（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

CAP1400控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動桿制造技術(shù)研究

徐憲哲，陳正，禹華強(qiáng)，賴富建

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽，618000）

文章介紹了CAP1400控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動桿的結(jié)構(gòu)特點和精度要求，分析了驅(qū)動桿內(nèi)孔加工、外圓環(huán)槽加工、銷孔加工等關(guān)鍵工藝難點并提出了多項解決措施，滿足了CAP1400驅(qū)動桿加工要求。

控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動桿，細(xì)長軸，深孔，制造技術(shù)

0 引言

CAP1400控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是國內(nèi)自主設(shè)計的滿足三代核電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的步進(jìn)式磁力提升機(jī)構(gòu)，其主要由承壓殼體部件、鉤爪部件、磁軛線圈部件、驅(qū)動桿部件等組成。CAP1400控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)是將反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的指令傳達(dá)到控制棒組件以保證反應(yīng)堆的啟動、功率調(diào)節(jié)、功率保持、正常停堆和事故停堆等功能實現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備，肩負(fù)著確保反應(yīng)堆安全的重要使命。

CAP1400驅(qū)動桿屬于驅(qū)動桿部件，是控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，其外形為帶環(huán)槽的超細(xì)長桿件，長徑比達(dá)163，尺寸精度及形位公差要求非常高，加工難度極大。為攻克驅(qū)動桿的制造難點，掌握其制造技術(shù)，本文進(jìn)行了相關(guān)制造技術(shù)研究。

1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求分析

1.1驅(qū)動桿結(jié)構(gòu)特點

CAP1400驅(qū)動桿材料為馬氏體不銹鋼12Cr13。結(jié)構(gòu)見圖1，其外形尺寸為Φ44.5×7 269 mm，外圓中部為數(shù)量眾多的高精度環(huán)槽，內(nèi)部中間為Φ 13.5 mm通孔，左端為Φ24.5×550 mm的深孔，右端為Φ26×204 mm的深孔。距左端133.5 mm處有挖窩及銷孔結(jié)構(gòu)。

圖1 CAP1400驅(qū)動桿外形結(jié)構(gòu)圖

1.2主要精度要求

（1）Φ44.5外圓跳動要求0.05 mm。

（2）直線度要求：任意2 500 mm長度不低于2 mm，全長直線度不低于4 mm。

（3）通孔Φ13.5±0.5 mm。

（4）外圓環(huán)槽中一個槽與另一個槽公差不可累積且需滿足任意22個槽間距公差±0.10 mm。

（6）單個環(huán)槽精度要求高。

2 主要工藝流程

根據(jù)對驅(qū)動桿結(jié)構(gòu)特點及圖紙主要技術(shù)要求的分析可知，該零件為典型的超細(xì)長桿件（長徑比L/D大于163），外圓高精度環(huán)槽、內(nèi)孔、高精度銷孔加工困難。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點和精度要求，制定出CAP1400驅(qū)動桿的制造工藝流程，具體如圖2所示。

圖2 CAP1400驅(qū)動桿加工流程圖

3 主要工藝難點及解決措施

3.1深孔加工

CAP1400驅(qū)動桿深孔結(jié)構(gòu)主要包括中部Φ 13.5 mm通孔以及左端Φ24.5×550 mm深孔、右端Φ26×204 mm的深孔，尤其是左端mm深孔對外圓同軸度要求Φ0.10 mm，且粗糙度要求Ra1.6，加工難度極大，左端孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。下面以左端深孔加工為例進(jìn)行分析。

圖3 CAP1400驅(qū)動桿左端孔結(jié)構(gòu)圖

3.1.1加工難點分析

（1）工件材料為馬氏體不銹鋼，切削性能較差。

（2）加工該深孔時冷卻液輸入困難，切屑不易排出，容易劃傷已加工表面從而導(dǎo)致內(nèi)孔表面粗糙度差。

（3）刀具在加工時處于較為封閉的狀態(tài)，切削熱量不容易散發(fā)，容易使刀具切削部分溫度升高造成刀具磨損甚至引起崩刃或折斷。

（4）刀桿長導(dǎo)致剛性差，加工時容易偏斜和振動，加工過程不易觀察孔內(nèi)部情況，不易確定刀具切削狀態(tài)。

3.1.2 解決措施

（1）專用刀具

針對內(nèi)孔表面粗糙度要求較高的特點，改制了專門的鉸刀，對刀具的引導(dǎo)錐、校準(zhǔn)部分均進(jìn)行優(yōu)化。為保證加工過程有良好的排屑及冷卻作用，專門設(shè)計有前向內(nèi)冷孔，鉸削時可以有效冷卻切削面，并利于切屑排出，有利于提高內(nèi)孔表面加工質(zhì)量。

（2）刀桿導(dǎo)引和輔助支撐裝置

采用專用刀桿導(dǎo)引和輔助支撐裝置增加剛性，滿足加工要求。

（3）改進(jìn)冷卻系統(tǒng)

