难加工材料深孔高效加工工艺攻关与流程优化

/北京精密机电控制设备研究所

某产品机加属于北京精密机电控制设备研究所新承接任务,由壳体、屏蔽套、线圈组件(含骨架)、铁芯组件、端盖、引出线等组成。但是壳体和骨架的加工效率低、生产周期长、耗材成本高、一次交检合格率不高等难题,对产品机加齐套形成了制约,影响了产能的充分释放,有时甚至对其它任务及时排产形成挤压。因此,合理优化利用现有设备加工能力,在成本可控的前提下提高生产效率和质量,同时均衡有关生产单元负荷成为当务之急。

一、工作与实践

1.工作策划

事业部高度重视壳体、骨架2种零件的生产瓶颈问题(见图1、图2)。从落实全面质量管理(TQM)理念的角度出发,成立了由1名生产管理者、2名工艺人员、2名技能人员组成的攻关团队,并设有操作、检验、管理岗有关人员积极配合,保证由上至下对人力资源、生产计划、设备工具、工艺方法的有效安排,同时保持由下向上的信息反馈路径通畅,确保能够及时应对攻关过程中遇到的问题。

团队坚持“问题导向”原则。首先对前述技术和管理层面暴露的问题进行全面的归纳,随后按照质量4M1E因素分类,即人(man)、机器(machine)、材料(material)、方法(method)和环境(environment),从5个方面逐项分析、挖掘问题背后的原因。团队严格按照航天过程质量控制的有关要求,在生产阶段可行的范围内提出有效的解决措施,通过梳理各项因素之间的因果关系,发现深盲孔加工技术能力不足是导致一系列问题的关键短线。团队以2017年所级科研生产攻关项目的实施为契机,深入讨论、研究有关技术方案,确立了以深盲孔加工技术研究作为重点技术攻关路径,同时在生产管理层面统筹考虑,精简原有的工艺流程、均衡不同单元的生产负荷,通过提升技术能力来突破产能天花板。

图1 壳体零件生产瓶颈及解决措施

图2 骨架零件生产瓶颈及解决措施

2.实施内容及方法

一是薄壁平底深孔零件切削加工技术研究。针对壳体、骨架薄壁平底深孔结构加工过程中刀具磨损快、加工质量差、产前准备繁琐、车加工及刃磨单元超负荷生产等问题,开展薄壁平底深孔零件刀具加工技术研究,内容包括刀具选用、设备选用、切削参数优化研究等。

刀具选用。壳体选用奥氏体沉淀硬化不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti),为了克服内孔机加工过程中暴露的材料加工难、耗材种类多、工艺流程复杂、加工效率低等问题,攻关团队在原有工艺方法的基础上进行了多种改进和尝试,力求寻找能兼顾加工质量、效率和成本的新型工艺方法。

针对1Cr18Ni9Ti难切削材料的深孔加工,传统的麻花钻和内冷钻加工效率低,键槽刀扩孔的孔壁粗糙度差,极易发生缠屑、崩刃等问题;常规和平底枪钻虽然加工效率高,但磨损同样较快,车间刃磨效率和质量均不能满足生产的需求,而且无法保障同轴度、粗糙度等技术要求,因此工艺改进方案均未达到预期效果。

理想的壳体内孔加工刀具应具有高效、稳定、经济的特点,同时保证良好的孔壁粗糙度并减少后序精加工的过程。经过广泛的调研、选型,攻关团队最终锁定了可换刀头式深孔内冷钻。该类刀具可以一次装夹完成引钻、深钻、平底、清根,加工出的孔尺寸、粗糙度、直线度均较为稳定,满足全部图纸技术要求。刀杆、刀头标准化程度高、寿命长,装卸快捷方便,无需反复对刀,加工效率高,刀头购置成本适中,同时具有TiAlN涂层,耐磨损、工作寿命长。

骨架采用可熔性聚酰亚胺模压塑料(YS20)。其内孔原采用普通枪钻加工,再车平底。根据骨架内孔孔型及技术要求,技术团队充分利用YS20易于切削的特点,调研选用了德国钴领定制尺寸的平底枪钻,引钻后内孔一步加工成型,满足各项尺寸、形位、粗糙度等技术要求,进一步提高了加工效率和质量。同时因为刀具磨损速度较慢,新刀具加工多个批次后仍保持较好的切削性能,对刃磨单元不造成额外负担。

