李海鋒

(西安核設(shè)備有限公司, 陜西 西安 710021)

裝卸料機(jī)是核電站燃料操作與貯存系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。工作于反應(yīng)堆水池之上，主要承擔(dān)著裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)核燃料的作用。外套筒為裝卸料機(jī)主要部件之一，安裝于小車齒輪機(jī)構(gòu)之上，內(nèi)套筒連帶抓具、核燃料在其中上下運(yùn)動(dòng)，故外套筒上設(shè)有伸縮套筒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、燃料導(dǎo)向板等重要功能部件。外套筒的加工精度對(duì)裝換料的運(yùn)行操作可靠性、安全性有直接、較大影響。如何保證內(nèi)孔與外圓的相互位置精度以及外孔本身的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求，一直是裝卸料機(jī)外套筒機(jī)械加工的難點(diǎn)，尤其對(duì)薄壁深孔的套筒零件，因?yàn)榍邢魇芰筇淄踩菀鬃冃?，剛性差、裝夾困難、加工回彈的精度不可控，這些都成為套筒加工亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。囿于國內(nèi)機(jī)械制造技術(shù)薄弱，機(jī)床的精度不高、測量手段單一，測量技術(shù)受限，外套筒的加工制造精度受到制約。我們利用現(xiàn)有的機(jī)加工具，自制各種實(shí)用工裝并反復(fù)嘗試試驗(yàn)，最終完成了外套筒的加工，實(shí)現(xiàn)了裝卸料機(jī)的國產(chǎn)化制造。

1 外套筒結(jié)構(gòu)

外套筒為超長薄壁管件，立式狀態(tài)使用，操作狀況見圖1。其結(jié)構(gòu)主要由規(guī)格φ440×8 L=9 951 mm不銹鋼鋼管與端部法蘭、筋板焊接而成。鋼管及法蘭上有大量位置精度要求極高的方形孔組，管子的外表面不僅是伸縮套筒的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也是燃料導(dǎo)向板的定位基準(zhǔn)，同時(shí)法蘭面是各零件的重要的安裝基準(zhǔn)。依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣要求，對(duì)鋼管與法蘭的形位精度要求、外表面粗糙度要求都十分嚴(yán)格，特別是對(duì)鋼管全長直線度要求僅為0.3 mm，對(duì)管外徑尺寸偏差要求小于0.4 mm。這些精度要求，對(duì)于外徑φ440 mm，壁厚僅為8 mm，長度接近10 000 mm的細(xì)長型不銹鋼管件的加工技術(shù)是極大挑戰(zhàn)。其中面臨著剛度差、易變形等十分棘手的難題。通過對(duì)我公司制造的多臺(tái)裝卸料機(jī)外套筒實(shí)際加工所測數(shù)值的分析比對(duì)，不斷將方案和細(xì)則進(jìn)一步優(yōu)化完善，充分利用各種工裝夾具，積累的測量經(jīng)驗(yàn)以及防變形措施，總結(jié)形成了相對(duì)固化、通用的外套筒制造工藝流程。外套筒結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 外套筒操作詳圖Fig.1 Operation details for the outer sleeve

圖2 外套筒結(jié)構(gòu)Fig.2 Structuredrawing for the outer sleeve

2 外套筒加工技術(shù)

空心軸類加工工藝路線一般分為預(yù)車、粗車、半精車、精車、精磨等?？此坪唵蔚鶞?zhǔn)的選取，工序的交錯(cuò)安排，夾具的有效利用，防變形的技巧都非?？简?yàn)工藝技術(shù)。為了完成加工我們制作了調(diào)整套工裝兩件、端部夾持工裝一件、分度工裝一件。

