□ 王龍強

上海第一機床廠有限公司 上海 201903

1 研究背景

華龍一號核電機組是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代先進百萬千瓦壓水堆新堆型。華龍一號核電機組的驅(qū)動桿部件相比M310及CPR1000堆型有了一定優(yōu)化,加工難度也有大幅度提高。驅(qū)動桿部件是華龍一號核電機組控制棒的關(guān)鍵部件,對驅(qū)動桿整體的運動有至關(guān)重要的影響。在驅(qū)動桿部件中,具有291節(jié)高精度環(huán)形齒槽的驅(qū)動桿是最重要的零件。驅(qū)動桿的加工質(zhì)量直接影響驅(qū)動機構(gòu)的動作及步長參數(shù),因此需要分析驅(qū)動桿的關(guān)鍵尺寸,對關(guān)鍵尺寸的影響因素進行研究,找到適合驅(qū)動桿的加工工藝方案。

2 驅(qū)動桿部件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動桿部件由眾多不同種類的零件構(gòu)成,包括帶撓性開口的可拆接頭、帶環(huán)形齒槽的驅(qū)動桿、細(xì)長中心桿拆卸桿、保持驅(qū)動桿部件運動的擋環(huán)、保證驅(qū)動桿脫連扣功能的上彈簧和下彈簧等。

驅(qū)動桿部件結(jié)構(gòu)如圖1所示,下部為連接保護套的可拆接頭,可拆接頭通過細(xì)長薄壁撓性結(jié)構(gòu)連接底部的控制棒組件,上部為帶堆焊的拆卸鈕。

驅(qū)動桿部件中的關(guān)鍵零件是驅(qū)動桿,這是長為7 059 mm的細(xì)長管。驅(qū)動桿靠近上端面從875 mm處開始為291節(jié)高精度環(huán)形齒槽。驅(qū)動桿部件是控制棒驅(qū)動機構(gòu)中唯一的整體運動部件。

在驅(qū)動桿部件運行過程中,鉤爪部件中的鉤爪嚙合在驅(qū)動桿環(huán)形齒槽處,帶動驅(qū)動桿部件進行直線步進式運動。在緊急停堆斷電后,鉤爪自動打開,驅(qū)動桿部件由于重力影響快速落棒,與其連接的控制棒部件插入堆芯。

3 驅(qū)動桿簡介

筆者分析研究的重點是驅(qū)動桿部件中的驅(qū)動桿,結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動桿材料為馬氏體不銹鋼,外形尺寸為φ44.50-0.062×7 059 mm。驅(qū)動桿中部有291節(jié)齒間距為15.875±0.025 mm的環(huán)形齒槽,環(huán)形齒槽內(nèi)徑為22±0.7 mm。驅(qū)動桿上部內(nèi)孔尺寸為(φ24.65±0.05 mm)×(533.5±0.7 mm),下部內(nèi)孔尺寸為(φ26.35±0.15 mm)×(203.2±0.02 mm)。驅(qū)動桿內(nèi)部裝配拆卸桿來連接頭部拆卸鈕,通過控制棒驅(qū)動機構(gòu)脫扣工具控制可拆接頭開合。

驅(qū)動桿采用馬氏體不銹鋼管材。相比二代改進型控制棒驅(qū)動機構(gòu)棒材,材料要求更為嚴(yán)格,其中對鈷元素含量要求更高,對材料非金屬夾雜檢測、低倍檢測、磁導(dǎo)率檢測也有新的要求。

4 關(guān)鍵尺寸分析

4.1 相鄰環(huán)形齒槽間距

驅(qū)動桿外形尺寸為φ44.50-0.062×7 059 mm,具有高精度環(huán)形齒槽,相鄰環(huán)形齒槽間距為15.875±0.025 mm。環(huán)形齒槽分為寬齒及窄齒,如圖3所示。由于驅(qū)動桿長7 059 mm,因此加工環(huán)形齒槽極其困難?？刂瓢趄?qū)動機構(gòu)運動過程中,鉤爪直接抓取驅(qū)動桿環(huán)形齒槽,來實現(xiàn)相應(yīng)動作功能。因此,驅(qū)動桿環(huán)形齒槽尺寸加工精度至關(guān)重要,直接影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)的性能。

