孫智強(qiáng)

（大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司維修部，廣東 深圳518124）

1 問題提出

大亞灣核電站2號(hào)機(jī)組（D2）蒸汽轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)（STR）設(shè)有2臺(tái)給水泵，1臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。2007年5月D2STR002PO給水泵運(yùn)行故障，檢修人員拆卸泵時(shí)發(fā)現(xiàn)泵非驅(qū)動(dòng)端軸承與軸抱死（圖1），后續(xù)檢修活動(dòng)無法展開。該泵非驅(qū)動(dòng)端軸承為圓錐輥?zhàn)虞S承，現(xiàn)場(chǎng)檢修人員下工作票要求車削取下軸承，并注意保護(hù)好軸和軸承室。從圖1、圖2中可以看出，要想將非驅(qū)動(dòng)端軸承從軸承室中車削掉，并要保護(hù)好軸和軸承室，需解決2個(gè)加工難題：①裝夾：由于STR給水泵泵殼體不規(guī)則（圖2），在車床上無法直接用四爪卡盤將泵殼體裝夾牢固，無法車削；②車削：常用滾動(dòng)軸承套圈和滾動(dòng)體通常采用強(qiáng)度高、耐磨性好的軸承鋼制造，淬火后表面硬度可達(dá)到HRC 60～65。因此，要想將無法拆卸的軸承從軸和軸承室中車削掉，就必須從刀具對(duì)被車削材料的力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)性能等方面進(jìn)行分析，以確保車削的萬無一失。

圖1 軸承室中無法拆卸的軸承Fig.1 Bearings that can not be removed from the bearing room

圖2 不規(guī)則的泵殼體Fig.2 Irregular pump housing

2 STR系統(tǒng)簡(jiǎn)介

STR系統(tǒng)將主蒸汽經(jīng)接口送到降壓站降壓至21.82Pa后，進(jìn)入蒸汽轉(zhuǎn)換器的蒸發(fā)器加熱管束內(nèi)，把管間的給水加熱成壓力為12Pa、溫度為188℃、最大流量為37t／h的輔助蒸汽。通過輔助蒸汽分配系統(tǒng)（SVA），將低壓輔助蒸汽送往核島和常規(guī)島的各用汽設(shè)備，然后將其凝結(jié)水送回STR除氣箱。除氣箱中的給水通過STR給水泵加壓及主蒸汽凝結(jié)水冷卻器的預(yù)熱后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器殼側(cè)，再次被加熱成蒸汽。

STR是核電廠機(jī)組不可缺少的關(guān)鍵系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行的好壞與核安全密不可分。

3 專用拉具的設(shè)計(jì)、制作及裝夾

STR給水泵殼體不規(guī)則，無法在車床上直接進(jìn)行裝夾。如何裝夾成為能否安全地將軸承從軸和軸承室中車削掉的關(guān)鍵因素之一。

3.1 設(shè)計(jì)要求

（1）必須滿足STR給水泵在車床上裝夾后安全、穩(wěn)固。

（2）滿足刀具車削時(shí)刀具進(jìn)給的切削力。

（3）安全可靠、易于拆裝并簡(jiǎn)便實(shí)用，保證泵殼體在車削過程中不能出現(xiàn)任何問題。

3.2 制作

（1）以給水泵泵軸為基準(zhǔn)（圖2），車削1個(gè)外徑為45mm、長(zhǎng)為150mm的軸套，其內(nèi)螺紋與給水泵泵軸相配，并在軸套上鉆2個(gè)M8的頂絲孔。