2.1 預(yù)車鋼管、組焊法蘭

以管子全長外圓找正，要求保證焊后加工外套筒體外圓。車與法蘭、加強(qiáng)板相焊段直徑φ440±0.048的軸端及端面倒角，結(jié)構(gòu)見圖3。車削過程中記錄下找正數(shù)據(jù)，圖中前端部1053尺寸加長100作為焊后加工找正。車削完成后保持裝夾狀態(tài)，將法蘭與管端定位點(diǎn)焊，確保法蘭面與管子垂直。車法蘭，要求各圓直徑同心，端面與軸線垂直。在車床上定位焊法蘭與鋼管，保證法蘭與不銹鋼管垂直。組焊筋板、法蘭與管子，對(duì)稱焊接，并在筋板焊接的相應(yīng)管內(nèi)位置增加十字支撐、法蘭背板防止鋼管變形。焊后利用機(jī)械振動(dòng)消除焊接應(yīng)力，打磨焊縫，并進(jìn)行100%PT檢測。檢測后將該件放置于專用工裝上，經(jīng)過約兩個(gè)月自然時(shí)效處理，釋放焊接應(yīng)力。

圖3 管子加工示意圖Fig.3 Schematic of pipe processing

四爪夾持法蘭，鋼管中部及尾部安裝調(diào)整套工裝。調(diào)整套工裝采用鋼鍛件，粗加工并將各孔鉆好攻絲后，調(diào)質(zhì)處理HRC>45，后對(duì)凸臺(tái)進(jìn)行精加工，其圓柱度不應(yīng)大于0.05 mm。安裝工裝時(shí)，螺栓與不銹鋼管接觸應(yīng)墊上銅條，防止劃傷鋼管表面。并使用中心架固定，以管子全長找正，檢查鋼管筒身直線度、管端圓度以及法蘭平面度等狀態(tài)。檢查后焊接尾部夾持工裝，結(jié)構(gòu)見圖4。該工裝采用奧氏體不銹鋼, 按實(shí)測管子端部內(nèi)圓尺寸進(jìn)行配車車出φ414及C15，方可與管端焊接。工裝外徑φ480尺寸應(yīng)留一定焊后機(jī)加工量，工裝與管子焊接并待管子全長找正完成后加工出φ480尺寸，作為后續(xù)加工的參考基準(zhǔn)。

圖4 夾持工裝圖Fig.4 Schematic of the clamping tooling

2.2 管子校正及粗車

管子尺寸檢查中若發(fā)現(xiàn)管子出現(xiàn)大于1.5 mm的旁彎則考慮在車床上對(duì)管子進(jìn)行校正。校正管子時(shí)優(yōu)先考慮機(jī)械方法，若采用火焰法進(jìn)行修整，則應(yīng)在烘烤表面涂抹耐高溫涂料，嚴(yán)格控制加熱溫度，并通過激光測溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測，不得高于440 ℃。校正時(shí)考慮向旁彎的反方向過校1 mm，防止回彈，校正后重新以管子全長找正，管尾、管中及靠近法蘭側(cè)車出三條寬10 mm找正帶，以便后續(xù)加工過程觀察管子變形情況。粗車管子前段約3 m，反向走刀，大面見光，車削中采用冷卻液冷卻。掉頭找正，四爪夾持管尾夾持工裝、調(diào)整套工裝、中心架分別移動(dòng)至管子中間及靠近法蘭位置，固定中心架。法蘭處管端采用尾座中心頂尖輕微扶正，但不得限制管子長度方向自由度。粗車管子全長，并粗車法蘭端面及外圓。車削過程中，隨時(shí)檢測管子各段外圓尺寸及各找正帶尺寸，以掌握機(jī)床各段尺寸精度狀態(tài)和管子變形狀態(tài)，為后續(xù)半精車及精車的尺寸控制提供關(guān)鍵參數(shù)支持。

2.3 半精車、精車管子、法蘭

車削過程中嚴(yán)格控制吃刀深度及走刀量是加工的關(guān)鍵。根據(jù)車床各段精度狀態(tài)采用進(jìn)退刀的方法控制外圓公差，并應(yīng)注意加工過程中反復(fù)檢查變形狀況。由于管子剛性差，精車時(shí)每加工1～2 m，隨車移動(dòng)調(diào)整套及中心架位置，并注意冷卻液使用以及轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量，嚴(yán)格控制變形。精車法蘭各面，最終留拋光量約0.1 mm。采用百葉輪拋光片精磨外圓，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整磨削量以及冷卻液使用，冷卻液噴淋在距離磨削位置約1 m處的已拋光表面，防止變形。掉頭裝夾，夾持法蘭端，以管全長找正，車端部長1 300 mm內(nèi)孔，保證內(nèi)外圓同心。

