黃新東 湛 卉 洪 龍 黃 輝 任 荷

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

在反應(yīng)堆換料檢修期間，壓力容器法蘭面的主螺栓孔可能存在各種缺陷，甚至?xí)霈F(xiàn)螺紋大面積塌陷等非常嚴(yán)重的缺陷，此類缺陷會導(dǎo)致主螺栓無法擰入螺栓孔內(nèi)，影響反應(yīng)堆扣蓋。壓力容器主螺栓孔螺紋銑削裝置（以下簡稱銑削裝置）可用來去除主螺栓孔內(nèi)螺紋大面積塌陷等非常嚴(yán)重的缺陷。

1 國內(nèi)外已有設(shè)備情況

國內(nèi)外已有同類產(chǎn)品均采用大致相同的結(jié)構(gòu)，即利用壓力容器上待修螺孔的兩鄰孔光段安裝和固定整個機(jī)座，通過一段螺栓與待修螺孔的完好螺紋嚙合，從而將螺孔軸線傳遞到該段螺栓上，再通過與該段螺栓的光軸部分配合并固定在機(jī)座上的環(huán)筒將該軸線的位置固定下來，然后通過裝有雙偏心機(jī)構(gòu)的銑刀頭與環(huán)筒配合，將軸線傳遞給刀頭，從而使銑刀片相對于待修螺孔的徑向位置得以確定，軸向和周向位置則通過實(shí)際測量確定，這就要求操作必須具有較高的技能和熟練程度，否則就有因測量不準(zhǔn)而錯銑好螺紋的風(fēng)險。

國外產(chǎn)品在銑削過程中沒有觀察裝置，無法對銑削過程進(jìn)行觀察，銑削過程無法可視化，安全性得不到進(jìn)一步的保障。

可見國內(nèi)外已有設(shè)備并不能滿足當(dāng)前反應(yīng)堆換料檢修過程中的可靠性、安全性要求。針對該情況，有必要開展新一代銑削裝置的研制。

2 研制

2.1 功能要求及關(guān)鍵技術(shù)

為保證反應(yīng)堆換料檢修過程中的安全性要求，研制的銑削裝置必須滿足以下功能要求：

（1）銑削裝置應(yīng)能夠銑削主螺栓孔內(nèi)任意位置的螺紋缺陷；（2）銑削裝置應(yīng)能夠?qū)⒂腥毕莸穆菁y銑削干凈；

（3）銑削裝置在銑削螺紋過程中應(yīng)保證不損傷好螺紋；

（4）銑削裝置的銑削過程應(yīng)可視化。

針對功能要求，以M155×4螺紋孔作為研制輸入，開展銑削裝置的研制有以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）定心技術(shù)，即如何保證銑削組件的軸心對準(zhǔn)待銑孔的軸心；

（2）對刀技術(shù)，即保證銑刀切削刃的中心對準(zhǔn)螺紋牙尖；

（3）進(jìn)刀走刀技術(shù)，即實(shí)現(xiàn)銑刀的徑向進(jìn)給和軸向走刀；

（4）切削技術(shù)，即實(shí)現(xiàn)對缺陷螺紋段的切削，且保證切削后的表面粗糙度滿足要求；

（5）銑削過程可視化的實(shí)現(xiàn)。

2.2 設(shè)計(jì)及描述

2.2.1 定心技術(shù)及相關(guān)部件設(shè)計(jì)

定心技術(shù)的主要目的是確保銑削裝置銑削機(jī)的軸線與待銑螺孔的軸線一致。此次研制中定心技術(shù)通過基板組件、定心組件、定位環(huán)筒、定位螺母等零部件實(shí)現(xiàn)。

（1）基板組件是整個銑削裝置的機(jī)座和操作平臺，通過固定螺套與待銑孔的兩鄰孔螺紋配合，將基板固定在法蘭面上；

（2）定心組件下端為可膨脹的螺紋，設(shè)備定心時，脹開螺紋與待銑螺紋孔的好螺紋段脹緊嚙合，使螺栓孔的中心與定心組件中心一致；

（3）定位環(huán)筒的內(nèi)部光孔與定心組件上部的定位筒的光段配合，定位環(huán)筒的中心軸線就與定心組件保持了一致；

（4）定位螺母與待修螺紋孔的螺距一致，它旋合在定位筒的螺紋段上，在定位環(huán)筒中心確定以后，提起定位環(huán)筒，使其上端面與定位螺母下端面貼合，再通過螺栓將定位環(huán)筒固定在基板上，則定位環(huán)筒的軸向位置也確定并固定下來。

（5）以確定了位置的定位環(huán)筒的軸線和上端面作為安裝銑削組件、進(jìn)行銑削操作的基準(zhǔn)。

2.2.2 對刀技術(shù)及相關(guān)部件設(shè)計(jì)

