等問題,攻關團隊在原有工藝方法的基礎上進行了多種改進和嘗試,力求尋找能兼顧加工質量、效率和成本的新型工藝方法。

針對1Cr18Ni9Ti難切削材料的深孔加工,傳統的麻花鉆和內冷鉆加工效率低,鍵槽刀擴孔的孔壁粗糙度差,極易發生纏屑、崩刃等問題;常規和平底槍鉆雖然加工效率高,但磨損同樣較快,車間刃磨效率和質量均不能滿足生產的需求,而且無法保障同軸度、粗糙度等技術要求,因此工藝改進方案均未達到預期效果。

理想的殼體內孔加工刀具應具有高效、穩定、經濟的特點,同時保證良好的孔壁粗糙度并減少后序精加工的過程。經過廣泛的調研、選型,攻關團隊最終鎖定了可換刀頭式深孔內冷鉆。該類刀具可以一次裝夾完成引鉆、深鉆、平底、清根,加工出的孔尺寸、粗糙度、直線度均較為穩定,滿足全部圖紙技術要求。刀桿、刀頭標準化程度高、壽命長,裝卸快捷方便,無需反復對刀,加工效率高,刀頭購置成本適中,同時具有TiAlN涂層,耐磨損、工作壽命長。

骨架采用可熔性聚酰亞胺模壓塑料(YS20)。其內孔原采用普通槍鉆加工,再車平底。根據骨架內孔孔型及技術要求,技術團隊充分利用YS20易于切削的特點,調研選用了德國鈷領定制尺寸的平底槍鉆,引鉆后內孔一步加工成型,滿足各項尺寸、形位、粗糙度等技術要求,進一步提高了加工效率和質量。同時因為刀具磨損速度較慢,新刀具加工多個批次后仍保持較好的切削性能,對刃磨單元不造成額外負擔。

設備選用。該產品零件多為回轉體結構,內孔、外形加工基本完全由車加工單元承擔。為均衡車間各單元生產負荷,外殼內孔加工使用的設備由臥式數控車床調整為DMG DMU60數控銑加工中心,滿足新型刀具的內冷需求,在顯著減輕了車加工單元負擔的同時,還避免了臥式車床在加工同類深孔時,由于刀具裝夾、自重等因素導致的刀具中心與理想主軸回轉軸線之間的偏離,有效減輕刀具振動、深孔偏斜等現象。

對于骨架零件,YS20來料后的外圓粗加工、內孔成型加工以及切斷宜一次裝夾完成,為了兼顧工藝流程的精簡、加工質量的穩定,因此骨架內孔加工仍由哈挺(HARDINGE) Quest8/51數控車床完成,刀具振顫問題將通過后續裝夾方式的優化克服。

切削參數優化。殼體零件內孔加工在數控銑加工中心進行,工件采用軟爪垂直裝夾、機床主軸自動找正外圓的方式,根據孔壁粗糙度、鉆削噪音、切屑質量等來綜合判斷切削參數是否合適,在廠家推薦切削參數組的基礎上不斷進行嘗試和改進,最終摸索出適應各型號殼體內孔加工的參數組。

在保證加工質量和效率的前提下進一步控制成本,當可換刀頭接近壽命極限、孔壁質量略有下降時,可在同一設備上增加精鉸工步去除高點,速度快、效果好,因去量極少(單邊≤0.01mm),所以鉸刀磨損速度很慢,加工一個甚至幾個批次都無需刃磨,通過這種方法可以延長約20%刀頭壽命,鉆頭壽命折合鉆深長度尺寸可達7～8m。

骨架內孔加工在HARDINGE Quest8/51臥式數控車床上進行。工件采用液壓主軸裝夾,刀具固定于刀盤架上,加工時通過切削噪音、孔壁粗糙度、是否有缺陷等判斷切削參數是否合適。

二是薄壁平底深孔零件裝夾變形仿真及控制研究。針對骨架在加工時存在裝夾變形、刀具振顫等不利因素,開展薄壁平底深孔零件裝夾變形仿真及控制研究,內容包括零件裝夾變形仿真研究、零件裝夾方式優化和變形控制研究。

Quest8/51主軸夾持力在890～4450N范圍內可調。針對YS20材料在裝夾過程中易變形的問題,通過有限元仿真模型的建立和計算,可判斷夾持部分徑向收縮變形量和軸向受影響的長度范圍,由此推算該夾持力下的最小工藝夾頭和合理的夾持部位。

為了保證YS20材料工件在切削過程中保持穩固,通常使用不小于1800N力進行夾持。采用ANSYS有限元仿真軟件對φ16mm棒材夾持受力進行建模,模擬車床主軸以1800N夾持力對棒材左端30mm長度范圍鎖緊的狀態。建立棒料模型后,需將模型的表面進行劃斷,僅對工藝夾頭一端施加邊界條件。設置邊界條件時,將1800N力按接觸面積換算為壓強12.8MPa。模型選用靜態結構模式。

該模型可快速的對不同直徑、夾持力甚至材料特性的裝夾情景進行仿真計算,進而判斷合理夾持部位。根據運算結果發現夾持部位直徑最大收縮約0.05mm,軸向影響范圍延伸至夾持部位附近約4mm。因此對于該直徑棒料,預留35mm左右夾頭可完全防止對加工部位的變形影響,避免內孔孔壁產生加工紋路和臺階。

