CN110052784A - 一种燃料元件异型零部件的加工方法 - Google Patents

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冯海宁
郧勤武
蔡振方
钱跃庆
姬鹏波
聂皓
皇泽中
侯旺
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明属于核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种燃料元件异型零部件的加工方法。步骤如下：步骤一：将圆柱形坯料装夹于五轴加工中心卡盘上进行校正，对刀准备进行加工；步骤二：在五轴加工中心上通过插铣的方式去除大量；步骤三：在五轴加工中心上，把工件夹在分度头上粗、精铣120°三等份齿；步骤四：在加工中心上钻孔、攻丝，并用螺钉进行试装，验证锥孔深度。本发明解决在加工过称中遇到的加工效率地、刀具寿命低、多次装夹所导致的加工精度不稳定、工序冗长、繁杂导致的加工效率地下等问题。

Description

一种燃料元件异型零部件的加工方法
技术领域
本发明属于核燃料元件制造技术领域，具体涉及一种燃料元件异型零部件的加工方法。
背景技术
该异型零部件为属核燃料元件，在相关领域均未见说明报道。该零部件作为核燃料中用于固定燃料管的结构件，是核燃料产品生产的重要组成部分。传统加工工艺中为完成该产品的加工、经由坯料钻中心孔，大量去除以及铣齿等三个大工步，车工、铣工、钳工等总计10余道工序完成，由于加工过程长、工序多，中间涉及多次工件重新装夹找正、存在累积误差。而且部分工序需要加工人员手工加工对操作者的加工经验与加工技术要求加高，并不具备普适性。该零部件是整个组件组装生产的核心部件，其成品率高低与加工效率高低直接影响整个组件生产流程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料元件异型零部件的加工方法，解决在加工过称中遇到的加工效率地、刀具寿命低、多次装夹所导致的加工精度不稳定、工序冗长、繁杂导致的加工效率地下等问题。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种燃料元件异型零部件的加工方法，步骤如下：
步骤一：将圆柱形坯料装夹于五轴加工中心卡盘上进行校正，对刀准备进行加工；
步骤二：在五轴加工中心上通过插铣的方式去除大量；
步骤三：在五轴加工中心上，把工件夹在分度头上粗、精铣120°三等份齿；
步骤四：在加工中心上钻孔、攻丝，并用螺钉进行试装，验证锥孔深度。
异型零部件为异型回转体，下部为空心圆台型底座，底座上连接有3个360°均布的爪型结构。
所述的爪型结构前端为梯形结构。
所述的爪型结构后部为6个间隙不同的齿形结构。
所述的齿形结构上开有2个锥形孔，6个齿形结构上的锥形孔为同心孔，直径由外向内依次递减。
所述的步骤四，螺钉与齿块装配时应保证螺钉头部不冒出的圆柱面，且沉深不超过0.3mm。
本发明所取得的有益效果为：
本发明根据该结构件的尺寸特点及自动化加工要求，设计新式加工工艺，完成了该结构件自动加工的工艺实施。使用该工艺自动化加工该操作头，批量生产时，成品零件锥孔尺寸精度达到0.02mm，产品加工效率大于0.6h/件与早期加工工艺相比提高了100％，产品合格率大于98％。本发明成功的将多道独立工序整合为单道工序，并可在一个程序内完成全部加工，消除了多次装夹带来的误差，成品零件锥孔尺寸精度达到0.02mm，产品加工效率大于0.6h/件与早期加工工艺相比提高了100％，产品合格率大于98％。提高了加工效率，实现了自动化加工。
本发明改进如下：
1、去除大量工艺改进
将原先使用的传统铣削工艺改进为插铣法铣削去大量，该工艺是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一。对于难加工材料的曲面加工，切槽加工以及刀具悬伸长度较大的加工，插铣法的加工效率远远高于常规的端面铣削法。事实上，在需要快速切除大量金属材料时，采用插铣法可使加工时间缩短一半以上。普通的加工方式相比插铣法具有如下优点：
(1)可减小工件变形；
(2)可降低作用于铣床的径向切削力，可以最大化的减小因径向加工力作用而导致的产品质量波动。
(3)刀具悬伸长度较大，对于工件凹槽或表面的铣削加工十分有利。
该方法非常适合模具型腔的粗加工，并被推荐用于航空零部件的高效加工。使用该方法进行加工时可切入工件凹部或沿着工件边缘切削，可铣削复杂的几何形状包括进行挖根加工。
该方法具有极高的金属切除率，加工过程中可最大幅度的降低径向力对工件的影响，同时该方法基于数控编程控制加工参数，加工过程稳定易于控制。是理想的新工艺手段通过使用
2、钻孔方式改进
在大齿块铣尺工步加工过程中，需在每个加工出来的齿上加工出不同直径的同轴圆孔，传统加工方式所采用的的方法是利用台阶钻进行钻孔加工，该方法对加工时的进给深度的控制有着极高的要求，进给过深会对下方的孔造成损伤，进给过浅则无法得到合格的工件，同时，台阶钻为定制刀具，成本较高，领用周期长，不满足高效、廉价的生产需求。另一方面，由于并非标准刀具，刀具的有效刃长、可钻削范围等可能存在误差，造成所加工出来的孔精度较差。
