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(zhǎng)1.8～3.3 m，寬35 mm，壁厚4 mm，成螺旋形狀，在螺旋形狀的對(duì)稱中心，有規(guī)則排列的螺紋孔，螺旋形狀的細(xì)長(zhǎng)零件加工一直是加工行業(yè)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。下面通過對(duì)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(diǎn)

（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(zhǎng)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(duì)于兩邊的對(duì)稱度小于0.2 mm。工件加工時(shí)裝夾定位基準(zhǔn)選擇困難，需設(shè)計(jì)專用工裝。

（3）對(duì)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(duì)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(duì)零件本身特點(diǎn)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(yàn)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(jī)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(shí)，為減少切割時(shí)產(chǎn)生的高溫對(duì)細(xì)長(zhǎng)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?dú)膺M(jìn)行冷卻，讓熱量及時(shí)擴(kuò)散。相關(guān)參數(shù)如下：切割輔助氣體為氮?dú)猓瑝毫?.3 MPa；激光模式為連續(xù)波，激光焦點(diǎn)-3 mm；割嘴相對(duì)材料位置1 mm；，功率1100 W。

1.3.3 切割?yuàn)A具的設(shè)計(jì)

把鋼管切割成彈架的同時(shí)，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(dòng)很大，隨著切割過程中鋼管的旋轉(zhuǎn)，切割隨動(dòng)感應(yīng)頭也隨著上下巨烈抖動(dòng)，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(jì)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(dòng)摩擦力很小，通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘?shù)拈L(zhǎng)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(dòng)（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(gè)螺紋底孔，旋轉(zhuǎn)90°后，再螺旋切割完一小段螺旋線和2 個(gè)螺紋底孔，重復(fù)2 次，彈架軸向移動(dòng)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(diǎn)是彈架切割變形較小，即使進(jìn)行3 m 長(zhǎng)的彈架切割時(shí)，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(jì)

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(jì)專用夾具，而夾具的設(shè)計(jì)又是保證零件加工精度的關(guān)鍵。對(duì)夾具的設(shè)計(jì)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)4 個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)鉆頭沒有定心，在間隙切削力的作用下左右擺動(dòng)，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(duì)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)4個(gè)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)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(shí)，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(shí)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(duì)稱性情況 mm

通過對(duì)2 種方案的測(cè)量結(jié)果對(duì)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(duì)彈架進(jìn)行預(yù)定位，預(yù)定位完成后，定位銷2 動(dòng)作，進(jìn)行精確定位，氣動(dòng)夾緊裝置馬上夾緊，攻絲機(jī)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(gè)孔距，然后定位，重復(fù)以上動(dòng)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(shí)易鉆頭易摩損、折斷，孔表面粗糙，有時(shí)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(shí)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(shí)修磨，及時(shí)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(shí)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(shí)，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(gè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(shí)用，可在同類產(chǎn)品加工中推廣。