平底深孔加工工艺研究

张少威 范新亮 邹庆明

摘要：深孔加工是机械加工的难题，一方面是孔深度大，钻头容易偏转;另一方面大孔深导致切屑不易排出;除此之外，平底、带圆角、不锈钢材料以及较高的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求等，大大增大了加工难度。

本文通过对平底深孔进行尺寸分析，结合历史方案制定新的工艺方案，采用加长减震铣刀精铣拐角的方案，通过方案实施、效果验证，攻克了平底深孔的加工难关。

关键词：深孔;平底;不锈钢;难点分析;工艺方案

堆内构件（RVI：Reactor Vessel Internal）位于反应堆压力容器内部，是核电厂核岛的核心主设备，其作用是为燃料组件及其相关组件提供可靠的支承、压紧和精确的定位，承受堆芯部件的全部载荷，并传递给反应堆压力容器;为反应堆一回路冷却剂提供流道等。

特殊的作用决定了堆内构件的结构复杂，尺寸精度及表面粗糙度要求极高;同时，为了满足特殊工况要求，堆内构件的原材料为奥氏体不锈钢，加工难度大大增加。

堆内构件某关键零件，尺寸约为Φ2000×250mm的饼形零件，零件表面有较多平底孔，孔直径尺寸精度、位置公差及表面粗糙度要求高，加工难度极大。

1   平底深孔的形状和尺寸分析

本零件形状简图如图1所示，为饼形零件，零件表面有大量孔系，根据设计功能要求，有通孔、螺纹孔、沉孔及平底孔，本文主要讲述平底孔的加工，下面对平底孔进行介绍。

1.1  平底孔的形状及尺寸要求

该零件上共有6种平底孔，尺寸、深度及转角要求如下：

1、Φ40+0.2 0深195±0.5平底孔，转角R3;

2、Φ60+0.2 0深215±0.5平底孔，转角R4;

3、Φ65+0.2 0深195±0.5平底孔，转角R4;

4、Φ80+0.2 0深215±0.5平底孔，转角R4;

5、Φ120+0.25 0深215±0.5平底孔，转角R4;

6、Φ120+0.14 0深210±0.5平底孔，转角R4。

此外，堆内构件要求所有零件最低表面粗糙度为Ra3.2，上述平底孔的粗糙度要求为Ra3.2;同时，平底孔位置尺寸要求高，要求孔中心到零件中心距离尺寸公差为±0.15mm，下面以典型的Φ40、Φ60、Φ120孔为例，孔的形状详见图2。

1.2  平底孔的加工难点分析

通过对上述平底孔进行分析，主要存在如下5个方面的加工难点：

1. 孔的长径比大，以Φ40孔为例，其长径比接近5，属于典型的深孔;

2. 孔底为平面且粗糙度要求高，增大加工难度;

3. 孔为盲孔，切屑在孔内难以排出;

4. 孔径公差要求高，且与孔底交界处有圆角要求;

5. 材料为不锈钢，具有不断屑、加工硬化严重、散热差、切屑粘刀等难点。

综上所述，上述平底孔的结构决定了其加工难度大，精度难以保证，需进行专题攻关。

2  历史产品加工方案介绍

类似产品我公司已加工多台，在以往项目中，受制于设备条件、刀具能力及工艺水平，该零件采用较为原始的工艺，零件工艺流程详见图3。

平底孔的精加工在精镗孔系阶段进行，传统精镗工艺介绍如下。

1. 精镗在老式Φ160普通落地镗床进行;

2. 使用粗镗刀镗孔，加工至根部圆角处，孔径留余量;

3. 使用修磨后的平底麻花钻扩孔，深度加工到位，孔径留余量;

4. 使用定制平底带圆角麻花钻精修孔底圆角;

5. 使用精镗刀镗孔到尺寸;

6. 钳工手工抛光接刀位置圆滑过渡。

上述工艺较为原始，加工效率极其低下，以Φ40深孔为例，单个孔加工时间超过一周，钻头修磨、孔底圓角接刀困难、尺寸难以保证、钳工修磨量大;同时，孔底面及圆角采用手磨平底钻精加工，接触面大，表面粗糙度差，需要耗费大量的时间修磨。

3 新工艺方案

原工艺方案较为原始，大量采用手磨刀具，加工效率低，加工质量差，较难以满足公司的快速发展需要，也无法满足顾客对产品质量和进度的要求，急切需要对原工艺进行改进。新工艺方案主要包括现状调查、制定对策、对策实施和效果验证。

3.1  现状调查

由于加工工艺较为原始，平底孔加工质量基本满足要求，除孔径尺寸公差满足图纸要求、孔深度基本满足要求以外，孔底面粗糙度超过Ra6.3，孔底圆角接刀效果极差，需要钳工耗费大量精力去抛光。此外，加工所用设备为普通落地镗铣床，设备较为原始，不具备数控加工能力，操作起来费时费力。

3.2  制定方案

结合公司近期设备能力提升，以及大量先进刀具的使用以及工艺能力的提升，决定对加工工艺进行改进，主要思路如下。

1. 改用数控设备，减轻操作者劳动强度;

