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        核燃料元件導(dǎo)向管自動(dòng)鉆孔裝置研制及鉆孔工藝研究初探

        2022-05-30 08:35:52陳天野代志兵
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年16期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)向管頂角毛刺

        胡 煜 陳天野 代志兵

        (中核建中核燃料元件有限公司,四川 宜賓 644000)

        從20 世紀(jì)80 年代后期至今,我國(guó)核燃料領(lǐng)域?qū)τ趯?dǎo)向管流水孔鉆孔,在方法和手段上創(chuàng)新不夠,一直采用手工操作臺(tái)鉆加工導(dǎo)向管流水孔方法。過程中,鉆削速度只能選定有限幾種,并且在鉆削速度確定后,鉆削進(jìn)給速度只能采用人工控制方法,鉆孔自動(dòng)化程度不高、效率較低;鉆孔后孔邊緣毛刺嚴(yán)重,后續(xù)人工去除毛刺工作量大。因此,為了滿足導(dǎo)向管流水孔鉆孔要求,研制一套導(dǎo)向管自動(dòng)鉆孔裝置并開展導(dǎo)向管鉆孔工藝研究。通過試驗(yàn),確定導(dǎo)向管流水孔鉆削鉆頭、鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度等工藝參數(shù),達(dá)到大幅減少鉆削毛刺、滿足流水孔直徑、流水孔位置尺寸和分布角度要求,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向管鉆孔自動(dòng)化的目的。

        1 導(dǎo)向管自動(dòng)鉆孔裝置研制

        1.1 總體設(shè)計(jì)思路

        導(dǎo)向管自動(dòng)鉆孔裝置由鉆孔主軸組件、Z 軸組件、X軸組件、V 型支架組件、夾持定位組件等部分組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向管自動(dòng)鉆孔時(shí)的支撐、夾持、旋轉(zhuǎn)、移位、壓緊,鉆孔參數(shù)可以調(diào)整。鉆孔主軸組件安裝在Z 軸組件上,實(shí)現(xiàn)鉆孔功能。鉆削深度最?。海?~5)mm。Z 軸組件實(shí)現(xiàn)鉆頭上、下進(jìn)給移動(dòng)和鉆孔深度定位功能。采用伺服電機(jī)和精密絲杠組成傳動(dòng)系統(tǒng),由雙滑塊直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、光柵尺等組成運(yùn)動(dòng)軸[2];其重復(fù)定位精度;行程:1780mm。夾持定位組件對(duì)導(dǎo)向管實(shí)施夾持和軸向定位,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向管軸向移動(dòng)、角度旋轉(zhuǎn)等定位功能。V 型架和支撐架實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向管沿軸向的支撐和定位,在鉆孔時(shí)支撐并壓緊工件。

        1.2 自動(dòng)鉆孔裝置主要構(gòu)成

        鉆孔主軸組件上的高速主軸電機(jī)通過固定板定位連接在雙滑塊直線導(dǎo)軌上形成Z 軸組件,向下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鉆孔并限制鉆孔深度。其轉(zhuǎn)速500-12000RPM,額定功率2.2KW,最大轉(zhuǎn)速力可以達(dá)到1.2N.M。鉆頭使用氣動(dòng)夾頭,可以安裝不同的鉆頭。在鉆孔過程中通過程序設(shè)定自動(dòng)更換不同的鉆頭,鉆削出¢1mm~¢5mm 的孔。在鉆孔時(shí)壓緊塊將導(dǎo)向管壓緊在V 型支架中,可以防止鉆孔時(shí)導(dǎo)向管軸向竄動(dòng)和徑向轉(zhuǎn)動(dòng),保證鉆孔同心度及鉆孔尺寸要求。其中,壓緊塊材料使用聚氨酯,防止損傷導(dǎo)向管表面。

        X 軸組件由防護(hù)罩內(nèi)的兩個(gè)雙滑塊直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、光柵尺組成運(yùn)動(dòng)軸,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向管沿X 軸方向在不同位置處鉆孔,其光柵尺分辨率:1um[3]。選用雙滑塊直線導(dǎo)軌和滾珠絲桿組成鉆孔主軸組件運(yùn)動(dòng)軸,為鉆孔提供向下的動(dòng)力,其土0.02mm 重復(fù)定位精度可以保證較高的鉆孔定位精度和鉆孔尺寸[4]。V 型支架在鉆孔時(shí)起支撐導(dǎo)向管作用。確保鉆孔時(shí)對(duì)中,保證鉆孔位置尺寸和偏差以及和分布角度和偏差。夾持定位組件可以通過程序設(shè)定調(diào)整中心高度,以便與V 型支架的中心高度相一致??梢赃x擇夾持¢1mm~¢5mm 等范圍內(nèi)不同直徑的鉆頭。

        2 鉆孔工藝研究

        2.1 鉆孔工藝試驗(yàn)

