王永佳 張少威 劉俊

摘要：民用核電堆內(nèi)構(gòu)件中有多種大型板類(lèi)零件需加工大直徑深孔，傳統(tǒng)工藝為鉆、擴(kuò)、鏜，效率較低，且芯部區(qū)域最終成為鐵屑，材料利用率不高。本文通過(guò)對(duì)套料技術(shù)的分析，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定立式套料方案，通過(guò)工藝試驗(yàn)、方案實(shí)施、效果驗(yàn)證，有效提升加工效率，且能保留芯部區(qū)域，進(jìn)行二次利用。

關(guān)鍵詞：深孔;不銹鋼;套料;工藝方案;經(jīng)濟(jì)性分析

堆內(nèi)構(gòu)件是反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部除燃料組件及其相關(guān)組件以外的所有其他構(gòu)件，是核電廠核島的核心主設(shè)備，包括上部堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒導(dǎo)向筒組件、堆內(nèi)測(cè)量格架組件、吊籃組件、二次支承組件等。其作用是可靠地支承、壓緊和準(zhǔn)確地定位燃料組件及其相關(guān)組件;為控制棒提升和下降提供導(dǎo)向，在事故工況下保證控制組件快速插入堆芯;提供冷卻劑流道，引導(dǎo)冷卻劑進(jìn)入堆芯，限制旁通流量和減少泄漏量;合理分配進(jìn)入堆芯的冷卻劑流量;降低反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)表面所遭受的快中子注量;為堆芯測(cè)量（包括溫度測(cè)量和中子注量率測(cè)量）部件提供支承和導(dǎo)向;支承和固定反應(yīng)堆壓力容器材料輻照監(jiān)督裝置等。

特殊的作用決定了堆內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有堆芯上板、上支承板、堆芯下板、堆芯支承板、格架板等各類(lèi)板類(lèi)零件，該類(lèi)零件上均開(kāi)有大尺寸通孔;同時(shí)，為了滿(mǎn)足特殊工況要求，堆內(nèi)構(gòu)件原材料為奧氏體不銹鋼，加工工藝性差，斷屑差、排屑困難。

1 ? 厚板大直徑深孔的形狀和工藝分析

以華龍一號(hào)堆內(nèi)構(gòu)件上支承板為例，餅形零件，外徑φ3612mm，厚度368mm，板上開(kāi)有69-φ241通孔以及其他各類(lèi)小孔。

零件原材料為奧氏體不銹鋼餅形鍛件，牌號(hào)Z2CN19-10（控氮）。根據(jù)工藝流程，原材料到廠后，粗加工階段孔系尺寸加工至69-φ225mm，后與其他零件進(jìn)行裝配、焊接、熱處理以及精加工等。

粗加工階段孔單邊留有8mm余量，故孔的尺寸精度不高，直徑要求φ225±1mm，粗糙度不做要求，提高孔的加工效率是關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)。

2 ? 傳統(tǒng)工藝分析

對(duì)于φ225，深368大直徑深孔加工，傳統(tǒng)工藝為鉆-擴(kuò)-鏜加工。

1）φ80鉆頭鉆穿。選用普通麻花鉆，切削參數(shù)為S=150～200r/min，F(xiàn)=10～15mm/min，鉆頭長(zhǎng)徑比較大，約4.6倍，加工到深處切削參數(shù)有所下降，在整個(gè)加工過(guò)程中需多次進(jìn)行抬刀手動(dòng)排屑。

2）擴(kuò)孔至φ120。選用擴(kuò)孔鉆，切削參數(shù)為S=80～150r/min，F(xiàn)=10-12mm/min，同樣也存在剛性較差，多次抬刀排屑的問(wèn)題。

3）鏜孔至Φ225。選用雙邊鏜刀，切深單邊1.5-3MM，S=120-180r/min，F(xiàn)=15-30mm/min。

通過(guò)鉆、擴(kuò)、鏜的加工方式，將孔芯部區(qū)域全部轉(zhuǎn)化為鐵屑，效率較低且材料利用率低，不能滿(mǎn)足產(chǎn)品的交付周期及成本控制需求，亟需尋找一種新的加工工藝技術(shù)。

