AFA 3G 連接柄指桿制造工藝優化

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，所以指桿的連續生產可行性小[1]。由于指桿內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，這將會造成后續刀具在加工時被殘留鐵屑擠斷的現象。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。實際生產表明，斷刀現象是制約零件連續加工的主要原因[2]。在指桿的制造過程中，銑刀斷裂和刀具纏屑導致的內孔加工困難、絲錐斷裂的情況經常發生，這使得產品質量和生產效率得不到保證[3]。

目前，筆者公司能滿足該零件加工條件的設備主要有：HARDING TT42、EMCO HT45[4]和DMG SPRINT50。利用現有設備，通過總結原本的加工經驗，本文重新計算加工參數并設計了新的加工刀具，由此解決了加工過程中存在的刀具斷裂問題，優化后的指桿加工工藝實現了產品的連續生產，提高了產品的生產效率，不僅節約了刀具的使用成本，還降低了產品報廢率[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、銑刀擴孔→鉸刀鉸孔、攻內螺紋→重新裝夾車端部錐面。

圖1 AFA 3G 連接柄指桿零件圖

2 制約指桿連續加工的主要問題

對現有的指桿加工工藝與實際生產情況進行分析，發現傳統指桿生產工藝仍然存在較多不足[6]。通過實際生產過程的反饋，制約AFA 3G 控制組件連接柄指桿實現連續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容易發生斷裂。同時，不銹鋼棒料在孔加工時產生的鐵屑不容易自動排出，鉆頭鉆削時排屑不暢，銑刀擴孔和鉸刀加工時鐵屑容易殘留在孔內，攻絲時鐵屑會纏繞在絲錐上，需要手動清理，否則就會出現絲錐被擠斷的現象，進而影響下一道工序。因為加工完單個指桿后，還需要檢查刀具是否完好，因此單件生產周期為15 min。

結合筆者公司實際生產情況，指桿加工過程中刀具斷裂位置主要有兩個：一是在加工3.65×51.18 mm槽時銑刀斷裂；二是在加工內孔時刀具斷裂。

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。數控車削中心加工長U型槽時，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，如果在切削過程中一次性把U 型槽銑通，將會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，銑刀加工產生的切屑會殘留在槽內，同時由于冷卻液沖刷壓力不足，切屑排除不順暢，就會造成銑刀加工時銑刀擠屑，產生銑刀斷裂現象。

圖3 粗銑槽第一半

如圖4 所示，粗銑U 型槽第二半時，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，切削過程中出現震動、彈刀的現象，長時間加工會導致銑刀斷裂，如圖5 所示。

圖4 粗銑槽第二半

圖5 銑刀斷裂情況

根據筆者公司實際生產中的加工數據統計，每把銑刀加工產品數量在50～90 件時，銑刀斷裂情況就會發生。

2.2 內孔加工時刀具斷裂分析

在加工內孔部分時，?5.5 mm 鉆頭和6.35-28 UN-2B 絲錐常出現斷裂現象。根據筆者公司實際生產中發生的鉆頭斷裂情況逐步分析，總結出在加工過程中?5.5 mm 鉆頭斷裂的主要原因是切削參數不合理和刀具排屑槽短，影響切屑正常排出，導致?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：一是絲錐在加工時，自身加工所產生的切屑未及時排除，在下一次加工時，絲錐由于切削阻力變大，造成絲錐斷裂[7]；二是在?7.14 mm內孔鉸孔時，鉸刀所產生的切屑殘留在孔內，在下一工序攻絲時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。在加工內孔時，為了提高生產效率，需要盡量提高切削參數值，采用經驗法對切削參數進行選擇，確定主軸轉速n=3 500 r/min， 進給量F=0.09 mm/r。

圖6 ?5.5 mm 鉆頭的加工示意圖

根據切削速度計算公式：

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

計算可得，?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為Vc范圍為40～60 m/min，通過測試對比發現，實際運用的切削參數過高是導致鉆頭斷裂的主要原因。

對刀具實際情況進行檢查，發現刀具切削刃長度為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孔深度。在加工過程中，排屑槽短導致排屑不暢，同時在更換新刀具時，由于刀具鋒利且切削力小，刀具可以正常加工，但隨著加工進行，刀具逐漸磨損，切削力逐步增大，切屑又不能及時排出，造成?5.5 mm 鉆頭擠斷。對200 支?5.5 mm 鉆頭跟蹤統計，192 支鉆頭在加工零件數目達到200～300時出現了斷裂現象。

2.2.2 6.35-28 UN-2B 絲錐斷裂

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

圖7 絲錐斷裂情況

3 指桿制造工藝優化設計

3.1 ?3.5 mm 銑刀加工U 型槽改進

3.1.1 加工參數的確定

根據?3.5 mm 銑刀加工U 型槽3.65×51.18 mm時刀具斷裂現象進行分析，針對銑刀容易出現震動、彈刀的現象，在不改變走刀路線和刀具的前提下，對加工參數進行重新計算，確定?3.5 mm 銑刀加工切削速度為50 m/min，在此情況下，將切削轉速定為4 500 r/min，進給速度為F=40 mm/min。