设备选用。该产品零件多为回转体结构,内孔、外形加工基本完全由车加工单元承担。为均衡车间各单元生产负荷,外壳内孔加工使用的设备由卧式数控车床调整为DMG DMU60数控铣加工中心,满足新型刀具的内冷需求,在显著减轻了车加工单元负担的同时,还避免了卧式车床在加工同类深孔时,由于刀具装夹、自重等因素导致的刀具中心与理想主轴回转轴线之间的偏离,有效减轻刀具振动、深孔偏斜等现象。

对于骨架零件,YS20来料后的外圆粗加工、内孔成型加工以及切断宜一次装夹完成,为了兼顾工艺流程的精简、加工质量的稳定,因此骨架内孔加工仍由哈挺(HARDINGE) Quest8/51数控车床完成,刀具振颤问题将通过后续装夹方式的优化克服。

切削参数优化。壳体零件内孔加工在数控铣加工中心进行,工件采用软爪垂直装夹、机床主轴自动找正外圆的方式,根据孔壁粗糙度、钻削噪音、切屑质量等来综合判断切削参数是否合适,在厂家推荐切削参数组的基础上不断进行尝试和改进,最终摸索出适应各型号壳体内孔加工的参数组。

在保证加工质量和效率的前提下进一步控制成本,当可换刀头接近寿命极限、孔壁质量略有下降时,可在同一设备上增加精铰工步去除高点,速度快、效果好,因去量极少(单边≤0.01mm),所以铰刀磨损速度很慢,加工一个甚至几个批次都无需刃磨,通过这种方法可以延长约20%刀头寿命,钻头寿命折合钻深长度尺寸可达7～8m。

骨架内孔加工在HARDINGE Quest8/51卧式数控车床上进行。工件采用液压主轴装夹,刀具固定于刀盘架上,加工时通过切削噪音、孔壁粗糙度、是否有缺陷等判断切削参数是否合适。

二是薄壁平底深孔零件装夹变形仿真及控制研究。针对骨架在加工时存在装夹变形、刀具振颤等不利因素,开展薄壁平底深孔零件装夹变形仿真及控制研究,内容包括零件装夹变形仿真研究、零件装夹方式优化和变形控制研究。

Quest8/51主轴夹持力在890～4450N范围内可调。针对YS20材料在装夹过程中易变形的问题,通过有限元仿真模型的建立和计算,可判断夹持部分径向收缩变形量和轴向受影响的长度范围,由此推算该夹持力下的最小工艺夹头和合理的夹持部位。

为了保证YS20材料工件在切削过程中保持稳固,通常使用不小于1800N力进行夹持。采用ANSYS有限元仿真软件对φ16mm棒材夹持受力进行建模,模拟车床主轴以1800N夹持力对棒材左端30mm长度范围锁紧的状态。建立棒料模型后,需将模型的表面进行划断,仅对工艺夹头一端施加边界条件。设置边界条件时,将1800N力按接触面积换算为压强12.8MPa。模型选用静态结构模式。

该模型可快速的对不同直径、夹持力甚至材料特性的装夹情景进行仿真计算,进而判断合理夹持部位。根据运算结果发现夹持部位直径最大收缩约0.05mm,轴向影响范围延伸至夹持部位附近约4mm。因此对于该直径棒料,预留35mm左右夹头可完全防止对加工部位的变形影响,避免内孔孔壁产生加工纹路和台阶。

预留夹头后,因YS20材料刚度较低,在深孔钻削过程中工件可以一定程度上跟随刀具走向,可以显著减轻因工件回转主轴与刀具中心轴的偏离导致的振颤,提高孔壁加工质量。这也为工件外形粗加工、内孔成型加工以及切断的一次装夹加工到位提供了基础,兼顾了加工效率和产品质量。

三是薄壁平底深孔零件加工工艺流程设计及优化研究。针对壳体、骨架薄壁平底深孔结构加工生产周期长、质量不稳定等问题,开展工艺流程设计及优化研究,内容包括壳体产品工艺流程设计和优化,骨架产品工艺流程设计和优化。

优化后的工艺流程,以高效的无心磨加工代替了车顶尖孔、研顶尖孔以及精磨外圆等工序,保证了较高的外圆圆柱度和尺寸一致性。壳体内孔以外形装夹一次加工到位,除个别同轴度要求极高的型号外可直接精车外形,省去了配磨芯轴的大量工作。在保障加工质量的前提下提高了生产效率,缩短了整个零件的工艺流程,节省了大量零件周转、耗材准备、工装制作时间,显著缩短了生产周期。在保证零件的批次质量一致性的前提下提升内孔加工效率超过5倍。

