吳澤波,朱殿瑞,胡瑞斌

(1太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2太原重工股份有限公司 冶金設(shè)備分公司，山西 太原 030024；)

0 前言

進(jìn)出口接管作為核電壓力容器與外界唯一的連接口，其運(yùn)行期間受高溫、高壓、中子輻照及高低溫疲勞載荷作用，安全性能要求極高，是核電站中關(guān)鍵零部件[1-5]。進(jìn)出口接管與壓力容器連接部分為馬鞍型雙曲面結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜自由空間曲面。同時(shí)，根據(jù)核電標(biāo)準(zhǔn)ISO-9000要求，進(jìn)出口接管加工表面不允許存在加工硬化、補(bǔ)焊等現(xiàn)象，對(duì)零件的表面質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，這導(dǎo)致零件加工制造難度大，廢品率高。

由于國(guó)外對(duì)核電關(guān)鍵零部件的加工制造技術(shù)對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，難以查到核電進(jìn)出口接管數(shù)控加工規(guī)劃方面的相關(guān)外文文獻(xiàn)。

關(guān)于核電核心零部件異形曲面的加工，國(guó)內(nèi)華東理工大學(xué)的張振中[6]等人在NURBS方法基礎(chǔ)上建立環(huán)形銑刀加工曲面的局部運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)模型，并采用加工域并行規(guī)劃法進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃。上海電機(jī)學(xué)院的歐陽(yáng)華兵[7]等人提出了針對(duì)不同的加工區(qū)域分別采用不同的加工路線，并采用插銑策略進(jìn)行加工。燕山大學(xué)的張志良[8]研究了太重集團(tuán)內(nèi)部科研立項(xiàng)：海洋核動(dòng)力平臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(20141003)電封頭半精加工及精加工階段刀具路徑規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)對(duì)孤島及曲面邊界位置的處理，給出了基于適應(yīng)性空間填充曲線法的刀具路徑生成算法。綜上所述，目前關(guān)于核電設(shè)備異形曲面的加工研究，主要集中在刀具軌跡生成策略上，對(duì)切削軌跡對(duì)零件質(zhì)量影響提及的較少。

本文以該項(xiàng)目海洋核動(dòng)力平臺(tái)示范工程項(xiàng)目為依托，對(duì)進(jìn)出口接管的加工制造進(jìn)行了分析研究[9-15]。

1 工藝難點(diǎn)分析

雙馬鞍型曲面結(jié)構(gòu)特殊，如圖1所示，圖中R20內(nèi)圓弧與外徑夾角呈銳角，影響加工刀具的選用及進(jìn)給切削。由于空間狹小，造成排屑困難，散熱效果差等不利因素[16-18]。極易形成加工硬化等表面缺陷。

圖1 核電雙馬鞍型曲面出口接管

如圖2所示為在XOY馬鞍型拋物線中，R20圓弧根部高低點(diǎn)的最大偏差為33.2 mm，在刀具半徑和切削參數(shù)不變的情況下，加工過(guò)程中存在過(guò)切現(xiàn)象。

為保證加工質(zhì)量，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及要求，需合理分析工件材質(zhì)，建立合理的加工工藝方案。

圖2 雙馬鞍型曲面粗加工UG仿真走刀

2 工藝方案建立

2.1 材料分析

根據(jù)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范要求規(guī)定[19-20]，SA-508 Gr.3 Cl.1材料含碳量不大于0.25%，屬于低碳鋼。力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度550～725 MPa，屈服強(qiáng)度345 MPa，伸長(zhǎng)率18%，斷面收縮率38%。材料含碳量較低，調(diào)質(zhì)處理后硬度按抗拉強(qiáng)度計(jì)算為165～212 HBW。

從力學(xué)性能角度分析，SA-508 Gr.3 Cl.1的材質(zhì)硬度低，塑性大。根據(jù)加工硬化定理，工件的加工硬化是加工過(guò)程中工件塑性變形造成晶格畸變而硬度提高的表現(xiàn)，塑性越大，形成加工硬化的可能性越高。可以判斷該SA-508 Gr.3 Cl.1在加工時(shí)容易產(chǎn)生加工硬化。