圖1 驅(qū)動桿部件結(jié)構(gòu)

圖2 驅(qū)動桿結(jié)構(gòu)

圖3 環(huán)形齒槽

保證控制棒驅(qū)動機構(gòu)正常運動,需要考慮多方面的因素,其中,驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距是關(guān)鍵因素之一,會直接影響到控制棒驅(qū)動機構(gòu)的運行步長15.875 mm。

考慮驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距超差的形成,若與環(huán)形齒槽1、環(huán)形齒槽3分別相鄰的環(huán)形齒槽2在機加工時存在問題,環(huán)形齒槽間距超差Δd,由此導(dǎo)致驅(qū)動桿與鉤爪嚙合時位置相對于正常情況偏差Δd,如圖4所示。

在控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行過程中,相鄰環(huán)形齒槽間距超差影響如圖5所示。

驅(qū)動桿運行位置從環(huán)形齒槽1位置提升至環(huán)形齒槽2位置,控制棒驅(qū)動機構(gòu)進行提升動作,實際鉤爪與驅(qū)動桿嚙合位置超差,相對于正常驅(qū)動桿嚙合位置上升Δd。

圖4 驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距超差的形成

驅(qū)動桿運行位置從環(huán)形齒槽3位置下降至環(huán)形齒槽2位置,控制棒驅(qū)動機構(gòu)進行下降動作,實際鉤爪與驅(qū)動桿嚙合位置超差,相對于正常驅(qū)動桿嚙合位置上升Δd。

由此可知,驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距對驅(qū)動桿部件而言至關(guān)重要,在其它影響步長條件不變的前提下,驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距直接影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)運行過程中的實際步長,且隨著Δd的變化而變化。

4.2 每25節(jié)環(huán)形齒槽段尺寸

對驅(qū)動桿進行分析,除相鄰環(huán)形齒槽間距外,驅(qū)動桿每25節(jié)環(huán)形齒槽段尺寸396.875 mm也是影響實際步長的另一個關(guān)鍵尺寸。驅(qū)動桿中每25節(jié)環(huán)形齒槽段尺寸是控制棒驅(qū)動機構(gòu)兩組鉤爪間正常動作時抓取驅(qū)動桿的相對位置距離。單節(jié)環(huán)形齒槽尺寸由于機加工產(chǎn)生的精度誤差經(jīng)過累積放大,累積至25節(jié)環(huán)形齒槽,尺寸誤差會嚴(yán)重影響整個驅(qū)動機構(gòu)的運行動作。

5 誤差影響因素

控制棒驅(qū)動機構(gòu)步長由多方面因素共同影響,在其它條件不變的前提下,驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距及每25節(jié)環(huán)形齒槽段尺寸是影響控制棒驅(qū)動機構(gòu)動作的關(guān)鍵尺寸,誤差來自于三方面。

5.1 溫度引起誤差

引起誤差變化的重要因素之一是溫度變化,溫度變化分為加工溫升和環(huán)境溫升。驅(qū)動桿材料在20～100 ℃時的線膨脹系數(shù)約為10.2×10-6K-1。當(dāng)溫度為20～100 ℃時,對于總長為7 059 mm的驅(qū)動桿而言,溫度每升高1 K,驅(qū)動桿長度的變化約為0.072 mm。因此,在溫度變化量較大的情況下,驅(qū)動桿總長變化量也較大,從而影響驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距及每25節(jié)環(huán)形齒槽段尺寸。

圖5 驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距超差影響

5.2 受力引起誤差

驅(qū)動桿的總長為7 059 mm,外徑僅為44.50-0.062mm,屬于細(xì)長軸零件。驅(qū)動桿由于自身重力影響,會導(dǎo)致中間部位彎曲。在加工過程中,受力后亦會產(chǎn)生一定變形。在加工過程中,由于剛性差、產(chǎn)生變形等原因,會產(chǎn)生振動誤差,對驅(qū)動桿外徑44.50-0.062mm及相鄰環(huán)形齒槽間距15.875 mm有嚴(yán)重影響。解決驅(qū)動桿自身重力及受力影響因素,可以減少驅(qū)動桿加工超差情況。