對刀的目的是將銑刀片切削刃中心對準(zhǔn)待銑螺牙的理論牙尖。這既保證銑刀能銑去壞螺牙，而又不傷及鄰近的完好螺紋。對刀通過校刀組件、定心組件和定位螺母、銑削組件和走刀螺母實(shí)現(xiàn)（見圖1）。校刀組件用來校準(zhǔn)銑刀組件銑刀刀片中心與走刀螺柱上的螺紋的相對位置關(guān)系是否與定心組件保持適當(dāng)?shù)膶?yīng)關(guān)系，從而保證銑刀片切削刃中心精確對準(zhǔn)待修螺紋螺牙牙尖。

校刀組件包括校刀尺、基準(zhǔn)塊、安裝盒、測量尺及定位螺柱等組成?；鶞?zhǔn)塊固聯(lián)在校刀尺下端面。校刀尺的螺紋孔與壓力容器法蘭螺孔完全相同，基準(zhǔn)塊下表面與螺紋螺旋線的交點(diǎn)同校刀尺上的刻度基準(zhǔn)點(diǎn)有特定的位置關(guān)系。校刀尺與走刀螺柱在圓周方向的位置關(guān)系通過定位螺柱固定，由于校刀尺相對于走刀螺柱在軸向應(yīng)有移動，因此走刀螺柱上沿軸向設(shè)有滑槽。

在銑刀組件的走刀螺柱上一段M155×4的螺紋段，銑刀組件一旦裝好以后，銑刀片的切削刃中點(diǎn)相對于M155×4螺旋線的位置是固定的。假設(shè)在銑刀徑向進(jìn)刀至對應(yīng)Φ160時的走刀螺柱周向位置上，切削刃中點(diǎn)與M155×4螺紋上離銑刀最近點(diǎn)的螺牙牙尖的軸向距離為4n+Δ1；Δ1為小于4的值。此值意味著，假設(shè)M155×4螺紋繼續(xù)向下延續(xù)，到切削刃終點(diǎn)時，與齒根在軸向正好差Δ1的距離。

同樣，對于定心組件，其軸上也有一段M155×4的螺紋段，和下端的可脹螺紋段的關(guān)系也是確定的。如果將上段M155×4的螺紋段向下延續(xù)，其齒根和脹開后的可能螺紋齒根在軸向差距結(jié)果為Δ?？赏ㄟ^改變銑刀組件銑刀片軸向的相對位置，調(diào)整Δ1，使得Δ=Δ1。

用定心組件定心時，通過定位螺母和定位環(huán)筒上表面將M160×4螺紋線的位置通過M155×4螺旋線的位置反應(yīng)出來。在制造時，將定位螺母和走刀螺母做的完全一致，包括在周向上螺紋起始點(diǎn)也一樣。

拆下定位螺母，換上走刀螺母，M155×4的螺旋線也不會變。

用定心組件定好位后，換裝銑刀組件，銑刀切削刃中點(diǎn)正好對準(zhǔn)待銑孔螺牙理論牙尖。

校刀組件的主要目的就是為了調(diào)整銑刀片在軸向的相對位置，保證 Δ=Δ1。

校刀組件包括校刀尺、基準(zhǔn)塊、安裝盒、測量尺及定位螺柱等組成?；鶞?zhǔn)塊固聯(lián)在校刀尺下端面。校刀尺的螺紋孔與壓力容器法蘭螺孔完全相同，校刀尺上表面整個圓周上每5°有一條刻度線?；鶞?zhǔn)塊下表面與螺紋螺旋線的交點(diǎn)同校刀尺上的刻度基準(zhǔn)點(diǎn)有特定的位置關(guān)系。校刀尺與走刀螺柱在圓周方向的位置關(guān)系通過定位螺柱固定。校刀過程示意圖如圖1。

圖1 校刀過程示意圖

2.2.3 進(jìn)刀走刀技術(shù)及相關(guān)部件設(shè)計(jì)

徑向進(jìn)刀和周向走刀是通過銑削組件內(nèi)的一雙偏心布置的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，偏心座相對于走刀螺柱中心偏心安裝，銑刀軸相對于偏心座中心偏心安裝。銑刀驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于偏心座內(nèi)，采用氣動馬達(dá)直接驅(qū)動。

相對于偏心座中心轉(zhuǎn)動銑刀軸，銑刀邊緣相對于Φ150mm走刀螺柱中心距離就會變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了銑刀的徑向進(jìn)刀。

銑刀轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)倪M(jìn)刀量之后，繞Φ150mm走刀螺柱軸線旋轉(zhuǎn)走刀螺柱，就能實(shí)現(xiàn)周向走刀。并且走刀螺柱是以螺距為4的螺旋線方式旋轉(zhuǎn)的，這樣就保證了在銑螺牙時，銑刀始終是沿著M155×4的螺旋線在走刀。