（2）車制1個(gè)外徑為45mm、厚度為20mm的端蓋，中間攻絲M16，與軸套焊接。

（3）切削一截長(zhǎng)700mm的M16螺桿，擰入到焊接好的軸套中（圖3）。

圖3 專用拉具Fig.3 Special broach

（4）加工1個(gè)中間鉆φ18孔的法蘭。

3.3 與給水泵連接并在機(jī)床上裝夾

（1）將STR給水泵泵軸旋入到專用拉具中。

（2）將2個(gè)M8的頂絲擰入到泵軸的鍵槽中，防止泵軸與專用拉具旋轉(zhuǎn)（圖4）。

（3）將不規(guī)則的泵殼體在機(jī)床四爪卡盤上裝夾找正。

（4）找正后將專用拉具固定在車床主軸上，旋緊螺母，將泵殼體拉緊，保證裝夾泵殼體安全、穩(wěn)固（圖5）。

圖4 泵軸旋入到專用拉具中Fig.4 Shaft rotation into a dedicated puller

圖5 拉具固定在車床主軸上Fig.5 Puller on the lathe spindle

4 車削刀具的分析與選擇

常用的滾動(dòng)軸承套圈和滾動(dòng)體一般采用強(qiáng)度高、耐磨性好的滾動(dòng)軸承鋼制造，淬火后其表面硬度可達(dá)HRC 60～65。要想車削這種高硬度材料，就必須從力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能3個(gè)方面對(duì)車削刀具進(jìn)行分析。

4.1 力學(xué)性能分析

切削刀具與加工對(duì)象的力學(xué)性能匹配主要是指刀具與工件材料在強(qiáng)度、韌性及硬度等力學(xué)性能參數(shù)上應(yīng)相互匹配。不同力學(xué)性能的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具和超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同，刀具硬度一般要求在HRC 60以上。高硬度的工件材料必須用更高硬度的刀具來加工。具體的刀具材料參數(shù)見表1。

表1 刀具材料參數(shù)Table1 Tool material parameters

續(xù)表

4.2 物理性能分析

切削刀具與加工對(duì)象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點(diǎn)、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)及相抗熱沖擊性能等物理性能參數(shù)應(yīng)相互匹配。具有不同物理性能的刀具（如高導(dǎo)熱和低熔點(diǎn)的高速鋼刀具、高熔點(diǎn)和低熱脹的陶瓷刀具、高導(dǎo)熱和低熱脹的金剛石刀具等）所適合加工的工件材料不同。加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的刀具，以使切削熱可迅速傳出而降低切削溫度。

4.3 化學(xué)性能分析

刀具的磨損是機(jī)械磨損和化學(xué)磨損綜合作用的結(jié)果。在低速切削時(shí)，由于溫度較低，其磨損機(jī)制往往表現(xiàn)為磨料磨損；在高速切削時(shí)，高溫引起的化學(xué)反應(yīng)、氧化磨損及相擴(kuò)散磨損則占主導(dǎo)地位。在高溫下工件材料硬度有所下降，使磨料磨損逐漸減小?；瘜W(xué)磨損與切削溫度T密切相關(guān)，其表達(dá)式為：

式中，K為化學(xué)磨損量；A為常數(shù)；E為由刀具和工件材料組合所決定的活化能；R為氣體常數(shù)。

具有不同組分的刀具（如高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具和超硬刀具等）所適合加工的工件材料不同。當(dāng)?shù)毒吲c工件中的元素化學(xué)親和性強(qiáng)（易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、相互粘著或擴(kuò)散）時(shí)，應(yīng)設(shè)法回避。

5 車削工藝

滾動(dòng)軸承很難車削加工。根據(jù)對(duì)STR給水泵滾動(dòng)軸承車削加工的難點(diǎn)及特點(diǎn)的分析，憑借多年的加工經(jīng)驗(yàn)，采用下列工藝技術(shù)，最終完成了滾動(dòng)軸承的車削。

5.1 研制專用拉具擴(kuò)大現(xiàn)有機(jī)床加工范圍

由于STR給水泵殼體不規(guī)則，無法在車床上直接進(jìn)行裝夾。通過研制專用拉具擴(kuò)大現(xiàn)有機(jī)床加工范圍，解決了泵殼體裝夾的難題，為STR給水泵滾動(dòng)軸承的車削加工奠定了基礎(chǔ)。

5.2 刀具的選擇

車削加工是機(jī)械維修工藝中的主要工序，特別是在設(shè)備維修裝卸過程中遇到某些部件無法拆卸時(shí)，必須借助于車削加工。與普通車削加工相比，滾動(dòng)軸承車削拆卸的切削速度低、進(jìn)給速度慢，切削硬度在HRC 60以上。

長(zhǎng)期以來，機(jī)械加工刀具材料的選擇方式主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇或傳統(tǒng)的試切法。在用試切法加工某一新型材料時(shí)，往往需要使用多種刀具材料進(jìn)行重復(fù)切削試驗(yàn)，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過比較從中選擇最佳的刀具材料。這種方法盲目性大，造成人力、財(cái)力、刀具和材料的大量浪費(fèi)；而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇刀具，往往不能選擇到最佳刀具材料，造成切削加工成本增加、刀具材料資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

