無槍身彈架的加工工藝分析

熊 健

（大慶油田射孔器材有限公司，黑龍江大慶 163853）

0 引言

無槍身彈架是無槍身射孔器的重要零件，廣泛應(yīng)用于油田的過油管的射孔作業(yè)中，它的加工精度決定著在每米油層中射孔的數(shù)量和準(zhǔn)確方位。無槍身彈架材料為不銹鋼，長1.8～3.3 m，寬35 mm，壁厚4 mm，成螺旋形狀，在螺旋形狀的對稱中心，有規(guī)則排列的螺紋孔，螺旋形狀的細(xì)長零件加工一直是加工行業(yè)的一個技術(shù)難點。下面通過對無槍身彈架加工工藝流程的具體分析來探討此類零件的加工技術(shù)（圖1）。

圖1 無槍身彈架結(jié)構(gòu)

1 工藝分析

1.1 加工難點

（1）工件采用1Cr18Ni9Ti 不銹鋼管，彈架上的螺紋孔形位公差要求嚴(yán)格，孔的位置度公差0.1 mm，長度方向直線度要求小于1 mm/m，需采用專門的激光切割方法。

（2）彈架上的射孔彈固定螺紋孔要求成45°沿螺旋線均勻分布，其相對于兩邊的對稱度小于0.2 mm。工件加工時裝夾定位基準(zhǔn)選擇困難，需設(shè)計專用工裝。

（3）對不銹鋼進(jìn)行加工，加工硬化現(xiàn)象很突出，可達(dá)基體硬度的1.4～2.2 倍，斷屑困難，刀具易磨損，所以對刀具的要求較高。

（4）表面美觀度要求，需特殊表面應(yīng)經(jīng)拋光處理。

1.2 主要加工方法

依據(jù)對零件本身特點的工藝分析，初步確定如下加工流程：毛坯管材→精軋→激光切割→去金屬熔渣→較直→鉆螺紋底孔→去底孔毛刺→攻螺紋→去螺紋邊毛刺→氬弧焊→拋光→較直→檢驗入庫。

1.3 具體內(nèi)容

1.3.1 激光切割加工

根據(jù)無槍身彈架的螺旋結(jié)構(gòu)，選用精軋完的Φ54 mm 的不銹鋼管作為作為坯料，用激光切割機床進(jìn)行切割，一根鋼管用激光切割完后，形成4 根彈架，材料利用率高。

1.3.2 切屑參數(shù)的選擇

切割時，為減少切割時產(chǎn)生的高溫對細(xì)長的彈架產(chǎn)生變形的影響，應(yīng)選用合適的切屑參數(shù)，改善切割條件。首先應(yīng)用直徑為1 mm 的小型噴嘴，用較小的能量，其次用輔助氣體氮氣進(jìn)行冷卻，讓熱量及時擴散。相關(guān)參數(shù)如下：切割輔助氣體為氮氣，壓力0.3 MPa；激光模式為連續(xù)波，激光焦點-3 mm；割嘴相對材料位置1 mm；，功率1100 W。

1.3.3 切割夾具的設(shè)計

把鋼管切割成彈架的同時，4 根彈架已逐漸分離，用于加工的鋼管已切割處和未切割處的直徑尺寸變動很大，隨著切割過程中鋼管的旋轉(zhuǎn)，切割隨動感應(yīng)頭也隨著上下巨烈抖動，產(chǎn)生切割不透和毛邊較大的缺陷。根據(jù)激光感應(yīng)頭的切割和加工彈架管尺寸的大小可設(shè)計一組可調(diào)節(jié)的三角形支撐夾具，它由萬向節(jié)球座、支架、底座、調(diào)節(jié)螺桿、彈簧等組成，彈架管依靠萬向節(jié)球座定位并旋轉(zhuǎn)，滾動摩擦力很小，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘?shù)拈L短，來調(diào)整彈架管的回轉(zhuǎn)中心高度，而頂部的螺桿依靠彈簧力壓在彈架管上，進(jìn)行預(yù)夾緊，防止感應(yīng)頭的抖動（圖2）。

1.3.4 切割程序的編制

在切割工藝上，采用分?jǐn)嚅g隔螺旋切割的方法：先沿軸向螺旋切割完一小段螺旋線，然后切割在此線旁的2個螺紋底孔，旋轉(zhuǎn)90°后，再螺旋切割完一小段螺旋線和2 個螺紋底孔，重復(fù)2 次，彈架軸向移動到下一段進(jìn)行切割，兩段之間間隔1 mm，防止彈架管切割完后過度開裂變形。切割程序的編制主要是采用了微切、功率控制、螺旋陣列等方式。其優(yōu)點是彈架切割變形較小，即使進(jìn)行3 m 長的彈架切割時，切屑效率仍然較高。

圖2 切割三角形支撐夾具結(jié)構(gòu)