3 ? 立式套料技術(shù)

3.1 ?套料技術(shù)簡(jiǎn)介

套料是鉆的一種，套料鉆又叫環(huán)孔鉆，是一種高效孔加工刀具，鉆削同樣的孔但是鉆下的切屑較少，因而節(jié)能節(jié)料。以環(huán)形切削方式在實(shí)體材料上加工孔的鉆頭。套加工能留下料芯，可以節(jié)約材料，減少機(jī)床的動(dòng)力消耗。

根據(jù)進(jìn)刀方向是水平還是豎直，套料又分臥式和立式兩種：臥式套料采用落地鏜床進(jìn)行加工，優(yōu)點(diǎn)是排屑為向后，相對(duì)通暢，但工件需要豎立裝夾，裝夾找正復(fù)雜，且主軸伸出過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致剛性不足;立式套料采用龍門(mén)鏜銑床進(jìn)行加工，工件平放裝夾，避免了裝夾難及刀具剛性不足的問(wèn)題，排屑向上相對(duì)困難，但可通過(guò)高壓冷卻液及合理的刀具容屑槽等方式進(jìn)行改善。

3.2 ?加工機(jī)床

加工機(jī)床為定梁龍門(mén)鏜銑床，設(shè)備型號(hào)XK2750×100，制造廠家為濟(jì)南二機(jī)床有限公司。機(jī)床為數(shù)控型龍門(mén)移動(dòng)鏜銑床，主軸立式布置，機(jī)床數(shù)控座標(biāo)為X、Y、Z軸，可實(shí)現(xiàn)任意三軸聯(lián)動(dòng)。機(jī)床加工范圍廣，可以套料、銑孔、鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、銑平面、銑溝槽、銑螺紋、剛性攻絲，利用插補(bǔ)及聯(lián)軸運(yùn)動(dòng)可以加工不規(guī)則輪廓。

為實(shí)現(xiàn)套料工藝的應(yīng)用，該鏜銑床為公司與濟(jì)南二機(jī)定制機(jī)床，相比一般鏜銑床功率、扭矩更大。主軸電機(jī)功率達(dá)到126kw，主軸最大扭矩10370N*m;切削液流量40L/min，壓力1.2MPa。

3.3 ?套料刀

套料刀為公司與國(guó)際知名刀具廠家山特維克聯(lián)合開(kāi)發(fā)，以加工上部支承板中Φ225孔套料刀為例;

1）右端與立式數(shù)控定梁龍門(mén)鏜銑床機(jī)床XK2750中方滑枕連接，通過(guò)2個(gè)鍵槽周向定位，4個(gè)螺栓緊固在方滑枕上，裝卸方便。

2）刀體部分外徑Φ225mm、內(nèi)徑Φ189mm，刀具可套料深度為420mm。

3）兩片刀片分別通過(guò)內(nèi)外刀夾連接在刀體上，刀夾和刀片均為標(biāo)準(zhǔn)品，更換簡(jiǎn)單。

4）刀體上設(shè)有兩條螺旋排屑槽，由較大的排屑空間。

5）中間部分為冷卻環(huán)，其接口與機(jī)床冷卻液管接口一致，加工過(guò)程中冷卻液經(jīng)由冷卻環(huán)流經(jīng)刀體，從底端噴出。

工件旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，刀體沿工件軸向進(jìn)給為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)刀片對(duì)工件進(jìn)行切削，在切削過(guò)程中，高壓大流量的切削液由刀桿內(nèi)流入切削區(qū)，充分冷卻套料刀，并帶走大量的切削熱和切屑，切屑隨切削液由刀桿外部螺旋排屑槽排出。

3.3 ?套料試驗(yàn)情況

由于首次進(jìn)行套料加工，先對(duì)與產(chǎn)品材料類(lèi)似的工件進(jìn)行試切。試切件材料為奧氏體不銹鋼鍛件，工件厚度為412mm。刀具及加工機(jī)床如上介紹。

刀具安裝完畢后，冷卻液加壓，空運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆體周?chē)鸁o(wú)大量冷卻液泄露，密封良好。機(jī)床外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷，冷卻壓力輸出端壓力表讀數(shù)為1.1Mpa。

