難加工材料深孔高效加工工藝攻關(guān)與流程優(yōu)化

/北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所

某產(chǎn)品機(jī)加屬于北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所新承接任務(wù),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(chǎn)周期長(zhǎng)、耗材成本高、一次交檢合格率不高等難題,對(duì)產(chǎn)品機(jī)加齊套形成了制約,影響了產(chǎn)能的充分釋放,有時(shí)甚至對(duì)其它任務(wù)及時(shí)排產(chǎn)形成擠壓。因此,合理優(yōu)化利用現(xiàn)有設(shè)備加工能力,在成本可控的前提下提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量,同時(shí)均衡有關(guān)生產(chǎn)單元負(fù)荷成為當(dāng)務(wù)之急。

一、工作與實(shí)踐

1.工作策劃

事業(yè)部高度重視殼體、骨架2種零件的生產(chǎn)瓶頸問題(見圖1、圖2)。從落實(shí)全面質(zhì)量管理(TQM)理念的角度出發(fā),成立了由1名生產(chǎn)管理者、2名工藝人員、2名技能人員組成的攻關(guān)團(tuán)隊(duì),并設(shè)有操作、檢驗(yàn)、管理崗有關(guān)人員積極配合,保證由上至下對(duì)人力資源、生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備工具、工藝方法的有效安排,同時(shí)保持由下向上的信息反饋路徑通暢,確保能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)攻關(guān)過(guò)程中遇到的問題。

團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“問題導(dǎo)向”原則。首先對(duì)前述技術(shù)和管理層面暴露的問題進(jìn)行全面的歸納,隨后按照質(zhì)量4M1E因素分類,即人(man)、機(jī)器(machine)、材料(material)、方法(method)和環(huán)境(environment),從5個(gè)方面逐項(xiàng)分析、挖掘問題背后的原因。團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格按照航天過(guò)程質(zhì)量控制的有關(guān)要求,在生產(chǎn)階段可行的范圍內(nèi)提出有效的解決措施,通過(guò)梳理各項(xiàng)因素之間的因果關(guān)系,發(fā)現(xiàn)深盲孔加工技術(shù)能力不足是導(dǎo)致一系列問題的關(guān)鍵短線。團(tuán)隊(duì)以2017年所級(jí)科研生產(chǎn)攻關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施為契機(jī),深入討論、研究有關(guān)技術(shù)方案,確立了以深盲孔加工技術(shù)研究作為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)路徑,同時(shí)在生產(chǎn)管理層面統(tǒng)籌考慮,精簡(jiǎn)原有的工藝流程、均衡不同單元的生產(chǎn)負(fù)荷,通過(guò)提升技術(shù)能力來(lái)突破產(chǎn)能天花板。

圖1 殼體零件生產(chǎn)瓶頸及解決措施

圖2 骨架零件生產(chǎn)瓶頸及解決措施

2.實(shí)施內(nèi)容及方法

一是薄壁平底深孔零件切削加工技術(shù)研究。針對(duì)殼體、骨架薄壁平底深孔結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中刀具磨損快、加工質(zhì)量差、產(chǎn)前準(zhǔn)備繁瑣、車加工及刃磨單元超負(fù)荷生產(chǎn)等問題,開展薄壁平底深孔零件刀具加工技術(shù)研究,內(nèi)容包括刀具選用、設(shè)備選用、切削參數(shù)優(yōu)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(nèi)孔機(jī)加工過(guò)程中暴露的材料加工難、耗材種類多、工藝流程復(fù)雜、加工效率低等問題,攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在原有工藝方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種改進(jìn)和嘗試,力求尋找能兼顧加工質(zhì)量、效率和成本的新型工藝方法。

針對(duì)1Cr18Ni9Ti難切削材料的深孔加工,傳統(tǒng)的麻花鉆和內(nèi)冷鉆加工效率低,鍵槽刀擴(kuò)孔的孔壁粗糙度差,極易發(fā)生纏屑、崩刃等問題;常規(guī)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(zhì)量均不能滿足生產(chǎn)的需求,而且無(wú)法保障同軸度、粗糙度等技術(shù)要求,因此工藝改進(jìn)方案均未達(dá)到預(yù)期效果。