切削力是影響加工硬化的關(guān)鍵因素之一，切削力的大小直接決定了材料的塑性變形量，塑性變形量越大，表面硬化程度越嚴(yán)重。另外提高切削過(guò)程中的溫度，可有效降低加工硬化產(chǎn)生。這是因?yàn)樵谝欢l件下，切削熱會(huì)軟化加工硬化層。

按切削性能分析，為確定合理的切削參數(shù)。以材料硬度作為對(duì)比依據(jù)，根據(jù)重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，將SA-508 Gr.3 Cl.1與35鋼、20Cr進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 切削性能對(duì)比

通過(guò)表1對(duì)比分析，SA-508 Gr.3 Cl.1材質(zhì)的單位切削力為35鋼和20Cr鋼之間。因此在加工過(guò)程中，其進(jìn)給量相對(duì)于20Cr應(yīng)適當(dāng)降低，初步確定為0.35 mm/z，并適當(dāng)減小刀具前角。

對(duì)比SA-508 Gr.3 Cl.1導(dǎo)熱率情況，可以看出，SA-508Gr.3.Cl.1切削熱明顯低高于35鋼，為防止切削溫度過(guò)高而導(dǎo)致工件表面材料性能發(fā)生變化，需要通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)，以降低加工時(shí)切削溫度。

已知影響切削溫度的主要因素包括切削速度和進(jìn)給量：切削速度越快，單位時(shí)間內(nèi)參與變形的金屬量增加而使消耗的功率增大，切削溫度升高。但過(guò)高的切削溫度會(huì)造成工件表面材料性能的變化，造成工件表面出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。因此，應(yīng)將切削速度提升并控制在規(guī)定切削速度的120%左右。35鋼的切削速度通常為200 r/min，結(jié)合表1熱導(dǎo)率對(duì)比，暫定SA-508 Gr.3 Cl.1雙曲面的切削速度為230 r/min。

另外，進(jìn)給量越大，鐵屑帶有的熱量也多，同樣會(huì)影響切削溫度，應(yīng)適當(dāng)降低進(jìn)給量。

2.2 走刀方式

接管結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，粗加工時(shí)，在防止過(guò)切的情況下，需反復(fù)空走刀。同時(shí)由于切削環(huán)境較封閉，宜選取銑刀直徑相對(duì)大一點(diǎn)，適當(dāng)降低主軸轉(zhuǎn)速。

由于切削余量不均勻，粗加工的走刀方式可通過(guò)對(duì)部件幾何體偏置來(lái)產(chǎn)生一系列仿形的刀軌，如圖3所示，以防止切削時(shí)因吃刀深度變化而產(chǎn)生的缺陷。

圖3 雙馬鞍型曲面精加工UG仿真走刀

在精加工時(shí)，為避免過(guò)切現(xiàn)象的發(fā)生，走刀方式如圖3所示。從圖3中可以看出，由于出口接管馬鞍形面粗加工無(wú)法對(duì)其根部圓弧角清根，精加工時(shí)，在增加相關(guān)約束后，利用球頭銑刀沿著馬鞍形面軸向走刀，以中心孔為基點(diǎn)360°旋轉(zhuǎn)加工。在滿足加工要求的同時(shí)，增加走刀量以提高表面切削熱，從而降低了加工硬化。

2.3 刀具選擇

SA-508 Gr.3 Cl.1的切削性能與35鋼很相似，切屑力相對(duì)較低，塑性高，不宜選取硬度過(guò)高的刀具。刀具的選擇應(yīng)具備良好的韌性和耐熱耐磨性。高速鋼刀具韌性較好但耐磨性差，鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金耐磨性強(qiáng)但耐熱性較差，因此建議選用鎢鈦類(lèi)硬質(zhì)合金刀具。