雙偏心機(jī)構(gòu)的尺寸位置要滿足兩個要求：

（1）銑刀片中心與螺紋孔中心距離處于最小時，銑刀片不能碰到螺紋，保證在設(shè)備安裝定位及拆除時不會損傷螺紋；

（2）銑刀片中心與螺紋孔中心距離處于最大時，必須保證設(shè)備能將缺陷螺紋清除。

通過對進(jìn)刀量的具體計(jì)算，確定雙偏心機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸如圖2所示，并且得到銑刀片中心相對于偏心座中心的最大轉(zhuǎn)動角為134°滿足要求。

圖2 雙偏心結(jié)構(gòu)布置示意圖

2.2.4 切削技術(shù)方案及相關(guān)部件

銑刀片裝在銑削組件上，由氣動馬達(dá)通過傳動軸驅(qū)動，馬達(dá)帶動銑刀片旋轉(zhuǎn)后，設(shè)備通過進(jìn)刀、走刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)銑削。通過對切削力矩的計(jì)算選擇合適的氣動馬達(dá)。

2.2.5 銑削過程可視化以及相關(guān)部件

用內(nèi)窺鏡組件實(shí)現(xiàn)對整個銑削工作的觀察，通過它來監(jiān)視整個銑削過程，從而保證銑削準(zhǔn)確的完成。內(nèi)窺鏡采用現(xiàn)有的成型產(chǎn)品，具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便等特點(diǎn)。內(nèi)窺鏡的高倍放大功能，提高了分辨率，保證了觀察的準(zhǔn)確性。

2.3 三維設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足預(yù)定功能要求，保證個零部件在裝配和操作過程中不會產(chǎn)生干涉，并且優(yōu)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，銑削裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了三維設(shè)計(jì)驗(yàn)證。三維設(shè)計(jì)驗(yàn)證在三維設(shè)計(jì)軟件Solid Works的工作環(huán)境下開展，通過對整個設(shè)備的三維建模，解決方案設(shè)計(jì)中部分尺寸無法細(xì)化的問題，并且通過干涉檢查、運(yùn)動仿真等方法驗(yàn)證方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行了一定范圍的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和部分尺寸優(yōu)化。銑削裝置的三維模型如圖3。

圖3 銑削裝置的三維模型圖

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

將銑削裝置安裝在1：1壓力容器模擬法蘭上，進(jìn)行功能試驗(yàn)和銑削試驗(yàn)。

3.1 功能試驗(yàn)

功能試驗(yàn)用于驗(yàn)證主螺栓孔螺紋銑削裝置功能的完備性以及性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)項(xiàng)目包括目視檢查產(chǎn)品各零部件表面質(zhì)量、氣動馬達(dá)通氣后檢查刀片轉(zhuǎn)動是否正常，利用校刀組件對銑刀刀片進(jìn)行對刀以確定銑刀刀片的軸向位置，對定心組件進(jìn)行定位片推出和收縮試驗(yàn)以確定其操作是否順利。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

各部件表面質(zhì)量滿足要求，通氣后銑刀刀片轉(zhuǎn)動正常、銑刀組件刀片軸向位置滿足要求，定心組件操作順利。

3.2 銑削試驗(yàn)

銑削試驗(yàn)主要檢查銑削裝置對螺紋孔預(yù)定螺紋的銑削是否滿足要求。

3.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

利用定心組件將基板組件及定位環(huán)筒在壓力容器法蘭模擬件上安裝固定好后，將銑刀組件及走刀螺母裝入定位環(huán)筒，將銑刀刀片對準(zhǔn)待銑螺紋段，利用內(nèi)窺鏡觀察刀片位置。刀片到達(dá)正確位置后，給氣動馬達(dá)通氣，轉(zhuǎn)動操作手柄，銑削螺紋。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

螺紋孔預(yù)定螺紋銑削干凈，且未損傷到鄰近螺紋，銑削效果良好。

4 結(jié)論

新型壓力容器主螺栓孔螺紋銑削裝置與國內(nèi)外同類工具相比，具有定位方式先進(jìn)，定位精度可靠、操作過程可視化等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高反應(yīng)堆換料檢修的可靠性、安全性的。

研制設(shè)備運(yùn)抵換料現(xiàn)場后，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和人員培訓(xùn)，設(shè)備安全準(zhǔn)確的銑削了指定螺栓孔內(nèi)的缺陷螺紋，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足預(yù)定要求，得到業(yè)主、領(lǐng)導(dǎo)和操作人員的肯定與贊譽(yù)。此次研制工作獲得圓滿成功。