理想的殼體內(nèi)孔加工刀具應(yīng)具有高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn),同時(shí)保證良好的孔壁粗糙度并減少后序精加工的過(guò)程。經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研、選型,攻關(guān)團(tuán)隊(duì)最終鎖定了可換刀頭式深孔內(nèi)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(wěn)定,滿足全部圖紙技術(shù)要求。刀桿、刀頭標(biāo)準(zhǔn)化程度高、壽命長(zhǎng),裝卸快捷方便,無(wú)需反復(fù)對(duì)刀,加工效率高,刀頭購(gòu)置成本適中,同時(shí)具有TiAlN涂層,耐磨損、工作壽命長(zhǎng)。

骨架采用可熔性聚酰亞胺模壓塑料(YS20)。其內(nèi)孔原采用普通槍鉆加工,再車平底。根據(jù)骨架內(nèi)孔孔型及技術(shù)要求,技術(shù)團(tuán)隊(duì)充分利用YS20易于切削的特點(diǎn),調(diào)研選用了德國(guó)鈷領(lǐng)定制尺寸的平底槍鉆,引鉆后內(nèi)孔一步加工成型,滿足各項(xiàng)尺寸、形位、粗糙度等技術(shù)要求,進(jìn)一步提高了加工效率和質(zhì)量。同時(shí)因?yàn)榈毒吣p速度較慢,新刀具加工多個(gè)批次后仍保持較好的切削性能,對(duì)刃磨單元不造成額外負(fù)擔(dān)。

設(shè)備選用。該產(chǎn)品零件多為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),內(nèi)孔、外形加工基本完全由車加工單元承擔(dān)。為均衡車間各單元生產(chǎn)負(fù)荷,外殼內(nèi)孔加工使用的設(shè)備由臥式數(shù)控車床調(diào)整為DMG DMU60數(shù)控銑加工中心,滿足新型刀具的內(nèi)冷需求,在顯著減輕了車加工單元負(fù)擔(dān)的同時(shí),還避免了臥式車床在加工同類深孔時(shí),由于刀具裝夾、自重等因素導(dǎo)致的刀具中心與理想主軸回轉(zhuǎn)軸線之間的偏離,有效減輕刀具振動(dòng)、深孔偏斜等現(xiàn)象。

對(duì)于骨架零件,YS20來(lái)料后的外圓粗加工、內(nèi)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(jiǎn)、加工質(zhì)量的穩(wěn)定,因此骨架內(nèi)孔加工仍由哈挺(HARDINGE) Quest8/51數(shù)控車床完成,刀具振顫問題將通過(guò)后續(xù)裝夾方式的優(yōu)化克服。

切削參數(shù)優(yōu)化。殼體零件內(nèi)孔加工在數(shù)控銑加工中心進(jìn)行,工件采用軟爪垂直裝夾、機(jī)床主軸自動(dòng)找正外圓的方式,根據(jù)孔壁粗糙度、鉆削噪音、切屑質(zhì)量等來(lái)綜合判斷切削參數(shù)是否合適,在廠家推薦切削參數(shù)組的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行嘗試和改進(jìn),最終摸索出適應(yīng)各型號(hào)殼體內(nèi)孔加工的參數(shù)組。

在保證加工質(zhì)量和效率的前提下進(jìn)一步控制成本,當(dāng)可換刀頭接近壽命極限、孔壁質(zhì)量略有下降時(shí),可在同一設(shè)備上增加精鉸工步去除高點(diǎn),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(gè)甚至幾個(gè)批次都無(wú)需刃磨,通過(guò)這種方法可以延長(zhǎng)約20%刀頭壽命,鉆頭壽命折合鉆深長(zhǎng)度尺寸可達(dá)7～8m。

骨架內(nèi)孔加工在HARDINGE Quest8/51臥式數(shù)控車床上進(jìn)行。工件采用液壓主軸裝夾,刀具固定于刀盤架上,加工時(shí)通過(guò)切削噪音、孔壁粗糙度、是否有缺陷等判斷切削參數(shù)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(duì)骨架在加工時(shí)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(nèi)容包括零件裝夾變形仿真研究、零件裝夾方式優(yōu)化和變形控制研究。

