核電穩(wěn)壓器上封頭加工工藝與加工質量控制

魏巍

摘 要：核電是一個國家科技、工業(yè)實力的重要體現。現今在世界上能夠自主設計、制造、建設核電項目的國家屈指可數，我國的核電項目立足于自主開發(fā)現今已經實現了第一代和第二代核電的建設布局，并通過“華龍一號”積極參與國際市場的核電競標。核電工程項目是一項系統(tǒng)性的工程，其設計、加工制造難度極大。尤其是以核島為代表的設備更是加工制造的難點。核島壓力容器中的穩(wěn)壓器上封頭屬異型件，其尺寸大、形狀結構復雜、硬度高、尺寸公差小，為完成對于封頭的制造應當對其加工難點進行梳理、分析，并找出相應的加工工藝方案。在完成加工工藝方案制定的同時，為確保加工工藝的可行性需要通過模擬仿真的方式來對其進行驗證。

關鍵詞：穩(wěn)壓器上封頭；加工工藝；加工質量

前言

核電與高鐵是我國高技術裝備的重要標簽，同時我國在國際上所著重推出的中國制造的名片。通過做好核電和高鐵的技術和裝備的出口從而帶動一大批我國相關技術產業(yè)的出口。為實現這一目標，除了加強核電設計技術水平外，做好核電設備的加工制造工作也是極為重要的。穩(wěn)壓器上封頭是核電壓力容器中極為重要的組成部分，由于其需要在高溫、高壓以及腐蝕的環(huán)境下進行工作，為確保核電壓力容器的正常工作需要對上封頭進行高精度的加工。現今核電穩(wěn)壓器上封頭的毛坯件采用的是整體鍛造所加工成的毛坯鍛件，由于國內在大型鍛件制造能力上的不足，使得所生產出來的上封頭毛坯件重達32t，而加工完成后的上封頭則僅僅有7.8t左右，封頭加工制造所需要切削的量極大，為做好對于上封頭的加工需要做好上封頭加工工藝的設計與優(yōu)化，從而最大限度的確保封頭加工的質量和效率。

1 穩(wěn)壓器上封頭結構分析

穩(wěn)壓器上封頭整體結構形如一個半球體上接一個直管嘴和兩個斜管嘴，其是一個異型件，由于球面上所存在的一定角度的管嘴和相關面的存在使其的加工難度極大。穩(wěn)壓器封頭完成加工后的高度為1408.7mm，球面外半徑為1455mm，內球半徑為1375mm，對于外管嘴部分的尺寸精度要求較高，斜管嘴在平面內的27°位置，管嘴角度偏差為±0.1°。對于內外球面、管嘴的加工屬于回轉體加工，加工精度要求將誤差控制在0.3mm的區(qū)間范圍內。此外，為了滿足無損探傷要求，封頭加工完成后表面的粗糙度需要控制在Ra3.2以內。在封頭的加工過程中其難點是做好對于封頭內外球面以及輪廓的精度控制、外管嘴的中心與球體回轉中心的同軸度、外管嘴在投影平面內27°角度以及管嘴尺寸精度等。在封頭的加工過程中，需要經過多道工序，加之封頭的工藝設計復雜、加工精度高從而使得封頭的加工難度極大。在封頭的加工過程中由于封頭的異型結構會使得其質心不穩(wěn)，這就為封頭裝夾的穩(wěn)定性提出了不小的挑戰(zhàn)。在封頭的加工過程中，對于封頭的內球面及外球面的部分區(qū)域要采用車削加工技術，剩下的部分采用的是仿形加工技術，這兩種加工方式中如何做好基準的精確定位十分困難。

2 封頭加工方案設計

封頭屬于異型件，且加工的尺寸、加工的質量都較大，為確保封頭的加工質量應當做好封頭加工工藝的設計。加工方案的設計需要遵循先銑削定位基準-粗加工-精加工的加工順序，先對封頭表面進行加工后對管嘴等進行加工。在粗加工后需要對封頭進行熱處理，為確保后續(xù)精加工具有足夠的余量，應當對封頭先進行半精加工，以釋放封頭熱處理所存在的內應力，避免精加工后因熱應力而導致加工變形。綜合封頭的全部加工需求及注意要點后封頭的加工工藝設計如下：毛坯件鑄鍛-外形粗車-粗銑-探傷檢測-熱處理-半精加工-精加工-探傷。粗加工和半精加工時要對加工余量進行合理的設置，其關系到后續(xù)加工的加工效率和加工精度，在封頭毛坯件的粗加工階段，毛坯件的剛性大、余量大，因此無需額外考慮毛坯件加工變形等的因素，采用大切削量進行加工即可。在半精加工階段其主要目的是為了消除熱處理，是工件所產生的變形且是后續(xù)精加工的先導，在半精加工時要為精加工做好裝夾和測量基準，因此在加工余量的留取方面要適宜。在精加工階段要做好加工進給量的控制，防止加工變形。封頭裝夾方案的設計，在外球面的加工中封頭剛性好便于裝夾加工，在精加工階段，封頭的外球面所帶的管嘴將會對裝夾帶來極大的困擾，因此，在外球面上設計留出高約50mm的裝夾工藝段，此工藝段保留至最后進行去除。