引入平底枪钻后,进一步提高了加工效率,缩短了工艺流程,同时还避免了原流程中平底刀具与内孔尺寸差别导致的接刀痕迹。不仅如此,通过改变装夹方式、应用平底枪钻等加工手段,现有工艺流程加工质量稳定,彻底杜绝了原有的孔壁台阶、横纹等质量问题,进一步提高了效率。

3.创新与亮点

本项目不仅面临深盲孔加工效率、质量亟待提高的技术问题,同时还涉及耗材产前准备、车加工及刃磨单元生产超负荷、生产成本控制等问题,这些都密切关系到事业部未来能否摆脱传统发展路径,成功转型升级。产品生产批量不仅要实现快速增长,更要高效、高品质完成。

项目团队在各级专家领导的密切关注和指导下,运用全面质量管理的基本方法,秉持全面质量管理的基本原则∶质量第一,科学的确定质量目标并安排人力、物力、财力予以保证。持续改进,不断加强质量管理,促使质量的保持、改进和提高。用数据说话,以客观事实和数据为依据来反映、分析和解决质量问题。管理与技术并重,充分发挥专业技术和管理技术的作用,两者相辅相成,以技术促发展,以管理出效益。

团队按照PDCA管理循环执行了完整的计划、实施、检查、分析过程,取得了较好的成效。面对传统加工技术瓶颈和生产管理上遇到的诸多难题,认真梳理其内在的联系,以低成本、小投入的技术创新为牵引,提高了深盲孔加工工艺水平,在充分保障产品质量的前提下,显著缩短了零件生产周期,有效降低了车间有关加工单元的生产负荷,为事业部创新发展提供了更多空间。

二、 实践效果

本项目成功提高了该产品壳体、骨架零件深盲孔加工工艺水平,优化了工艺流程,具体体现在以下4个方面:

一是解决了壳体加工过程中刀具磨损快、崩刃、产前准备繁琐的问题,目前可换刀头式深孔内冷钻平均每个刀头可连续加工40～45件产品,折合总加工深度可达7m以上,远优于普通深孔内冷钻、键槽铣刀、各式枪钻、铰刀、特制加长镗刀等传统刀具的组合加工方案。

二是壳体内孔加工效率提高5倍以上,同时工艺流程精简了将近一半,省去了配磨芯轴的工作,显著缩短了零件生产周期。

三是骨架加工通过预留最小化工艺夹头、应用平底枪钻等手段,彻底杜绝了原有的孔壁台阶、横纹等质量问题,同时进一步提高了效率。

四是通过调整数控铣与数控车单元的生产任务分配以及新型刀具的应用,有效降低了车加工、刃磨单元的负荷,为车间进一步提高产能腾出了宝贵空间。

在全体事业部技术、管理、操作人员的共同努力下,2017年度顺利完成多种型号尺寸的壳体、骨架1000件入库,攻关成果应用后,有关零件生产全过程质量稳定,一致性良好,未发生任何批次性质量问题,成效显著,还形成了有关深盲孔零件机加工艺规范,为今后类似结构产品的研制生产打下了坚实基础。

三、 后续思路

刀具切削参数还有优化空间,在条件允许的情况下采用多轮次正交试验的手段,以粗糙度、同轴度等结果要素来进一步评价、优化切削参数。

在上级机构各组成元件的设计制造中,类似深盲孔结构还普遍存在,本项目技术成果未来可广泛应用于各型号生产任务中。

可换刀头式深孔内冷钻属于业内较为新型的刀具,各种新式涂层、刀尖形状、导向条设计方案层出不穷,是近年来各大知名刀具厂商着力开发的产品,在某些军工、汽车制造领域的企业已经成熟应用了一段时间,因其高标准、高效率、高品质的产品特点,目前还在逐步扩大应用范围。在实际工作中。既要看到本项目应用的显著成果,也要认识到与先进制造工艺技术和现代企业管理水平的差距,更要明确未来的发展方向,无论是技术还是管理层面,落后就会遇到瓶颈,僵化就会被淘汰。军工企业在未来转型升级的路上,既要秉持质量第一的理念不放松,也要从企业效益角度考虑,无论是生产工艺流程还是管理方案,都应在初期设计策划阶段纳入评审考量范围。