2.4 外套筒各孔加工

粗鏜筒身十二個(gè)方孔。嚴(yán)格對(duì)稱加工，不可單個(gè)方孔一次加工完成，應(yīng)多次對(duì)稱進(jìn)刀完成加工，防止變形。龍門銑鏜床上采用4件壓緊的V型鐵支撐工件，V形鐵通過一次加工保證等高。以管外圓全長找正兼顧法蘭，打表測量壓緊工件，嚴(yán)格控制壓緊量，因?yàn)榉ㄌm端較重，在其下方加支撐法蘭。在裝卡完成后，重復(fù)測量各找正數(shù)據(jù)，與壓緊前數(shù)據(jù)比對(duì)，合格后方可加工。第一組方孔加工后應(yīng)松掉裝夾，觀察變形情況，所有方孔加工完成后，則應(yīng)在放置數(shù)小時(shí)后觀察變形情況然后重新裝夾工件并找正，加工法蘭上各孔，注意與方孔相對(duì)位置，并確保螺栓孔分度圓與法蘭安裝止口同心。法蘭加工后安裝分度工裝。分度工裝結(jié)構(gòu)：1)兩面車加工，確保各圓同心度不大于0.05 mm、厚度方向兩面平行度不大于0.05 mm；2)4-φ22孔具體尺寸由外套筒法蘭相應(yīng)位置φ22孔實(shí)測尺寸決定，安裝時(shí)使用帶銷螺栓固定工裝與外套筒法蘭；3)各槽及φ22孔由數(shù)控龍門銑鏜床一次裝夾加工完成，確保各角度、位置的準(zhǔn)確性。通過該分度工裝，找正各角度位置，加工管身上各孔，應(yīng)采用對(duì)稱加工，并確保管子上各孔相應(yīng)角度方位、各相對(duì)孔的對(duì)稱度。加工過程中穿插測量，嚴(yán)格控制。每次加工、找正測量都應(yīng)保留數(shù)據(jù)，為下一步加工保留參考數(shù)值，以便于后續(xù)分析解決問題。加工前應(yīng)核實(shí)加工量，法蘭及筒身外形尺寸均考慮按上公差加工。筒身上各螺紋孔應(yīng)在鏜床上定位攻絲，防止攻偏。實(shí)時(shí)觀測加工狀態(tài)，工件若出現(xiàn)振動(dòng)則應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)速、走刀量，待工件狀態(tài)穩(wěn)定再恢復(fù)常規(guī)參數(shù)。加工過程中利用自制工裝嚴(yán)格控制該件貯存、吊裝、周轉(zhuǎn)運(yùn)輸過程，防止變形。

3 結(jié)論

1)大型超長薄壁管件的高精度機(jī)加工在機(jī)械行業(yè)內(nèi)屬于高難度加工范疇，此次外套筒的成功加工解決了大型超長薄壁管件高精度加工中剛性差、易變形、無基準(zhǔn)等難題；

2)在加工過程中使用各種專用工裝、總結(jié)測量方法不斷改進(jìn)、優(yōu)化編制出一套具有通用性的工藝規(guī)范以及實(shí)施細(xì)則為后續(xù)多臺(tái)裝卸料機(jī)外套筒加工提供理論依據(jù)；

3)提出各類詳盡的測量、調(diào)整方案，解決了薄壁細(xì)長管件的加工難題。不僅保證了各工件的加工精度，而且縮短了加工周期。加工完成后管子尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度完全滿足設(shè)計(jì)要求；

4)該套系統(tǒng)的加工技術(shù)為以后同類大型薄壁管件加工，特別是燃料操作與貯存系統(tǒng)中類似零部件的制造，積累了極其寶貴的經(jīng)驗(yàn)。