5.3 刀具磨損引起誤差

驅(qū)動桿制造過程中,一次走刀加工環(huán)形齒槽。刀具由于產(chǎn)生磨損,會對驅(qū)動桿關(guān)鍵尺寸產(chǎn)生影響。若刀具選擇不合理,則容易出現(xiàn)刀具磨損量過大,甚至崩刃情況,造成嚴(yán)重?fù)p壞驅(qū)動桿的結(jié)果。

6 加工工藝分析

6.1 溫度控制

在驅(qū)動桿加工過程中,可以從冷卻系統(tǒng)、恒溫環(huán)境、走刀控制三方面進行溫度控制。

(1) 冷卻系統(tǒng)。為了有效降低環(huán)形齒槽加工時的溫度,需要配備冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)能夠最大程度降低切削溫度,并且持續(xù)提高刀具耐久度,提高環(huán)形齒槽的加工質(zhì)量。通過改進驅(qū)動桿加工時的冷卻泵和冷卻液箱,達(dá)到優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的目的。

線性膨脹主要由車削時產(chǎn)生的切削熱引起,加之每次走刀距離過長,使溫度控制更加困難。因此,在加工驅(qū)動桿過程中對驅(qū)動桿實施充分冷卻,對冷卻系統(tǒng)進行改造,使驅(qū)動桿加工切削時產(chǎn)生的溫度變化量盡可能小,有效避免由于切削引起的溫度變化導(dǎo)致的尺寸超差。

(2) 恒溫環(huán)境。為了避免溫度變化帶來的影響,應(yīng)在恒溫環(huán)境中加工驅(qū)動桿,避免因晝夜溫差較大引起的加工超差問題。在加工過程中,應(yīng)保持驅(qū)動桿在相對恒溫的廠房或車間中加工。

(3) 走刀控制。在驅(qū)動桿加工過程中,一次走刀后應(yīng)使驅(qū)動桿充分冷卻,再進行后次走刀工序,以此避免因溫度變化引起的加工誤差。

6.2 環(huán)形齒槽加工工裝

(1) 裝夾工具。在加工驅(qū)動桿環(huán)形齒槽過程中,采用普通中心架在車削時容易產(chǎn)生竹節(jié)形誤差。對此,在驅(qū)動桿長度上安裝多個自定心裝夾工具,裝夾工具與驅(qū)動桿接觸處應(yīng)保持充分潤滑,保證加工過程中驅(qū)動桿自由轉(zhuǎn)動。通過自定心裝夾工具,可以保證驅(qū)動桿直線度及加工環(huán)形齒槽時的精度,使環(huán)形齒槽達(dá)到圖紙要求。

(2) 跟刀裝置。在驅(qū)動桿加工過程中,為了保證加工段精度要求,加裝跟刀裝置。加裝跟刀裝置能夠減小驅(qū)動桿加工時彎曲及自身重力引起的變形,使加工精度明顯提高。

6.3 刀具及加工參數(shù)

驅(qū)動桿加工過程中,對于刀具要求極為嚴(yán)格,刀具磨損會對驅(qū)動桿尺寸產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于走刀距離長,對刀具的考驗更為苛刻。如果選用普通車刀,會產(chǎn)生一次走刀刀具磨損,影響加工尺寸精度。

另一方面,切削用量對于保證驅(qū)動桿的加工精度及加工效率都有極其重要的作用,因此,需要合理選擇切削用量。

7 結(jié)束語

對華龍一號核電機組控制棒驅(qū)動桿相鄰環(huán)形齒槽間距、每25節(jié)環(huán)形齒槽段尺寸這兩個關(guān)鍵尺寸進行研究,分析影響關(guān)鍵尺寸的因素,并進行工藝優(yōu)化。通過改進冷卻設(shè)備、控制環(huán)境溫度、控制加工過程中走刀來降低溫度因素對驅(qū)動桿加工的影響,并通過安裝自定心裝夾工具,增加跟刀裝置,選用合適刀具及加工參數(shù),解決了驅(qū)動桿關(guān)鍵尺寸的加工難題,最終成功制造出滿足圖紙要求的驅(qū)動桿,掌握了驅(qū)動桿的制造技術(shù)。