        2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

        選擇不同的鉆頭頂角大小,設(shè)定較大范圍鉆削速度并匹配不同鉆削進(jìn)給速度進(jìn)行鉆孔。檢查鉆孔后孔邊緣毛刺形態(tài)和大小,分析鉆頭頂角角度、鉆削速度、鉆削進(jìn)給速度等三個(gè)主要參數(shù)對(duì)導(dǎo)向管鉆孔表面質(zhì)量尤其是鉆削毛刺的影響。通過試驗(yàn),探索鉆頭頂角角度和鉆削轉(zhuǎn)速及匹配的鉆削進(jìn)給速度范圍。

        2.1.2 試驗(yàn)條件

        根據(jù)鉆削理論分析及對(duì)鉆削毛刺形成機(jī)理研究的成果,鉆頭的頂角大小是決定鉆削毛刺產(chǎn)生的重要因素[5]。在試驗(yàn)中采用¢2.4mm 硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)鉆頭??紤]到導(dǎo)向管壁厚、外徑、材質(zhì)等已經(jīng)確定,并參考目前手工鉆削流水孔的鉆削速度為2000rpm 等實(shí)際情況,選擇在800 ~4000 rpm 鉆削速度范圍內(nèi)匹配0.05 ~0.65 mm/s 鉆削進(jìn)給速度兩組參數(shù)內(nèi)開展鉆孔試驗(yàn)。

        2.1.3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

        鉆頭頂角角度選擇為118°,鉆削速度800~4000rpm范圍和匹配的鉆削進(jìn)給速度0.05~0.65mm/s,試驗(yàn)結(jié)果表明:

        (1)使用頂角角度為118°的鉆頭,在800~4000 rpm鉆削轉(zhuǎn)速和0.05~0.65 mm/s 進(jìn)給速度條件下鉆孔,試樣均顯示孔內(nèi)、外側(cè)有明顯的嚴(yán)重的金屬翻邊和殘留,表現(xiàn)為毛刺凸出流水孔,并附著在孔周圍,毛刺大并且密集,伴隨“蓋帽”形狀毛刺(孔“翻蓋”)和翻邊,且翻邊嚴(yán)重。

        (2)部分孔呈橢圓或心形形狀;孔內(nèi)柱面不光滑,見圖1-2。

        圖1 孔翻蓋和橢圓成型

        圖2 橢圓成型和孔邊積瘤

        (3)當(dāng)鉆削速度達(dá)到4000rpm 時(shí),試樣等孔內(nèi)壁顯現(xiàn)明顯的臺(tái)階狀或鋸齒狀鉆痕,孔邊積屑瘤明顯增加見圖3-4。

        圖3 孔邊毛刺

        圖4 孔內(nèi)壁粗糙、不光滑

        (4)當(dāng)嘗試?yán)^續(xù)提高鉆削速度達(dá)到6000rpm 時(shí),鉆頭與管表面摩擦產(chǎn)生火星,存在安全隱患,不再嘗試更高鉆速進(jìn)行試驗(yàn)。

        分析和結(jié)論:使用頂角角度為118°的鉆頭,主要在流水孔出孔處產(chǎn)生鉆削切出進(jìn)給的毛刺,形態(tài)為“蓋帽”和較嚴(yán)重的翻邊毛刺,即處于切削運(yùn)動(dòng)刀具切削刃毛刺分類體系中所講的Ш 型毛刺形態(tài)[6]。

        鉆頭頂角角度選擇為140°,按照鉆削速度800~3000rpm 范圍和匹配的鉆削進(jìn)給速度0.05~0.65mm/s 進(jìn)一步試驗(yàn),其它試驗(yàn)條件不變,試驗(yàn)結(jié)果表明:

        (1)使用頂角角度為140°的鉆頭,在800 rpm~3000 rpm 鉆削轉(zhuǎn)速和0.05mm/s~0.65 mm/s 進(jìn)給速度條件下鉆孔,試樣流水孔內(nèi)、外側(cè)均無(wú)明顯金屬翻邊和金屬殘留;孔呈圓形且形狀規(guī)整;孔內(nèi)柱面均勻光滑,孔加工區(qū)表面無(wú)變形,見圖5-6。

        圖5 孔內(nèi)部表面質(zhì)量

        圖6 孔外表面質(zhì)量

        (2)放大檢查流水孔,發(fā)現(xiàn)鉆削切出進(jìn)給方向的孔邊

        仍然有毛刺,但無(wú)嚴(yán)重的“翻蓋”和大的翻邊毛刺,毛刺形態(tài)處于Ⅱ型毛刺狀態(tài),即切削運(yùn)動(dòng)-刀具切削刃毛刺分類體系中所講的泊松毛刺[7]。

        (3)同時(shí),目視并借助內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn),相比較而言,在1500~2500rpm 鉆削轉(zhuǎn)速并匹配0.15mm/s~0.25 mm/s進(jìn)給速度條件下鉆孔,孔的表面狀況更好一些。