在封頭加工工藝的設計上，需要根據不同的加工階段來對其進行設計，在粗加工階段由于去除量大且后續(xù)需要進行熱處理，因此，對加工精度不做太多要求。封頭工藝設計的重點是如何在封頭精加工階段時確保封頭內外球面、直管嘴和斜管嘴圓柱表面、過渡圓弧之間的良好銜接。在封頭精加工階段需要采用先車后銑的加工工序。車削工藝如下：首先將封頭的內圓口朝上，使用車削完成對于封頭內球面和端面的車削，在車削中需要注意的是在50mm工藝段外圓處留一段基準。完成對于內圓面和端面的車削后對工件進行翻身，而后以翻身前所留下的基準來對封頭外圓面進行找正，在封頭外圓面的車削中首先車削到外球面管嘴的下端區(qū)域。在這一工藝設計時要注意做好封頭外球面、直管嘴圓柱表面、端面以及總高尺寸的留取，各加工尺寸應當嚴格保證滿足封頭設計所要求的工藝尺寸和幾何精度要求，這些車削完成的加工尺寸將作為后續(xù)銑削加工的定位和測量基準。因此在封頭車削工藝的編制時要引起足夠的重視。

在封頭外球體的銑削加工工藝中，由于其主要采用的是仿形加工，因此，需要對封頭外球體按照三個工位進行加工工藝的設計。在第一工位，在主銑頭上加裝直角銑頭，用以對封頭外球面上與車削表面銜接處的銑削加工，銑削尺寸為從封頭斜管嘴圓柱表面與球面交點之間的區(qū)間范圍。在第二工位，在主銑頭上加裝萬能角銑頭，通過使用萬能角銑頭對封頭球面27°斜管嘴端面、管嘴外圓柱面以及斜管嘴與封頭半球面之間的過渡圓弧及封頭球面一部分的銑削加工，完成了對于封頭一側斜管嘴的加工后，需要將工件反轉至另一側重復上述加工工藝完成對于封頭上另一斜管嘴的加工。在第三工位，通過在機床銑頭上加裝延伸銑頭對封頭上的直管嘴端面、圓柱表面、過渡圓弧以及封頭中的一部分外球面進行加工。在封頭精加工工藝的編制上需要通過UGCAM對加工時刀軌跡進行模擬，以確保封頭精加工時不會受到周邊管嘴等的干涉。在封頭精加工時為確保封頭的加工質量，需要采用邊加工、邊測量的方式，以確保封頭的加工質量。在精加工階段除了需要滿足工件所標注的設計精度尺寸及表面質量外，還需要注意防止加工變形，在加工時采取小銑削量的加工方式，特別是在封頭銑削加工的最后光刀時要加強對于封頭加工質量的控制。

3 結束語

穩(wěn)壓器上封頭是核電壓力容器設備中的重要組成部分。其具有重量大、銑削量多、加工精度要求高等的特點，為做好對于封頭的精密加工，除了做好對于封頭加工工藝的設計外，在封頭的加工過程中需要注意采取合理的措施，加強對于封頭加工質量的控制。在封頭加工裝夾環(huán)節(jié)，由于封頭外球面上所存在的直管嘴和斜管嘴的影響，需要在封頭外球面上留有加工環(huán)直至最后。此外，在封頭加工的過程中會經歷車、銑、鏜等多道加工工序，為保證各工序之間的有序銜接及加工精度，在封頭加工的過程中應當留好相應的加工基準面，各道加工工序要以基準面為基礎完成后續(xù)加工，以確保封頭的加工質量。

參考文獻

[1]李馨家，崔振山，馮超，等.核電封頭-過渡錐體一體化成形全工藝過程多尺度模擬[J].塑性工程學報，2016（6）：1-7.

[2]張開君，汪麗麗，張茂龍.核電蒸汽發(fā)生器下封頭內壁堆焊預（后）熱工藝方案探討和實施.壓力容器，2010，27（3）：30-33.

[3]孫揚.核電站蒸汽發(fā)生器橢球封頭鍛件制造標準比對分析[J].技術與市場，2016，23（3）：51-52.