在加工SA-508 Gr.3 Cl.1時(shí)，由于塑性變形量大，零件結(jié)構(gòu)封閉，切削溫度較高。鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金有較高的硬度，特別是具有很高的耐熱性，抗粘結(jié)能力和抗氧化能力均較好，故刀具磨損小，耐用度高。

根據(jù)本文已確定的走刀方式，在粗加工時(shí)，選擇含鈷量較高含碳化鈦較少的鎢鈦類(lèi)刀具，這類(lèi)刀具抗彎強(qiáng)度較高，比較能承受沖擊；在精加工時(shí)，選擇含鈷量較少含碳化鈦較多的鎢鈦類(lèi)刀具，具有優(yōu)良的耐磨耐熱性能。

3 加工實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文工藝方案的可行性，在廠內(nèi)按照1∶1比例鍛焊了雙曲面馬鞍型接口，分別進(jìn)行了粗、精加工實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)件粗加工時(shí)采用硬質(zhì)合金立銑刀，刀具回轉(zhuǎn)半徑為25 mm，切削轉(zhuǎn)速230 r/min，背吃刀量4 mm，進(jìn)給量0.35 mm/z；精加工時(shí)采用硬質(zhì)合金球頭銑刀，刀具回轉(zhuǎn)半徑為15 mm。切削轉(zhuǎn)速230 r/min，背吃刀量4.5 mm，進(jìn)給量0.3 mm/z；實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 馬鞍形雙曲面粗加工實(shí)驗(yàn)成品圖

圖5 馬鞍形雙曲面精加工實(shí)驗(yàn)成品圖

實(shí)驗(yàn)后對(duì)馬鞍形表面質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，本文工藝方案能夠有效保證反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)出口接管雙馬鞍型曲面的表面精度要求，總體上實(shí)驗(yàn)是成功的。

(1)在粗加工時(shí)，由于馬鞍面與工件外圓成一個(gè)漸變的小于90°，加工程序在圓周方向走刀時(shí)，刀具磨損嚴(yán)重，因此在加工過(guò)程中，應(yīng)增加一個(gè)理論的切削邊際，以減小切削時(shí)出現(xiàn)殘留等現(xiàn)象。

(2)雙馬鞍形面在精加工后，局部出現(xiàn)了刀紋。經(jīng)過(guò)分析，主要是由于加工行程過(guò)長(zhǎng)，刀具中途刀具崩刃產(chǎn)生，原因是SA-508 Gr.3 Cl.1材質(zhì)相對(duì)于35鋼材質(zhì)比較，材料屈服強(qiáng)度較低，材質(zhì)膠黏，精加工刀具碳化鈦含量過(guò)高，切削轉(zhuǎn)速與其不匹配，導(dǎo)致刀具表面產(chǎn)生了積屑瘤，從而降低了表面粗糙度。為解決該問(wèn)題，相應(yīng)提高了切削轉(zhuǎn)速至250 r/min。重新實(shí)驗(yàn)后，刀紋消失，保證了表面粗糙度的要求。

4 結(jié)論

進(jìn)出口接管為整體鍛件，鍛件材質(zhì)為SA-508 Gr.3 Cl.1，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。根據(jù)零件材質(zhì)特性合理的選擇加工參數(shù)顯得尤為重要。通過(guò)工藝性分析以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到本文結(jié)論。

(1)結(jié)合進(jìn)出口接管材質(zhì)及切削參數(shù)，刀具材質(zhì)應(yīng)選擇鎢鈦類(lèi)硬質(zhì)合金。

(2)SA-508 Gr.3 Cl.1材料塑性高，硬度低。通過(guò)工藝分析，為防止加工硬化的產(chǎn)生，進(jìn)給量應(yīng)選擇0.35 mm/z，切削轉(zhuǎn)速在230 r/min以上。

(3)進(jìn)出口接管管口的結(jié)構(gòu)特殊，無(wú)法對(duì)其根部圓弧角清根，精加工時(shí)要以中心孔為基點(diǎn)360°旋轉(zhuǎn)，沿軸向加工。結(jié)合工件材質(zhì)，工件轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到250 r/min。