原設(shè)備配置的冷卻系統(tǒng)壓力較小，無法在孔加工過程中實施強(qiáng)有力的冷卻。為了有效降低孔加工時的溫度、增大內(nèi)孔加工時的冷卻壓力，設(shè)計專用工裝對機(jī)床冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)使冷卻壓力增大。該設(shè)備經(jīng)過改進(jìn)，能夠使切削液壓力增大從而極大地降低切削溫度，提高刀具耐用度，并且能夠有效地沖出切屑提高內(nèi)孔加工質(zhì)量。

（4）合理的加工流程與參數(shù)

為了順利完成此兩深孔加工，本文進(jìn)行了大量加工試驗，總結(jié)出了合理的加工流程和加工參數(shù)。

3.1.3 實施效果

通過采取以上措施進(jìn)行試驗切削（見圖4），結(jié)果顯示加工的內(nèi)孔在全長范圍內(nèi)質(zhì)量均較好，順利地解決了該孔加工問題。

3.2外圓環(huán)槽加工

圖4 內(nèi)孔試驗加工

3.2.1 難點分析

（1）切削力影響

車削過程中產(chǎn)生的切削力可以分解為主切削力、背向力和進(jìn)給力，其中背向力是垂直于進(jìn)給運(yùn)動方向的分力，因驅(qū)動桿剛性差，在切削時背向力將使驅(qū)動桿產(chǎn)生直徑方向的彎曲變形。主切削力和進(jìn)給力也會產(chǎn)生一定的影響。

（2）重力和離心力影響

車削時驅(qū)動桿受自身重力和旋轉(zhuǎn)時的離心力共同作用，產(chǎn)生的彎曲和振動將嚴(yán)重影響表面加工質(zhì)量。

（3）切削熱影響

車削時產(chǎn)生的切削熱會加劇驅(qū)動桿的線性膨脹，其熱變形伸長量為：

ΔL=αLΔt

式中：

ΔL—工件熱變形伸長量；

α—工件材料熱膨脹系數(shù)，驅(qū)動桿材料為12Cr13,α大約為10.5×10-6；

Δt—工件升高的溫度；

L—工件長度，驅(qū)動桿長度為7 269 mm。

以車削時溫度升高1℃為例計算，ΔL=10.5× 10-6×7 269×1=0.076 3 mm。

因此，在溫度上升量較大的情況下，驅(qū)動桿軸向伸長量也較大，如果兩端軸向伸長被限制，則驅(qū)動桿會發(fā)生彎曲，加之離心力作用更進(jìn)一步加劇彎曲變形，從而使得精度控制更加困難。

（4）刀具磨損大

驅(qū)動桿軸向尺寸長，走刀時間長，刀具磨損量大，容易產(chǎn)生加工誤差。

（5）驅(qū)動桿外圓數(shù)量眾多的環(huán)槽，有兩種槽形，環(huán)槽形狀及槽距精度要求高且需滿足任意22個槽間距公差±0.10 mm的要求。

3.2.2 解決措施

（1）合理裝夾方式

細(xì)長桿車削加工的常用裝夾方式主要有一夾一頂（卡盤—頂尖）、兩端頂（頂尖—頂尖）、兩端拉（卡盤—卡盤/拉夾頭）等方式。

考慮到CAP1400驅(qū)動桿長度超過7 m，采用通常的裝夾方式無法加工。結(jié)合機(jī)床特點，采用可以夾持較長距離的特制卡盤夾緊驅(qū)動桿左端，采用多只均勻分布的高精度自定心中心架均布支撐驅(qū)動桿中部較好地解決了驅(qū)動桿裝夾問題。

（2）專用中心架

普通中心架采用三點式結(jié)構(gòu)，使用過程中需要手工調(diào)整3個支撐點，導(dǎo)致對中精度和效率低、加工過程易振動和裝卸麻煩等問題，難以保證驅(qū)動桿的精密加工要求。

為克服普通中心架的弊病，本文采用了專門的液壓自定心中心架。該液壓自定心中心架設(shè)計有中心自動潤滑功能，可以使工作滾輪與工件表面始終處于滾動摩擦狀態(tài)，從而降低發(fā)熱和磨損。同時，采用該中心架還可以有效約束驅(qū)動桿在徑向方向的移動，但不限制驅(qū)動桿在軸向方向輕微伸長。

（3）專用跟刀架

采用普通中心架在車削時容易產(chǎn)生“竹節(jié)形”誤差，采用跟刀架可以增加車削時工件的剛性，從而提高工件加工精度。

（4）充分冷卻

車削時產(chǎn)生的切削熱會加劇驅(qū)動桿的線性膨脹，加之離心力作用更易導(dǎo)致彎曲變形，從而使得精度控制更加困難。本文加工過程中對驅(qū)動桿實施了充分冷卻，有利于減小因溫度升高引起的線性膨脹，有效避免尺寸超差。