2. 为了切屑及时排出，采用数控落地镗铣床卧式加工;

3. 原有手磨刀具全部舍弃，改数控刀具;

4. 重点改进孔底面以及孔底圆角的加工工艺;

5. 加工效率比原有提高1倍以上，该零件所有平底孔加工完成总时间不超过1.5个月;

6. 大幅减少钳工修磨量，单个孔修磨时间减少至20min以内。

我司前期曾对方孔粗、精铣加工工艺进行了改进，由原有的玉米铣刀粗铣、立铣刀精铣的工艺，改进为方肩铣刀粗铣、立铣刀精铣的工艺，方肩铣刀具有锋利、切削力小、进给速度快等优点，可作为平底孔底面以及拐角圆弧铣加工方案的选择。

以Φ40+0.2 0深195±0.5转角R3平底孔为例，简述改进过程及方案实施情况。

1、难点分析

零件粗加工情况，平底孔直径单边留余量2mm，孔深度余量7mm，该平底孔直径小、长径比接近5倍，精铣孔底面和圆角的刀具难以选择，刀具直径应小于40mm;同时，方肩铣刀刀片宽度4mm左右，铣刀底刃不过圆心，为确保孔底面加工到位，最终选择Φ25加长方肩铣刀，铣刀最大加工深度200mm，长径比高达8倍，刀杆应有减震效果，刀片足够锋利，刀片圆角应满足图纸要求，并采用合理的加工参数。

2、刀具選择

经过我司同刀具厂家经过多次试验，最终选择国产硬质合金杆方肩铣刀，该刀杆强度好、减震效果好，经过多次加工试验，该刀杆进给速度可达到400mm/min，刀具震动小，孔底面粗糙度接近Ra1.6，优于图纸要求。

此外，孔径精镗用精镗刀沿用我司现有模块化镗刀，带减震刀杆，可满足深孔精镗要求。刀具详见图4。

3、改进后的工艺方案

下面以Φ40+0.2 0深195±0.5转角R3平底孔为例，简述改进后的工艺方案。

1）使用Φ34加长平钻头将孔深度锪钻到Φ34深194.8;

2）使用Φ25加长方肩铣刀螺旋铣孔至Φ39.4深191;

3）更换R3刀片，使用Φ25加长方肩铣刀螺旋铣孔至Φ39.4，深度到尺寸;

4）使用Φ35-Φ48精镗刀镗孔至Φ40，注意分为半精镗和精镗;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，精镗最后一刀吃刀量控制在0.05-0.01mm之内，深度加工至与底部圆角R3接刀处，注意控制好镗孔深度，与铣加工圆角做好接刀;

5）使用Φ25加长方肩铣刀清根，加工底部圆角R3处接刀痕;

6）换45°倒角刀将孔口倒C1角。

3.3  ;效果检验

使用新工艺方案加工后，单个孔加工周期减少至原来的1/5，孔径、表面粗糙度均可满足图纸要求，单个零件精加工周期40天，钳工修磨量极小，单个孔修磨量不超过15min。

新工艺方案实施后，大大节约加工周期;同时，改用数控刀具后，操作者不需要磨刀，大大减少操作者的劳动强度;此外，改用数控机床，无需操作者手动调整、更换加工位置，减轻劳动强度。

本工艺方案实施效果优良。

4 注意事项

1）开工前，做好充分的风险识别及防范措施，落实到相应表格中;

2）严格执行操作者自检、互检和检查员专检手续，并做好记录;

3）加工前，在试验件上做好每把刀具及程序的验证，确保合格后再加工产品;

4）加工过程中，注意观察刀具震动状态，如有异常及时停机排除;

5）使用Φ25加长方肩铣刀时，每加工一刀，需检查刀片状况，及时更换;

6）加工后做好检查工作，确保每孔必检。

5 总结

经过现状调查、方案制定及效果检验后，成功攻克平底深孔加工难题。通过此次研究，掌握了平底深孔加工工艺，加工工艺也随着刀具水平的不断提高与时俱进，提高公司的工艺水平和生产能力;也证实了“工艺才是提高质量、提升效率的根本方法”这句箴言。

通过此次研究，为类似特征的加工积累了足够的经验，同时也为后续类似产品的加工提供更加多样化的解决方案。

参考文献：

[1] 童幸生、徐翔、胡建华.材料成形及机械制造工艺基础[M].武汉：华中科技大学出版社， 2002.

[2] 吴小康.压水堆核电厂堆内构件制造的质量监督[J].核动力工程，2011：16-19.

[3] 唐宗军.机械制造基础[M].北京：机械工业出版社， 2008.

作者简介：张少威（1987.12），男，汉族，学士学位，工程师，东方电气（武汉）核设备有限公司，从事堆内构件制造工艺技术工作，地址：武汉市江夏区阳光大道8号，邮编：430223;范新亮（1986.1），男，汉族，学士学位，经济师，东方电气（武汉）核设备有限公司，从事堆内构件技术准备工作。邹庆明（1988.6），男，汉族，大专学位，高级工，东方电气（武汉）核设备有限公司，从事堆内构件制造工作。