        分析和結(jié)論:(1)在實(shí)際鉆削過程中,鉆削毛刺的產(chǎn)生受到綜合因素的影響。這些綜合因素包括鉆頭結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、鉆頭材質(zhì)、被鉆削材料、鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度等等。當(dāng)確定了被鉆削材料材質(zhì)和壁厚、鉆孔直徑、鉆頭材質(zhì)等條件后,鉆孔質(zhì)量尤其是毛刺產(chǎn)生的形態(tài)和大小就主要由鉆頭頂角角度、鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度三個(gè)因素決定[8]。(2)針對(duì)試驗(yàn)顯示出在1500~2500rpm鉆削速度和匹配0.15~0.25 mm/s 鉆削進(jìn)給速度條件下鉆孔表面質(zhì)量更好的結(jié)果,結(jié)合鉆削理論和鉆削毛刺形成機(jī)理,分析認(rèn)為產(chǎn)生這樣的效果原因在于:a.當(dāng)將鉆頭頂角角度由標(biāo)準(zhǔn)的118°增大至140°時(shí),鉆頭主切削刃形狀呈凹曲線形,有利于切削折斷;而被鉆削的導(dǎo)向管壁厚很薄,故不容易產(chǎn)生大的毛刺。b.由于被鉆削導(dǎo)向管延伸率大且管壁很薄,較高的鉆削速度匹配很小的鉆削進(jìn)給速度會(huì)延長(zhǎng)鉆頭與導(dǎo)向管流水孔相互摩擦的時(shí)間,使得熱量急劇升高而不能快速散熱,反而導(dǎo)致切削毛刺很不容易脫落并粘在孔邊。因此,增大鉆頭頂角角度,在鉆削導(dǎo)向管流水孔時(shí),有利于減少鉆削導(dǎo)向管流水孔所產(chǎn)生的毛刺。試驗(yàn)結(jié)果說明使用頂角角度為140°的鉆頭和適宜的鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度鉆頭更能夠鉆削出一個(gè)理想的、表面質(zhì)量更優(yōu)的流水孔。

        2.2 手動(dòng)自動(dòng)鉆孔對(duì)比試驗(yàn)

        2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

        對(duì)比驗(yàn)證自動(dòng)鉆孔流水孔表面質(zhì)量及毛刺去除能否滿足要求。

        2.2.2 試驗(yàn)條件

        采用4 支全長(zhǎng)導(dǎo)向管,選擇頂角角度為140°的¢2.4mm 硬質(zhì)合金鉆頭,分別以手動(dòng)方式鉆孔1 支,以自動(dòng)方式鉆孔3 支,試驗(yàn)方案見表1。

        表1 流水孔鉆孔對(duì)比試驗(yàn)方案

        2.2.3 試驗(yàn)和結(jié)果分析

        使用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查流水孔內(nèi)表面毛刺。在采取去除毛刺工藝前,導(dǎo)向管流水孔內(nèi)部均有微小毛刺,但都是不明顯和不大的毛刺。檢查表明,導(dǎo)向管流水孔外表面均無(wú)毛刺,自動(dòng)鉆孔條件下流水孔毛刺要稍少,狀況更好一些。在采取去除毛刺工藝對(duì)比,導(dǎo)向管內(nèi)部流水孔毛刺較容易去除,見圖7-8。

        圖7 導(dǎo)向管流水孔內(nèi)部質(zhì)量

        3 結(jié)論

        圖8 導(dǎo)向管流水孔內(nèi)部質(zhì)量

        新研制的導(dǎo)向管自動(dòng)鉆孔裝置實(shí)現(xiàn)了鉆削導(dǎo)向管流水孔時(shí)支撐、夾持、旋轉(zhuǎn)、移位、壓緊和按照設(shè)定參數(shù)自動(dòng)鉆孔的功能和目的。探索了自動(dòng)鉆孔的工藝流程,通過選擇鉆頭、鉆削速度并匹配適宜的鉆削進(jìn)給速度,找到了適宜的鉆孔參數(shù)范圍,使得自動(dòng)鉆孔后流水孔質(zhì)量、流水孔直徑能夠滿足技術(shù)要求。

        鉆孔工藝過程表明:(1)自動(dòng)鉆孔裝置運(yùn)行平穩(wěn)、定位精確、操作便捷、安全防護(hù)到位,能夠滿足導(dǎo)向管流水孔鉆孔技術(shù)要求。(2)使用140°硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)鉆頭,在1500~2500prm 轉(zhuǎn)速并匹配0.10~0.25mm/s 鉆削進(jìn)給速度條件下自動(dòng)鉆孔要優(yōu)于手工鉆孔,導(dǎo)向管流水孔的外表面上不會(huì)產(chǎn)生毛刺,滿足技術(shù)要求;內(nèi)表面均會(huì)產(chǎn)生少量的毛刺,仍然需要手續(xù)采取去除毛刺工藝去除孔內(nèi)表面毛刺。(3)采用自動(dòng)鉆孔裝置鉆孔,導(dǎo)向管無(wú)凹陷變形,流水孔周邊無(wú)裂紋,導(dǎo)向管表面無(wú)劃傷。

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