預留夾頭后,因YS20材料剛度較低,在深孔鉆削過程中工件可以一定程度上跟隨刀具走向,可以顯著減輕因工件回轉主軸與刀具中心軸的偏離導致的振顫,提高孔壁加工質量。這也為工件外形粗加工、內孔成型加工以及切斷的一次裝夾加工到位提供了基礎,兼顧了加工效率和產品質量。

三是薄壁平底深孔零件加工工藝流程設計及優化研究。針對殼體、骨架薄壁平底深孔結構加工生產周期長、質量不穩定等問題,開展工藝流程設計及優化研究,內容包括殼體產品工藝流程設計和優化,骨架產品工藝流程設計和優化。

優化后的工藝流程,以高效的無心磨加工代替了車頂尖孔、研頂尖孔以及精磨外圓等工序,保證了較高的外圓圓柱度和尺寸一致性。殼體內孔以外形裝夾一次加工到位,除個別同軸度要求極高的型號外可直接精車外形,省去了配磨芯軸的大量工作。在保障加工質量的前提下提高了生產效率,縮短了整個零件的工藝流程,節省了大量零件周轉、耗材準備、工裝制作時間,顯著縮短了生產周期。在保證零件的批次質量一致性的前提下提升內孔加工效率超過5倍。

引入平底槍鉆后,進一步提高了加工效率,縮短了工藝流程,同時還避免了原流程中平底刀具與內孔尺寸差別導致的接刀痕跡。不僅如此,通過改變裝夾方式、應用平底槍鉆等加工手段,現有工藝流程加工質量穩定,徹底杜絕了原有的孔壁臺階、橫紋等質量問題,進一步提高了效率。

3.創新與亮點

本項目不僅面臨深盲孔加工效率、質量亟待提高的技術問題,同時還涉及耗材產前準備、車加工及刃磨單元生產超負荷、生產成本控制等問題,這些都密切關系到事業部未來能否擺脫傳統發展路徑,成功轉型升級。產品生產批量不僅要實現快速增長,更要高效、高品質完成。

項目團隊在各級專家領導的密切關注和指導下,運用全面質量管理的基本方法,秉持全面質量管理的基本原則∶質量第一,科學的確定質量目標并安排人力、物力、財力予以保證。持續改進,不斷加強質量管理,促使質量的保持、改進和提高。用數據說話,以客觀事實和數據為依據來反映、分析和解決質量問題。管理與技術并重,充分發揮專業技術和管理技術的作用,兩者相輔相成,以技術促發展,以管理出效益。

團隊按照PDCA管理循環執行了完整的計劃、實施、檢查、分析過程,取得了較好的成效。面對傳統加工技術瓶頸和生產管理上遇到的諸多難題,認真梳理其內在的聯系,以低成本、小投入的技術創新為牽引,提高了深盲孔加工工藝水平,在充分保障產品質量的前提下,顯著縮短了零件生產周期,有效降低了車間有關加工單元的生產負荷,為事業部創新發展提供了更多空間。

二、 實踐效果

本項目成功提高了該產品殼體、骨架零件深盲孔加工工藝水平,優化了工藝流程,具體體現在以下4個方面:

一是解決了殼體加工過程中刀具磨損快、崩刃、產前準備繁瑣的問題,目前可換刀頭式深孔內冷鉆平均每個刀頭可連續加工40～45件產品,折合總加工深度可達7m以上,遠優于普通深孔內冷鉆、鍵槽銑刀、各式槍鉆、鉸刀、特制加長鏜刀等傳統刀具的組合加工方案。

二是殼體內孔加工效率提高5倍以上,同時工藝流程精簡了將近一半,省去了配磨芯軸的工作,顯著縮短了零件生產周期。

三是骨架加工通過預留最小化工藝夾頭、應用平底槍鉆等手段,徹底杜絕了原有的孔壁臺階、橫紋等質量問題,同時進一步提高了效率。

四是通過調整數控銑與數控車單元的生產任務分配以及新型刀具的應用,有效降低了車加工、刃磨單元的負荷,為車間進一步提高產能騰出了寶貴空間。

在全體事業部技術、管理、操作人員的共同努力下,2017年度順利完成多種型號尺寸的殼體、骨架1000件入庫,攻關成果應用后,有關零件生產全過程質量穩定,一致性良好,未發生任何批次性質量問題,成效顯著,還形成了有關深盲孔零件機加工藝規范,為今后類似結構產品的研制生產打下了堅實基礎。

三、 后續思路

刀具切削參數還有優化空間,在條件允許的情況下采用多輪次正交試驗的手段,以粗糙度、同軸度等結果要素來進一步評價、優化切削參數。

在上級機構各組成元件的設計制造中,類似深盲孔結構還普遍存在,本項目技術成果未來可廣泛應用于各型號生產任務中。

可換刀頭式深孔內冷鉆屬于業內較為新型的刀具,各種新式涂層、刀尖形狀、導向條設計方案層出不窮,是近年來各大知名刀具廠商著力開發的產品,在某些軍工、汽車制造領域的企業已經成熟應用了一段時間,因其高標準、高效率、高品質的產品特點,目前還在逐步擴大應用范圍。在實際工作中。既要看到本項目應用的顯著成果,也要認識到與先進制造工藝技術和現代企業管理水平的差距,更要明確未來的發展方向,無論是技術還是管理層面,落后就會遇到瓶頸,僵化就會被淘汰。軍工企業在未來轉型升級的路上,既要秉持質量第一的理念不放松,也要從企業效益角度考慮,無論是生產工藝流程還是管理方案,都應在初期設計策劃階段納入評審考量范圍。