平底深孔加工工藝研究

張少威 范新亮 鄒慶明

摘要：深孔加工是機械加工的難題，一方面是孔深度大，鉆頭容易偏轉;另一方面大孔深導致切屑不易排出;除此之外，平底、帶圓角、不銹鋼材料以及較高的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求等，大大增大了加工難度。

本文通過對平底深孔進行尺寸分析，結合歷史方案制定新的工藝方案，采用加長減震銑刀精銑拐角的方案，通過方案實施、效果驗證，攻克了平底深孔的加工難關。

關鍵詞：深孔;平底;不銹鋼;難點分析;工藝方案

堆內構件（RVI：Reactor Vessel Internal）位于反應堆壓力容器內部，是核電廠核島的核心主設備，其作用是為燃料組件及其相關組件提供可靠的支承、壓緊和精確的定位，承受堆芯部件的全部載荷，并傳遞給反應堆壓力容器;為反應堆一回路冷卻劑提供流道等。

特殊的作用決定了堆內構件的結構復雜，尺寸精度及表面粗糙度要求極高;同時，為了滿足特殊工況要求，堆內構件的原材料為奧氏體不銹鋼，加工難度大大增加。

堆內構件某關鍵零件，尺寸約為Φ2000×250mm的餅形零件，零件表面有較多平底孔，孔直徑尺寸精度、位置公差及表面粗糙度要求高，加工難度極大。

1 ? 平底深孔的形狀和尺寸分析

本零件形狀簡圖如圖1所示，為餅形零件，零件表面有大量孔系，根據設計功能要求，有通孔、螺紋孔、沉孔及平底孔，本文主要講述平底孔的加工，下面對平底孔進行介紹。

1.1 ?平底孔的形狀及尺寸要求

該零件上共有6種平底孔，尺寸、深度及轉角要求如下：

1、Φ40+0.2 0深195±0.5平底孔，轉角R3;

2、Φ60+0.2 0深215±0.5平底孔，轉角R4;

3、Φ65+0.2 0深195±0.5平底孔，轉角R4;

4、Φ80+0.2 0深215±0.5平底孔，轉角R4;

5、Φ120+0.25 0深215±0.5平底孔，轉角R4;

6、Φ120+0.14 0深210±0.5平底孔，轉角R4。

此外，堆內構件要求所有零件最低表面粗糙度為Ra3.2，上述平底孔的粗糙度要求為Ra3.2;同時，平底孔位置尺寸要求高，要求孔中心到零件中心距離尺寸公差為±0.15mm，下面以典型的Φ40、Φ60、Φ120孔為例，孔的形狀詳見圖2。

1.2 ?平底孔的加工難點分析

通過對上述平底孔進行分析，主要存在如下5個方面的加工難點：

1. 孔的長徑比大，以Φ40孔為例，其長徑比接近5，屬于典型的深孔;

2. 孔底為平面且粗糙度要求高，增大加工難度;

3. 孔為盲孔，切屑在孔內難以排出;

4. 孔徑公差要求高，且與孔底交界處有圓角要求;

5. 材料為不銹鋼，具有不斷屑、加工硬化嚴重、散熱差、切屑粘刀等難點。

綜上所述，上述平底孔的結構決定了其加工難度大，精度難以保證，需進行專題攻關。

2 ?歷史產品加工方案介紹

類似產品我公司已加工多臺，在以往項目中，受制于設備條件、刀具能力及工藝水平，該零件采用較為原始的工藝，零件工藝流程詳見圖3。

平底孔的精加工在精鏜孔系階段進行，傳統精鏜工藝介紹如下。

1. 精鏜在老式Φ160普通落地鏜床進行;

2. 使用粗鏜刀鏜孔，加工至根部圓角處，孔徑留余量;

3. 使用修磨后的平底麻花鉆擴孔，深度加工到位，孔徑留余量;

4. 使用定制平底帶圓角麻花鉆精修孔底圓角;

5. 使用精鏜刀鏜孔到尺寸;

6. 鉗工手工拋光接刀位置圓滑過渡。

上述工藝較為原始，加工效率極其低下，以Φ40深孔為例，單個孔加工時間超過一周，鉆頭修磨、孔底圓角接刀困難、尺寸難以保證、鉗工修磨量大;同時，孔底面及圓角采用手磨平底鉆精加工，接觸面大，表面粗糙度差，需要耗費大量的時間修磨。

3 新工藝方案

原工藝方案較為原始，大量采用手磨刀具，加工效率低，加工質量差，較難以滿足公司的快速發展需要，也無法滿足顧客對產品質量和進度的要求，急切需要對原工藝進行改進。新工藝方案主要包括現狀調查、制定對策、對策實施和效果驗證。

3.1 ?現狀調查

由于加工工藝較為原始，平底孔加工質量基本滿足要求，除孔徑尺寸公差滿足圖紙要求、孔深度基本滿足要求以外，孔底面粗糙度超過Ra6.3，孔底圓角接刀效果極差，需要鉗工耗費大量精力去拋光。此外，加工所用設備為普通落地鏜銑床，設備較為原始，不具備數控加工能力，操作起來費時費力。

3.2 ?制定方案

結合公司近期設備能力提升，以及大量先進刀具的使用以及工藝能力的提升，決定對加工工藝進行改進，主要思路如下。

1. 改用數控設備，減輕操作者勞動強度;