Quest8/51主軸夾持力在890～4450N范圍內(nèi)可調(diào)。針對(duì)YS20材料在裝夾過(guò)程中易變形的問題,通過(guò)有限元仿真模型的建立和計(jì)算,可判斷夾持部分徑向收縮變形量和軸向受影響的長(zhǎng)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(guò)程中保持穩(wěn)固,通常使用不小于1800N力進(jìn)行夾持。采用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)φ16mm棒材夾持受力進(jìn)行建模,模擬車床主軸以1800N夾持力對(duì)棒材左端30mm長(zhǎng)度范圍鎖緊的狀態(tài)。建立棒料模型后,需將模型的表面進(jìn)行劃斷,僅對(duì)工藝夾頭一端施加邊界條件。設(shè)置邊界條件時(shí),將1800N力按接觸面積換算為壓強(qiáng)12.8MPa。模型選用靜態(tài)結(jié)構(gòu)模式。

該模型可快速的對(duì)不同直徑、夾持力甚至材料特性的裝夾情景進(jìn)行仿真計(jì)算,進(jìn)而判斷合理夾持部位。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(duì)于該直徑棒料,預(yù)留35mm左右夾頭可完全防止對(duì)加工部位的變形影響,避免內(nèi)孔孔壁產(chǎn)生加工紋路和臺(tái)階。

預(yù)留夾頭后,因YS20材料剛度較低,在深孔鉆削過(guò)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(zhuǎn)主軸與刀具中心軸的偏離導(dǎo)致的振顫,提高孔壁加工質(zhì)量。這也為工件外形粗加工、內(nèi)孔成型加工以及切斷的一次裝夾加工到位提供了基礎(chǔ),兼顧了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

三是薄壁平底深孔零件加工工藝流程設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究。針對(duì)殼體、骨架薄壁平底深孔結(jié)構(gòu)加工生產(chǎn)周期長(zhǎng)、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題,開展工藝流程設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究,內(nèi)容包括殼體產(chǎn)品工藝流程設(shè)計(jì)和優(yōu)化,骨架產(chǎn)品工藝流程設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

優(yōu)化后的工藝流程,以高效的無(wú)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(nèi)孔以外形裝夾一次加工到位,除個(gè)別同軸度要求極高的型號(hào)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(zhì)量的前提下提高了生產(chǎn)效率,縮短了整個(gè)零件的工藝流程,節(jié)省了大量零件周轉(zhuǎn)、耗材準(zhǔn)備、工裝制作時(shí)間,顯著縮短了生產(chǎn)周期。在保證零件的批次質(zhì)量一致性的前提下提升內(nèi)孔加工效率超過(guò)5倍。

引入平底槍鉆后,進(jìn)一步提高了加工效率,縮短了工藝流程,同時(shí)還避免了原流程中平底刀具與內(nèi)孔尺寸差別導(dǎo)致的接刀痕跡。不僅如此,通過(guò)改變裝夾方式、應(yīng)用平底槍鉆等加工手段,現(xiàn)有工藝流程加工質(zhì)量穩(wěn)定,徹底杜絕了原有的孔壁臺(tái)階、橫紋等質(zhì)量問題,進(jìn)一步提高了效率。

3.創(chuàng)新與亮點(diǎn)

本項(xiàng)目不僅面臨深盲孔加工效率、質(zhì)量亟待提高的技術(shù)問題,同時(shí)還涉及耗材產(chǎn)前準(zhǔn)備、車加工及刃磨單元生產(chǎn)超負(fù)荷、生產(chǎn)成本控制等問題,這些都密切關(guān)系到事業(yè)部未來(lái)能否擺脫傳統(tǒng)發(fā)展路徑,成功轉(zhuǎn)型升級(jí)。產(chǎn)品生產(chǎn)批量不僅要實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng),更要高效、高品質(zhì)完成。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在各級(jí)專家領(lǐng)導(dǎo)的密切關(guān)注和指導(dǎo)下,運(yùn)用全面質(zhì)量管理的基本方法,秉持全面質(zhì)量管理的基本原則∶質(zhì)量第一,科學(xué)的確定質(zhì)量目標(biāo)并安排人力、物力、財(cái)力予以保證。持續(xù)改進(jìn),不斷加強(qiáng)質(zhì)量管理,促使質(zhì)量的保持、改進(jìn)和提高。用數(shù)據(jù)說(shuō)話,以客觀事實(shí)和數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)反映、分析和解決質(zhì)量問題。管理與技術(shù)并重,充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)和管理技術(shù)的作用,兩者相輔相成,以技術(shù)促發(fā)展,以管理出效益。

