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        立式套料技術(shù)在厚板加工中的應(yīng)用

        2022-01-13 13:17:05王永佳張少威劉俊
        科技信息·學(xué)術(shù)版 2022年2期
        關(guān)鍵詞:經(jīng)濟(jì)性分析套料深孔

        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。

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