2. 為了切屑及時排出，采用數控落地鏜銑床臥式加工;

3. 原有手磨刀具全部舍棄，改數控刀具;

4. 重點改進孔底面以及孔底圓角的加工工藝;

5. 加工效率比原有提高1倍以上，該零件所有平底孔加工完成總時間不超過1.5個月;

6. 大幅減少鉗工修磨量，單個孔修磨時間減少至20min以內。

我司前期曾對方孔粗、精銑加工工藝進行了改進，由原有的玉米銑刀粗銑、立銑刀精銑的工藝，改進為方肩銑刀粗銑、立銑刀精銑的工藝，方肩銑刀具有鋒利、切削力小、進給速度快等優點，可作為平底孔底面以及拐角圓弧銑加工方案的選擇。

以Φ40+0.2 0深195±0.5轉角R3平底孔為例，簡述改進過程及方案實施情況。

1、難點分析

零件粗加工情況，平底孔直徑單邊留余量2mm，孔深度余量7mm，該平底孔直徑小、長徑比接近5倍，精銑孔底面和圓角的刀具難以選擇，刀具直徑應小于40mm;同時，方肩銑刀刀片寬度4mm左右，銑刀底刃不過圓心，為確保孔底面加工到位，最終選擇Φ25加長方肩銑刀，銑刀最大加工深度200mm，長徑比高達8倍，刀桿應有減震效果，刀片足夠鋒利，刀片圓角應滿足圖紙要求，并采用合理的加工參數。

2、刀具選擇

經過我司同刀具廠家經過多次試驗，最終選擇國產硬質合金桿方肩銑刀，該刀桿強度好、減震效果好，經過多次加工試驗，該刀桿進給速度可達到400mm/min，刀具震動小，孔底面粗糙度接近Ra1.6，優于圖紙要求。

此外，孔徑精鏜用精鏜刀沿用我司現有模塊化鏜刀，帶減震刀桿，可滿足深孔精鏜要求。刀具詳見圖4。

3、改進后的工藝方案

下面以Φ40+0.2 0深195±0.5轉角R3平底孔為例，簡述改進后的工藝方案。

1）使用Φ34加長平鉆頭將孔深度锪鉆到Φ34深194.8;

2）使用Φ25加長方肩銑刀螺旋銑孔至Φ39.4深191;

3）更換R3刀片，使用Φ25加長方肩銑刀螺旋銑孔至Φ39.4，深度到尺寸;

4）使用Φ35-Φ48精鏜刀鏜孔至Φ40，注意分為半精鏜和精鏜;第一刀吃刀量0.1mm，共2刀，在深度方向每加工40mm退刀排切屑，精鏜最后一刀吃刀量控制在0.05-0.01mm之內，深度加工至與底部圓角R3接刀處，注意控制好鏜孔深度，與銑加工圓角做好接刀;

5）使用Φ25加長方肩銑刀清根，加工底部圓角R3處接刀痕;

6）換45°倒角刀將孔口倒C1角。

3.3 ?;效果檢驗

使用新工藝方案加工后，單個孔加工周期減少至原來的1/5，孔徑、表面粗糙度均可滿足圖紙要求，單個零件精加工周期40天，鉗工修磨量極小，單個孔修磨量不超過15min。

新工藝方案實施后，大大節約加工周期;同時，改用數控刀具后，操作者不需要磨刀，大大減少操作者的勞動強度;此外，改用數控機床，無需操作者手動調整、更換加工位置，減輕勞動強度。

本工藝方案實施效果優良。

4 注意事項

1）開工前，做好充分的風險識別及防范措施，落實到相應表格中;

2）嚴格執行操作者自檢、互檢和檢查員專檢手續，并做好記錄;

3）加工前，在試驗件上做好每把刀具及程序的驗證，確保合格后再加工產品;

4）加工過程中，注意觀察刀具震動狀態，如有異常及時停機排除;

5）使用Φ25加長方肩銑刀時，每加工一刀，需檢查刀片狀況，及時更換;

6）加工后做好檢查工作，確保每孔必檢。

5 總結

經過現狀調查、方案制定及效果檢驗后，成功攻克平底深孔加工難題。通過此次研究，掌握了平底深孔加工工藝，加工工藝也隨著刀具水平的不斷提高與時俱進，提高公司的工藝水平和生產能力;也證實了“工藝才是提高質量、提升效率的根本方法”這句箴言。

通過此次研究，為類似特征的加工積累了足夠的經驗，同時也為后續類似產品的加工提供更加多樣化的解決方案。

參考文獻：

[1] 童幸生、徐翔、胡建華.材料成形及機械制造工藝基礎[M].武漢：華中科技大學出版社， 2002.

[2] 吳小康.壓水堆核電廠堆內構件制造的質量監督[J].核動力工程，2011：16-19.

[3] 唐宗軍.機械制造基礎[M].北京：機械工業出版社， 2008.

作者簡介：張少威（1987.12），男，漢族，學士學位，工程師，東方電氣（武漢）核設備有限公司，從事堆內構件制造工藝技術工作，地址：武漢市江夏區陽光大道8號，郵編：430223;范新亮（1986.1），男，漢族，學士學位，經濟師，東方電氣（武漢）核設備有限公司，從事堆內構件技術準備工作。鄒慶明（1988.6），男，漢族，大專學位，高級工，東方電氣（武漢）核設備有限公司，從事堆內構件制造工作。