（5）合理刀具選用

刀具的選擇對于保證工件達(dá)到最終加工精度具有極其重要的作用。因驅(qū)動桿剛性差，車削時應(yīng)盡量使直徑方向的切削力減小，以減少工件彎曲和振動，對車刀要求刀刃鋒利、切削輕快、排屑順暢、耐用。在驅(qū)動桿車削加工中，如果選用普通車刀和通常的安裝方法將導(dǎo)致車削時驅(qū)動桿徑向方向受力較大產(chǎn)生彈性變形。為了克服上述問題，本文選用了35°左偏刀并改進(jìn)刀具的安裝方式，從而使徑向力Py減小，軸向分力Px增大，有效地減小了切削振動和彎曲變形。

（6）合理切削用量

切削用量對于保證零件的加工精度及加工效率都有極其重要的作用，因此，需要合理的選擇切削用量。根據(jù)以往的切削經(jīng)驗值并經(jīng)過多次試驗，總結(jié)出了滿足驅(qū)動桿加工要求的切削用量。試驗加工后經(jīng)檢驗滿足要求，部分檢驗如圖5所示。

圖5 外圓環(huán)槽檢驗

3.3銷孔加工

3.3.1 難點分析

銷孔結(jié)構(gòu)如圖6所示，其制造精度要求較高，制造難度較大，具體分析如下：

（2）常規(guī)鉆削加工方式難以保證內(nèi)孔粗糙度要求Ra1.6。

（3）銷孔位置結(jié)構(gòu)的特殊性，刀具懸深長，刀具剛性極差且加工刀具易與驅(qū)動桿外圓相干涉。

圖6 銷孔結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 解決措施

（1）設(shè)備選用

采用普通鉆床，刀具安裝和加工精度均無法滿足該銷孔加工精度要求。本文采用高精度立式加工中心，可以保證加工刀具安裝精度及加工定位精度。

（2）設(shè)計專用鉆模

設(shè)計專用鉆?？梢詫Φ毒咂鸬礁玫亩ㄎ缓鸵龑?dǎo)作用。

（3）合理裝夾方式

采用特殊設(shè)計的刀具夾持裝置可以最大限度地增加刀具剛性。

（4）合理刀具選用

采用的硬質(zhì)合金刀具具有較好的耐磨性，可以保證孔加工精度的一致性。

（5）合理加工方式和切削加工參數(shù)

采用啄鉆加工方式利于排屑，防止刀具折斷，通過切削試驗（見圖7），總結(jié)出合理的切削加工參數(shù)。

圖7 銷孔加工試驗

4 結(jié)語

本文通過采取設(shè)計專用刀具、改進(jìn)設(shè)備冷卻系統(tǒng)、設(shè)計刀桿導(dǎo)引和輔助支撐以及合理的切削參數(shù)等措施解決了深孔加工難點，滿足了深孔加工技術(shù)要求。針對驅(qū)動桿長徑比大、外圓環(huán)槽精度要求高的加工難點，采取了合理裝夾方式、設(shè)計專用中心架和跟刀架、選用合理刀具、配合充分的冷卻以及合理的切削用量等措施，解決了驅(qū)動桿外圓環(huán)槽的加工難題。針對驅(qū)動桿銷孔位置結(jié)構(gòu)特殊及精度要求高的加工難點，采取設(shè)計專用鉆模、合理裝夾方式、選用合理刀具、合適的加工方式及切削參數(shù)等措施，解決了驅(qū)動桿銷孔加工難題。

通過多項制造難點攻關(guān)，成功制造出滿足圖紙要求的CAP1400驅(qū)動桿（見圖8），掌握了CAP1400驅(qū)動桿制造技術(shù)。

圖8 加工完成的CAP1400驅(qū)動桿

[1]袁哲俊,劉明華.刀具設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1999.

[2]李文超.提高細(xì)長軸數(shù)控車削精度工藝方法的研究[D].成都:西華大學(xué),2011.

[3]張文周,譚承峰.不銹鋼加工對刀具材質(zhì)和幾何參數(shù)的要求[J].機(jī)械制造,2003,41(9):39.

Research on Drive Rod Manufacturing Technology of CAP1400 Control Rod Drive Mechanism

Xu Xianzhe,Chen Zheng,Yu Huaqiang,Lai Fujian
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000）

This paper introduces the structural characteristics and technical requirements of the drive rod of CAP1400 control rod drive mechanism.The key machining processes of inner hole,outer ring groove and pin hole are analyzed.The drive rod machining dif?ficulties have been solved so that the machining requirements of CAP1400 drive rod are met.

control rod drive mechanism,drive rod,slender shafts,deep hole,manufacturing technology

TH162

B

1674-9987（2016）04-0025-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.006

項目來源：國家科技重大專項（2014ZX06002004-001-003）

徐憲哲（1964-），男，畢業(yè)于西安理工大學(xué)，現(xiàn)主要從事核島設(shè)備制造管理工作。