1.4 鉆孔、攻螺紋

1.4.1 夾緊工裝的選擇設(shè)計

從彈架結(jié)構(gòu)上分析，螺紋孔距和旋向之間都有具體尺寸和角度要求。需設(shè)計專用夾具，而夾具的設(shè)計又是保證零件加工精度的關(guān)鍵。對夾具的設(shè)計擬采用2 種方案：方案1 采用彈架外圓面定位方（圖3）；方案2 采用彈架內(nèi)圓面定位方式（圖4）。

圖3 彈架夾緊工裝1 結(jié)構(gòu)

方 案1：將彈架放置于半圓形槽中，因彈架外圓尺寸和槽內(nèi)徑相同，故彈架在Y 和Z 方向的移動和轉(zhuǎn)動4 個自由度被限制，定位銷位于螺旋彈架的兩端，限制其在X 方向的自由度。這種工件的定位是穩(wěn)定的，但由于前序激光切割時彈架的熱變形大，并且變形不規(guī)則，使定位銷和彈架的定位間隙發(fā)生變化，容易把彈架夾死，造成在彈架螺紋孔的連續(xù)加工中送料困難，工作效率較低。用內(nèi)定位方式進(jìn)行鉆孔時，因彈架的內(nèi)表面成凹形，鉆頭向下進(jìn)行鉆削的過程中，鉆頭的外刃最先切削上彈架，此時鉆頭沒有定心，在間隙切削力的作用下左右擺動，螺紋底孔形狀位置度差，螺紋孔極易發(fā)生偏斜，裝配螺桿旋入困難（表1）。

圖4 彈架夾緊工裝2 結(jié)構(gòu)

表1 方案1 的螺紋對稱性情況 mm

方案2：將彈架套在圓管外，因彈架內(nèi)圓尺寸和圓管外徑相同，故彈架在Y 和Z 方 向的移動和轉(zhuǎn)動4個自由度被限制，定位銷位于螺旋彈架的一端，限制其在X方向的移動和轉(zhuǎn)動自由度，緊定螺釘用于精確定位。采用這種方法因彈架套在圓管外，對激光切割完后的彈架起較直作用，可在一定程度上消除熱變形，定位可靠合理。用外定位方式進(jìn)行鉆孔時，鉆頭向下進(jìn)行鉆削的過程中，鉆頭的中心橫刃最先在彈架上切削，此時鉆頭定心好，切削力穩(wěn)定，螺紋底孔形狀位置度好，螺紋孔不易發(fā)生偏斜，裝配螺桿旋入容易（表2）。

表2 方案2 的螺紋對稱性情況 mm

通過對2 種方案的測量結(jié)果對比，從加工質(zhì)量考慮，彈架內(nèi)圓定位方式優(yōu)于外圓定位方式。選擇了方案2 比較合理。

1.4.2 夾具工作過程

將彈架套在定位桿上，利用定位銷1 和緊定螺釘對彈架進(jìn)行預(yù)定位，預(yù)定位完成后，定位銷2 動作，進(jìn)行精確定位，氣動夾緊裝置馬上夾緊，攻絲機開始進(jìn)給，攻絲完成后，定位銷2 抬起，立即松夾。彈架沿軸向旋轉(zhuǎn)送料，進(jìn)給一個孔距，然后定位，重復(fù)以上動作，直到彈架上的螺紋孔加工完畢。

1.4.3 不銹鋼刀具的結(jié)構(gòu)及切削參數(shù)

不銹鋼彈架管外圓成圓弧形，鉆削時易鉆頭易摩損、折斷，孔表面粗糙，有時出現(xiàn)深溝而無法消除；孔徑過大；孔形不圓或一邊傾斜等現(xiàn)象。在操作時應(yīng)注意以下問題。鉆頭必須裝正，保持鉆頭鋒利，用鈍應(yīng)及時修磨，及時觀察切屑排出情況，若發(fā)現(xiàn)切屑雜亂卷繞立即退刀檢查，以防止切屑堵塞。因鉆底孔時精度要求不是很高，因此可采用較大的切屑參數(shù)，轉(zhuǎn)速n=105 r/min，進(jìn)給量f=0.56 mm/r 均可。攻不銹鋼螺紋時，為防止螺紋表面不光、切削力大、崩齒或“咬死”現(xiàn)象，應(yīng)采用材料為W2Mo9Cr4Co8 的絲錐。其主要參數(shù)如下：主偏角kr=5°；3 個容屑槽，容屑槽方向β＝10°，前角γp＝15°，后角αo＝10°。

2 結(jié)論

采用以上的工藝方法，對2 km 無槍身彈架進(jìn)行加工，根據(jù)結(jié)果可得出如下結(jié)論：①用1000 W 的激光能量進(jìn)行螺旋線的分段切割，細(xì)長的不銹鋼彈架變形??；②激光切割效率高，加工效率可達(dá)5 m/h；③鉆孔工裝定位可靠，螺紋孔相對軸線的位置度符合使用要求；④鉆具的刃磨角度合理，壽命高；⑤加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，合格率100%；⑥工藝方法科學(xué)、合理、實用，可在同類產(chǎn)品加工中推廣。