將百分表裝在工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)鉆體，測(cè)得鉆體遠(yuǎn)端徑向跳動(dòng)0.22，近端徑向跳動(dòng)0.2。在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)鉆體軸向跳動(dòng)，近端至遠(yuǎn)端0.05。判斷鉆體中心與主軸中心不重合，但鉆體中心線與主軸中心線平行度較好。決定不調(diào)整鉆體，直接加工。

第一次試切孔深10mm，切削參數(shù)為S=100r/min，V=70m/min，F(xiàn)=4mm/min，f=0.04mm/r。切削排屑正常。再次切削，孔深切至100mm，切削過(guò)程排屑正常，但鐵屑斷屑不好，大量鐵屑纏在刀體上。檢查刀體，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)刀夾與刀體間有約0.5-0.8mm的間隙，并夾有小的鐵屑。

根據(jù)前面切削情況，為改善斷屑，決定提高線速度和進(jìn)給，切削參數(shù)改為S=140r/min，V=98m/min，F(xiàn)=7mm/min，f=0.05mm/r。試切孔深200mm。切削排屑正常，且斷屑較好。試切至200mm后退出刀體，檢查內(nèi)外刀片磨損較小，磨損形式為正常后刀面磨損。檢查刀體，在內(nèi)刀夾與刀體間仍?shī)A有小的鐵屑。

用同樣參數(shù)加工至230深，切削聲音異常，切削功率突增至50%，停止切削退刀后發(fā)現(xiàn)內(nèi)刀片打刀，刀片崩碎。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)切削參數(shù)、消除內(nèi)刀夾與刀體間的間隙及修磨刀體容屑槽等方式來(lái)改善套深后刀片崩碎的問(wèn)題，都沒(méi)有取得較為理想的效果。

分析前面試切狀況，在210深度以上切削，排屑困難，容易損壞刀片。由于堆內(nèi)構(gòu)件中大型板材板厚最大約為410mm，于是將深孔加工改為兩面套孔的方式加工。首先正面進(jìn)行套料加工，深度210～220mm，加工后用木楔將正面已套孔深一半的孔四周塞滿(mǎn)固定，劃找正線，翻面重新裝夾找正后套穿，套穿后鉗工打掉木楔，取出料芯。

3.4 ?產(chǎn)品加工

根據(jù)試驗(yàn)情況，產(chǎn)品孔加工工藝過(guò)程為：

1）劃針劃線，劃0°-180°，90°-270°十字中心線，并用振動(dòng)筆標(biāo)記角度0°，180°，90°，270°，字高12mm。餅形鍛件為光板，為確定工件方位，便于翻面后找正XY方向，需在工件表面劃十字中心線，并引至外圓。

2）中心鉆點(diǎn)孔，確定69-φ229孔位置，劃69-φ229孔φ224/φ229圓周線。餅形鍛件原材料價(jià)值數(shù)百萬(wàn)，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，最關(guān)鍵點(diǎn)為驗(yàn)證數(shù)控程序點(diǎn)位坐標(biāo)是否準(zhǔn)確，一旦出錯(cuò)，將直接導(dǎo)致工件報(bào)廢，故首先數(shù)控程序要經(jīng)過(guò)工藝人員編制審批，并對(duì)程序進(jìn)行試切，在工件69個(gè)孔位進(jìn)行打點(diǎn)，再由檢查員確認(rèn)。另外同心圓的作用為監(jiān)控加工位置是否正確，加工完成，同心圓內(nèi)圓應(yīng)被加工掉，外圓φ229應(yīng)該保留。

3）在孔位確認(rèn)無(wú)誤后，進(jìn)行φ225孔的套料。套料69個(gè)孔尺寸至φ225，套料深度200mm深，大于板厚的1/2。套料時(shí)，采用試驗(yàn)已驗(yàn)證好的套料刀、切削參數(shù)、抬刀次數(shù)等，加工過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注排屑是否順暢。

4）在各孔中打入木楔（每孔打入4個(gè)木楔）。木楔成錐形，主要目的是當(dāng)從反面套穿時(shí)，對(duì)芯料起到固定作用，避免芯棒掉落瞬間損壞刀片、砸壞工作臺(tái)。