3.1.2 冷卻管的設計

通過銑刀加工U 型槽第一面時銑刀斷裂現象分析，銑刀斷裂的主要原因是冷卻液沖刷不到位，使銑刀切削產生的不銹鋼屑沒有及時排出而殘留在槽內，造成銑刀沒有切削到材料，反而和產生的不銹鋼屑摩擦，造成銑刀斷裂[9]。針對這一現象，對冷卻液管進行重新設計，將原內孔?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又有較大的流量，同時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，并保證其無松動擺動現象。

3.1.3 新銑刀的設計

指桿生產制造中，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。為了滿足機床自身不發生干涉現象，避免銑刀容易出現震動、彈刀，刀具伸出長度最短為35 mm，通過筆者公司實際生產中數據統計，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度。通過計算，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，設計出臺階柄銑刀，在避免干涉現象的發生的同時又可以增大刀具剛度。

圖9 改進前后刀具對比圖

3.2 內孔加工工藝改進

3.2.1?5.5 mm 鉆頭的設計優化

?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。通過對實際生產情況進行分析，使用原本的?5.5 mm鉆頭時存在孔口排屑困難導致鉆頭斷裂、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。結合生產制造情況，針對?5.5 mm 鉆頭的以上情況進行改進：增大鉆頭內冷孔徑和冷卻流量，以便于加工時帶走更多的產出熱量，同時增長排屑槽長度，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出現非正常斷裂現象。

根據分析重新設計?5.5 mm 鉆頭，結果如圖10所示。

圖10 新設計的? 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。根據指桿零件圖技術要求，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，由于絲錐加工時有導向切削刃，所以實際空間長度遠小于2.34 mm。如果孔內有切屑殘留，攻絲時絲錐將會折斷。對攻絲前一工序進行改進，保證孔內無切屑殘留，?7.14 mm鉸刀加工時，不定期無規律地出現鉸孔屑殘留在孔內，具體情況如表1 所示。可以看出，?7.14 mm 鉸刀轉速為200 r/min，進給速度為0.15 mm/r 時，孔內殘留切屑相對較少。

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為基礎重新設計新鉸刀。如圖12 所示，增大鉸刀內冷孔徑，將原有?0.8 mm 雙螺旋冷卻孔改為?2.0 mm 直通內冷孔，使冷卻液更集中，冷卻液倒流速度更快，帶出的切屑更多，孔內無切屑殘留，以此達到改善冷卻與排屑效果。

圖12 新設計的?7.14 mm 鉸刀

3.2.3 6.35-28 UN-2B 絲錐加工方法優化

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

根據實際生產情況分析，切削時若能形成短碎屑，則可以被冷卻液帶出，實現絲錐無屑殘繞。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，發現絲錐由原來的1 次攻絲改為5 次攻絲成形，實現了攻絲產生的屑為短碎屑，易脫離絲錐，無需手動清理切屑。

表2 絲錐攻絲方案

4 結語

（1）通過對?3.5 mm 銑刀加工U 型槽過程中加工參數的重新計算，設計并使用了新的冷卻管和U 型槽銑刀，在后續實際生產制造中，單把銑刀加工數量有了明顯提升，如表3。根據筆者公司數據統計，每把刀具加工產品從數量50～90 件提高到300～350 件。本文所提出的?3.5 mm 銑刀加工U 型槽優化方案大大提高了刀具使用壽命，減小了換刀頻率，從而節約了刀具使用成本，降低了產品報廢率。

表3 ?3.5 mm 銑刀與U 型槽銑刀加工統計

（2）通過重新設計?5.5 mm 鉆頭并將新鉆頭用于加工試驗，加工過程排屑穩定、順暢。如圖2所示，據后續實際加工統計，每支?5.5 mm 鉆頭加工數量從200～300 件提高到2 000～2 500 件，且加工時未出現斷裂現象，鉆頭正常磨損。在加工穩定后，連續對加工數據進行統計，最終確定每支鉆頭定額加工數量為2 300 件。

（3）通過重新設計?7.14 mm 鉸刀，配合新的加工參數應用到實際加工中，經過實際加工統計，每支新鉸刀可以連續加工500～600 件產品，且孔內無殘留切屑，能夠保證下一工序攻絲能夠順利進行。

（4）通過對6.35-28 UN-2B 絲錐加工方法進行優化，解決了產品加工過程中停機手動清理切屑的問題，減少了輔助加工時間，通過筆者公司對100支絲錐加工統計可知，每支絲錐連續加工數量為400～600 件產品。

（5）根據本文所提供的AFA 3G 連接柄指桿制造工藝優化方法，后續對100 件優化后的AFA 3G 連接柄指桿加工統計表明：單件產品的生產周期由15 min 縮短為12 min，生產效率提高了20%，且刀具非正常斷裂情況大量減少，并實現了AFA 3G 連接柄指桿的連續生產。