偏心铣削管材端面延长刀片寿命的研究

2018-05-29曾桂彬周丽娜

机械制造 2018年11期

□ 曾桂彬□ 周丽娜

1.重庆市科学技术研究院重庆401121

2.重庆嘉陵华光光电科技有限公司重庆400700

燃料棒是核电站里面参加核反应的重要组件，作为核反应燃料的铀块装在锆合金包壳管中，在包壳管的端面焊上端塞将铀块密封在包壳管里组成燃料棒。由于反应后燃料棒的包壳管内会有很多强放射性物质，并且要承受高温高压的严苛工作环境，如果密封不严会造成核泄漏，严重危及人员安全和造成环境污染。为了确保焊接后端面良好的密封性，要求焊接前包壳管的端面必须平整，且对于加工后端面与外圆的垂直度要求很高。因此在包壳管加工过程中必须对端面进行精铣加工，保证端面的垂直度。由于包壳管在自动化生产线上进行大批量加工，刀具的损坏会导致不合格品的产生及生产节奏的停顿，因此如何在保证加工质量的前提下提高铣刀刀片的寿命尤为重要。下面以专供给上海阿海珐公司的包壳管精定长自动化生产线中的端面精铣机为例，就如何利用偏心来提高管材端铣刀片寿命作具体分析。

1 端面精铣机简介

如图1所示，为了保证端面精铣的加工质量，端面精铣机采用了夹持力及对中性均非常好的气动对中夹钳，确保夹持的稳定和定位的可靠，端铣刀片固定在动力头前端的刀头上，动力头采用稳定可靠的伺服驱动实现旋转和进给，确保了加工过程的平稳性。但设备安装完成后，在实际生产过程中发现铣刀刀片比在法国使用的同类设备磨损更快，因铣刀刀片磨损失效造成的端面不合格品也更多。

2 偏心对刀片寿命的影响分析

经过对刀片工作情况的分析发现，管材轴心与刀片旋转中心同轴安装，在工作过程中，刀片上只有一小段刃口参与切削，由于这段刃口上每个工作点在切削工作过程中都会有磨损，当磨损达到一定程度这些工作点就会失效。工作点磨损的程度主要取决于该点参与切削的累计工作长度［1］（由于主要讨论偏心对刀片工作寿命的影响，对于其它与偏心无关的影响因素此处就不作探讨［2］），一个工作点参与切削工作达到一定长度就容易因为磨损过大而失效。如果安装时让管材轴心和刀片旋转中心之间错开一定距离，就能增加刀片上参与切削的刃口工作段长度，减小每个工作点的磨损，从而增加刀片寿命。由于实际加工过程是很多个重复的切削周期（刀片旋转一圈为一个周期）共同完成的，因此只需要分析刀片上工作点在一个完整的切削周期中参与切削的工作长度，以此分析偏心距对刀片寿命的影响。以下就同轴安装和偏心安装对刀片寿命的影响作进一步的分析。

▲图1 端面精铣机结构示意图

3 偏心对刀片寿命的影响实例分析

▲图2 刀片旋转中心与管材中心同轴

▲图3 刀片旋转中心与管材中心不同轴

▲图4 刀片工作段分析

▲图5 刀片段工作分析

▲图6 刀片段工作分析

▲图7 刀片段工作分析

▲图8 刀片段工作分析二

▲图9 刀片段工作分析三

▲图10 刀片段工作分析四

综上可知，加工10 mm（外径）×0.5 mm（壁厚）管材，管材轴心与刀片旋转中心偏心距为0.5 mm时，刀片上所有工作点的单点工作长度最大为4.84π，而在管材轴心与刀片旋转中心同轴的情况下，切削管材外圆的刀片工作点单点工作长度为10π，即在同轴加工时刀片的单点最大工作长度比偏心加工长一倍。同理，加工其它规格的管材时，适当的偏心对延长刀片寿命也是有帮助的。

偏心虽然能提高刀片上每个工作点的使用寿命，但是由于刀片上工作点的变化也会带来工作点（受力点）到刀杆轴心线距离（即力臂）的变化［6］，没有偏心时，切削力与刀杆中心的力臂为刀片旋转中心到切削点的距离，是恒定的，偏心越大，力臂变化越大［7］，动力头的负载就会产生波动［8］，对精铣加工的质量产生不利影响［9］。另外，刀片上只有一段工作点参与切削，当这段工作点失效后可以将刀片移动一段位置（如图11所示，将刀片从位置一移动距离t后到达位置二），避开前面的工作段使用新的工作段继续切削［10］。由于同轴切削时刀片上只有长度为管材壁厚的工作段参与工作，因此只需移动一个管材的壁厚即可避开原工作段，而偏心时需要移动管材壁厚加上二倍的偏心距才能避开原工作段。偏心对于同一块刀片可移动位置重复利用的次数也会减少。

▲图11 刀片移位示意图

4 实施效果

实际生产过程中，以前在加工10 mm×0.5 mm的管材时，每加工200根就要移动一次刀片位置，而现在加工400根才移动一次刀片位置，且由于刀片原因产生的不合格产品也比原来有所减少［11］。因为停机移刀的时间大幅减少，工人的劳动强度也得到了大幅降低。在加工其它规格的管材时移刀频率也有不同程度的降低。