5）木楔固定完成后，翻轉(zhuǎn)工件，以十字中心線為基準(zhǔn)找正。并按照工步2）在反面重新打點(diǎn)、劃同心圓，對(duì)程序再次進(jìn)行驗(yàn)證。

6）從反面將φ225孔套穿，具體按工步3）執(zhí)行。

7）打出芯棒，余料做好標(biāo)記。打出時(shí)，首先在芯棒中心焊接一個(gè)螺母，然后使用吊環(huán)螺釘與螺母連接，并讓行車(chē)帶力。由鉗工將木楔敲出后，行車(chē)將芯棒吊出。

工藝控制關(guān)鍵點(diǎn)為：

1）機(jī)床：需帶內(nèi)冷，壓力≥1.1Mpa。除冷卻作用外，可有效將鐵屑沖出;

2）刀具：山特維克套料鉆250489232R136478_D2，刀片WCMX06T308-58 235;

3）切削參數(shù)：V=100m/min，f=0.04～0.05mm/r;

4）抬刀排屑：視情況抬刀排屑，一般加工50mm深會(huì)進(jìn)行一次抬刀，手動(dòng)排屑。

5）工藝過(guò)程：分正反面兩次套料鉆穿，正面套料深度200～220mm之間;

產(chǎn)品按上述工藝加工后，效率明顯提升。

4 ? 經(jīng)濟(jì)性分析

套料加工效率高，且提高了材料利用率，以上部支承板69-Φ225孔為例分析套料加工相對(duì)傳統(tǒng)加工所提高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 ?效率提升

傳統(tǒng)的加工過(guò)程如下：劃線，預(yù)鉆孔→鉆床加工至Φ80、擴(kuò)孔至Φ120→鏜床從Φ120加工至Φ225，加工一個(gè)孔的時(shí)間為29h，而工藝改為套料后，單孔加工時(shí)間約為2.5h。

4.2 ?材料利用率提升

改為套料后，芯部材料可以保留，用以加工支承柱法蘭、銷(xiāo)子等堆內(nèi)構(gòu)件其他材料。

芯部區(qū)域規(guī)格為φ189×368，共69件，合計(jì)重量5.2t，核電鍛件材料單價(jià)約為28.5萬(wàn)/t，材料費(fèi)用為148.2萬(wàn)元。

綜上，上支承板孔加工改為套料后，可節(jié)約成本約155.7萬(wàn)元。另外堆內(nèi)構(gòu)件中還有堆芯上板、堆芯下板、堆芯支承板等其他板類(lèi)零件，合計(jì)每臺(tái)節(jié)約420萬(wàn)元。公司堆內(nèi)構(gòu)件年產(chǎn)2臺(tái)，每年可節(jié)約成本820萬(wàn)元。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

華龍一號(hào)堆內(nèi)構(gòu)件中板材的大孔系列的粗加工均采用套料技術(shù)，套料技術(shù)的引用大幅提高生產(chǎn)效率及材料利用率，且各零件的尺寸精度及形位公差均滿(mǎn)足粗加工階段的工藝要求。隨著套料技術(shù)在華龍一號(hào)項(xiàng)目的大范圍使用，東方武核在套料加工方面將會(huì)累計(jì)更多的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)EPR1000、CAP1400或其他項(xiàng)目中類(lèi)似孔系的加工提供了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐宗軍.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.

[2] 喬小飛.深孔套料加工與套料刀體刀桿設(shè)計(jì)[J].金屬加工，2011年第9期.

[3] 童幸生、徐翔、胡建華.材料成形及機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2002.

作者簡(jiǎn)介：王永佳（1988.6），男，漢族，學(xué)士學(xué)位，工程師，東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，從事堆內(nèi)構(gòu)件制造工藝技術(shù)工作

張少威（1987.12），男，漢族，學(xué)士學(xué)位，工程師，東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，從事堆內(nèi)構(gòu)件制造工藝技術(shù)工作

劉?。?988.03）男，漢族，學(xué)士學(xué)位，高級(jí)工，東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，從事堆內(nèi)構(gòu)件制造工作。