團(tuán)隊(duì)按照PDCA管理循環(huán)執(zhí)行了完整的計(jì)劃、實(shí)施、檢查、分析過(guò)程,取得了較好的成效。面對(duì)傳統(tǒng)加工技術(shù)瓶頸和生產(chǎn)管理上遇到的諸多難題,認(rèn)真梳理其內(nèi)在的聯(lián)系,以低成本、小投入的技術(shù)創(chuàng)新為牽引,提高了深盲孔加工工藝水平,在充分保障產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,顯著縮短了零件生產(chǎn)周期,有效降低了車間有關(guān)加工單元的生產(chǎn)負(fù)荷,為事業(yè)部創(chuàng)新發(fā)展提供了更多空間。

二、 實(shí)踐效果

本項(xiàng)目成功提高了該產(chǎn)品殼體、骨架零件深盲孔加工工藝水平,優(yōu)化了工藝流程,具體體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

一是解決了殼體加工過(guò)程中刀具磨損快、崩刃、產(chǎn)前準(zhǔn)備繁瑣的問題,目前可換刀頭式深孔內(nèi)冷鉆平均每個(gè)刀頭可連續(xù)加工40～45件產(chǎn)品,折合總加工深度可達(dá)7m以上,遠(yuǎn)優(yōu)于普通深孔內(nèi)冷鉆、鍵槽銑刀、各式槍鉆、鉸刀、特制加長(zhǎng)鏜刀等傳統(tǒng)刀具的組合加工方案。

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

三是骨架加工通過(guò)預(yù)留最小化工藝夾頭、應(yīng)用平底槍鉆等手段,徹底杜絕了原有的孔壁臺(tái)階、橫紋等質(zhì)量問題,同時(shí)進(jìn)一步提高了效率。

四是通過(guò)調(diào)整數(shù)控銑與數(shù)控車單元的生產(chǎn)任務(wù)分配以及新型刀具的應(yīng)用,有效降低了車加工、刃磨單元的負(fù)荷,為車間進(jìn)一步提高產(chǎn)能騰出了寶貴空間。

在全體事業(yè)部技術(shù)、管理、操作人員的共同努力下,2017年度順利完成多種型號(hào)尺寸的殼體、骨架1000件入庫(kù),攻關(guān)成果應(yīng)用后,有關(guān)零件生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量穩(wěn)定,一致性良好,未發(fā)生任何批次性質(zhì)量問題,成效顯著,還形成了有關(guān)深盲孔零件機(jī)加工藝規(guī)范,為今后類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、 后續(xù)思路

刀具切削參數(shù)還有優(yōu)化空間,在條件允許的情況下采用多輪次正交試驗(yàn)的手段,以粗糙度、同軸度等結(jié)果要素來(lái)進(jìn)一步評(píng)價(jià)、優(yōu)化切削參數(shù)。

在上級(jí)機(jī)構(gòu)各組成元件的設(shè)計(jì)制造中,類似深盲孔結(jié)構(gòu)還普遍存在,本項(xiàng)目技術(shù)成果未來(lái)可廣泛應(yīng)用于各型號(hào)生產(chǎn)任務(wù)中。

可換刀頭式深孔內(nèi)冷鉆屬于業(yè)內(nèi)較為新型的刀具,各種新式涂層、刀尖形狀、導(dǎo)向條設(shè)計(jì)方案層出不窮,是近年來(lái)各大知名刀具廠商著力開發(fā)的產(chǎn)品,在某些軍工、汽車制造領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)成熟應(yīng)用了一段時(shí)間,因其高標(biāo)準(zhǔn)、高效率、高品質(zhì)的產(chǎn)品特點(diǎn),目前還在逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。在實(shí)際工作中。既要看到本項(xiàng)目應(yīng)用的顯著成果,也要認(rèn)識(shí)到與先進(jìn)制造工藝技術(shù)和現(xiàn)代企業(yè)管理水平的差距,更要明確未來(lái)的發(fā)展方向,無(wú)論是技術(shù)還是管理層面,落后就會(huì)遇到瓶頸,僵化就會(huì)被淘汰。軍工企業(yè)在未來(lái)轉(zhuǎn)型升級(jí)的路上,既要秉持質(zhì)量第一的理念不放松,也要從企業(yè)效益角度考慮,無(wú)論是生產(chǎn)工藝流程還是管理方案,都應(yīng)在初期設(shè)計(jì)策劃階段納入評(píng)審考量范圍。