基于上述问题，对加工方式进行重新设计，使用标准钻头替代台阶钻进行加工，在钻孔时分三次加工三种规格的孔，保障了单次加工的加工精度，提升了产品质量。
3、齿外形加工工艺改进
使用先进的动态切削工艺替代传统的数控铣削工艺，与常规CAM指定的刀具路线相比动态切削可以保证整个铣削过程都处于顺铣加工状态，在顺铣加工状态下铣刀刀刃切入工件时的切屑厚度最大，并逐渐减小到零，刀刃切入容易，且在刀刃切到已加工表面时，刀刃后面对已加工表面的挤压、摩擦小，对工件表面质量和尺寸精度的保证较为有利，加工过程比较平稳。
在铣削加工中，材料切除率符合去除率公式，即：
Q＝aexapxVf (3)
其中Q代表单位时间材料去除率，ae为切削宽度，ap切削深度，Vf为进给速度。就头部定位齿块而言，以Ф10mm硬质合金铣刀粗加工LT24al来计算，需去除材料约为450000立方毫米。
以传统方法加工时，查手册得加工线速度取80m/min,每齿进给量取0.1mm，则铣刀转速服从转速公式：
进给速度服从速度公式
Vf＝fzxZxN＝1000mm/min (5)
ae取8mm，ap取5mm，此时材料切除率Q≈667立方毫米/s,则加工时间约为675s，
以动态切削工艺加工时，通过Mastercam进行编程，并进行模拟加工，所需时间约为315s左右。
通过上述计算可以看到，动态切削的加工效率接近传统加工方法的2倍。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
所述异型零部件为异型回转体，下部为空心圆台型底座，底座上连接有3个360°均布的爪型结构。爪型结构前端为梯形结构，后部为6个间隙不同的齿形结构，齿形结构上开有2个锥形孔，6个齿形结构上的锥形孔为同心孔，直径由外向内依次递减。
本发明所述燃料元件异型零部件的加工方法步骤如下：
步骤一：将圆柱形坯料装夹于五轴加工中心卡盘上进行校正，对刀准备进行加工；
步骤二：在五轴加工中心上通过插铣的方式去除大量；
步骤三：在五轴加工中心上，把工件夹在分度头上粗、精铣120°三等份齿；
步骤四：在加工中心上钻孔、攻丝，并用螺钉进行试装，验证锥孔深度，螺钉与齿块装配时应保证螺钉头部不冒出的圆柱面，且沉深不超过0.3mm。
本发明改进如下：
1、去除大量工艺改进
将原先使用的传统铣削工艺改进为插铣法铣削去大量，该工艺是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一。对于难加工材料的曲面加工，切槽加工以及刀具悬伸长度较大的加工，插铣法的加工效率远远高于常规的端面铣削法。事实上，在需要快速切除大量金属材料时，采用插铣法可使加工时间缩短一半以上。普通的加工方式相比插铣法具有如下优点：
(1)可减小工件变形；
(2)可降低作用于铣床的径向切削力，可以最大化的减小因径向加工力作用而导致的产品质量波动。
(3)刀具悬伸长度较大，对于工件凹槽或表面的铣削加工十分有利。
该方法非常适合模具型腔的粗加工，并被推荐用于航空零部件的高效加工。使用该方法进行加工时可切入工件凹部或沿着工件边缘切削，可铣削复杂的几何形状包括进行挖根加工。
该方法具有极高的金属切除率，加工过程中可最大幅度的降低径向力对工件的影响，同时该方法基于数控编程控制加工参数，加工过程稳定易于控制。是理想的新工艺手段通过使用
2、钻孔方式改进
在大齿块铣尺工步加工过程中，需在每个加工出来的齿上加工出不同直径的同轴圆孔，传统加工方式所采用的的方法是利用台阶钻进行钻孔加工，该方法对加工时的进给深度的控制有着极高的要求，进给过深会对下方的孔造成损伤，进给过浅则无法得到合格的工件，同时，台阶钻为定制刀具，成本较高，领用周期长，不满足高效、廉价的生产需求。另一方面，由于并非标准刀具，刀具的有效刃长、可钻削范围等可能存在误差，造成所加工出来的孔精度较差。
基于上述问题，对加工方式进行重新设计，使用标准钻头替代台阶钻进行加工，在钻孔时分三次加工三种规格的孔，保障了单次加工的加工精度，提升了产品质量。
3、齿外形加工工艺改进
使用先进的动态切削工艺替代传统的数控铣削工艺，与常规CAM指定的刀具路线相比动态切削可以保证整个铣削过程都处于顺铣加工状态，在顺铣加工状态下铣刀刀刃切入工件时的切屑厚度最大，并逐渐减小到零，刀刃切入容易，且在刀刃切到已加工表面时，刀刃后面对已加工表面的挤压、摩擦小，对工件表面质量和尺寸精度的保证较为有利，加工过程比较平稳。
在铣削加工中，材料切除率符合去除率公式，即：
Q＝aexapxVf (3)
其中Q代表单位时间材料去除率，ae为切削宽度，ap切削深度，Vf为进给速度。就头部定位齿块而言，以Ф10mm硬质合金铣刀粗加工LT24al来计算，需去除材料约为450000立方毫米。
以传统方法加工时，查手册得加工线速度取80m/min,每齿进给量取0.1mm，则铣刀转速服从转速公式：
进给速度服从速度公式
Vf＝fzxZxN＝1000mm/min (5)
ae取8mm，ap取5mm，此时材料切除率Q≈667立方毫米/s,则加工时间约为675s，
以动态切削工艺加工时，通过Mastercam进行编程，并进行模拟加工，所需时间约为315s左右。
通过上述计算可以看到，动态切削的加工效率接近传统加工方法的2倍。