每種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料及切削速度范圍。不同刀具或同種刀具加工不同的工件材料時(shí)，刀具壽命往往會(huì)存在很大的差異。切削刀具與加工對(duì)象之間存在合理匹配的問題，如果兩者的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能相匹配，將會(huì)獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和較高的切削加工生產(chǎn)率。根據(jù)力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能的匹配分析，最終選擇硬質(zhì)合金刀具車削拆卸滾動(dòng)軸承。

5.3 刀具角度的選擇

車削過程中滾動(dòng)軸承的硬度容易導(dǎo)致刀具破碎，因此，應(yīng)選擇合理的刀具角度。將車刀前角設(shè)為8°～12°（普通車刀前角一般為15°），切削刃傾角為10°～18°。減小車刀前角，即增大切削角，可在某種程度上使刀具的切削力增大，但在車刀前角由15°減少到10°時(shí)，刀具的切削力增加得很小。增大車刀前角和楔角，可以提高刀刃的鋒利性和刀尖強(qiáng)度。當(dāng)滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)帶有沖擊性的負(fù)荷時(shí)，切削刃的刃傾角為10°～18°可以創(chuàng)造最有利的切削條件：切削時(shí)沖擊力的作用點(diǎn)離開了刀尖，可防止刀尖破碎。同時(shí)，在主切削刃上開有約1mm寬的負(fù)倒棱和約2mm的刀尖圓角以提高刀刃的抗沖擊性能。

5.4 切削用量的選擇

切削用量是衡量切削運(yùn)動(dòng)大小的參數(shù)，包括切削深度、進(jìn)給量和切削速度，合理選擇切削用量是保證切削拆卸滾動(dòng)軸承的前提。

切削深度為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，即每次進(jìn)刀時(shí)車刀切入工件的深度，計(jì)算公式為：

式中，αP為切削深度，mm；dw為待加工表面直徑，mm；dm為已加工表面直徑，mm。

進(jìn)給量為工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀沿進(jìn)給方向移動(dòng)的距離，是衡量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)大小的參數(shù)。進(jìn)給量分縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給，縱向進(jìn)給量指沿車床床身導(dǎo)軌方向的進(jìn)給量，橫向進(jìn)給量指垂直于車床床身導(dǎo)軌方向的進(jìn)給量。

切削速度為主運(yùn)動(dòng)的線速度，也可理解為車刀1min內(nèi)車削工件表面的理論展開直線長(zhǎng)度（假定切削無變形或收縮），是衡量主運(yùn)動(dòng)大小的參數(shù)。計(jì)算公式為：

式中，V為切削速度，m／min；d為工件加工表面或刀具選定點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)直徑，mm；n為主運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，r／min。

根據(jù)滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)及車削刀具的選擇，經(jīng)過對(duì)切削用量的計(jì)算，最終確定了合理的切削深度為單邊進(jìn)刀1mm，相應(yīng)的切削速度約為10m／min，進(jìn)給量為1.5mm／r。

5.5 切削液的選擇

在車削過程中切削液起到冷卻、潤(rùn)滑、清洗的作用。合理地選擇切削液是車削拆卸過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在車削時(shí)常用的切削液為乳化液和切削油，車削過程中需根據(jù)加工性質(zhì)、工件材料、刀具材料和工藝要求等具體情況合理選用。使用硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，一般不加切削液，但在加工某些硬度高、強(qiáng)度好及導(dǎo)熱性差的特殊材料時(shí)，需選用以冷卻為主的切削液。需注意的是，在使用硬質(zhì)合金刀具車削時(shí)使用以乳化液為主的切削液，必須一開始就連續(xù)充分地澆注。否則，硬質(zhì)合金刀片會(huì)因驟冷而產(chǎn)生裂紋。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過研制專用拉具進(jìn)行裝夾及對(duì)車削軸承用刀具、工藝方法等的分析與選擇，成功完成了大亞灣核電站STR系統(tǒng)給水泵滾動(dòng)軸承的車削拆卸，為今后加工車削軸承鋼等淬火后表面硬度達(dá)HRC 60～65的高硬度材料提供了參考與借鑒。