Claims (6)

1.一种燃料元件异型零部件的加工方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：将圆柱形坯料装夹于五轴加工中心卡盘上进行校正，对刀准备进行加工；
步骤二：在五轴加工中心上通过插铣的方式去除大量；
步骤三：在五轴加工中心上，把工件夹在分度头上粗、精铣120°三等份齿；
步骤四：在加工中心上钻孔、攻丝，并用螺钉进行试装，验证锥孔深度。
2.根据权利要求1所述的燃料元件异型零部件的加工方法，其特征在于：异型零部件为异型回转体，下部为空心圆台型底座，底座上连接有3个360°均布的爪型结构。
3.根据权利要求2所述的燃料元件异型零部件的加工方法，其特征在于：所述的爪型结构前端为梯形结构。
4.根据权利要求2所述的燃料元件异型零部件的加工方法，其特征在于：所述的爪型结构后部为6个间隙不同的齿形结构。
5.根据权利要求4所述的燃料元件异型零部件的加工方法，其特征在于：所述的齿形结构上开有2个锥形孔，6个齿形结构上的锥形孔为同心孔，直径由外向内依次递减。
6.根据权利要求1所述的燃料元件异型零部件的加工方法，其特征在于：所述的步骤四，螺钉与齿块装配时应保证螺钉头部不冒出的圆柱面，且沉深不超过0.3mm。
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CN105817929A (zh) * 2016-04-20 2016-08-03 北京航空航天大学 一种回转体机匣夹具系统及其使用方法
CN108788858A (zh) * 2018-07-23 2018-11-13 北京北方车辆集团有限公司 一种应用于异型零件车削加工的工装及工装的制造方法

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