核電主管道深孔大孔徑套料技術(shù)研究

向前波 堯躍利 胡 建 楊大偉 劉 暉

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)鑄鍛公司加工一廠，四川618000)

工 藝

核電主管道深孔大孔徑套料技術(shù)研究

向前波 堯躍利 胡 建 楊大偉 劉 暉

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)鑄鍛公司加工一廠，四川618000)

核電站主管道的內(nèi)孔設(shè)計(jì)尺寸基本都超過?700 mm，在AP1000 主管道深孔加工技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)CAP1400 主管道的深孔加工進(jìn)行優(yōu)化研究，可實(shí)現(xiàn)套取芯棒直徑大于?500 mm，內(nèi)孔直徑一次加工大于?600 mm的套料加工。

深孔套料；核電主管道；鉆桿；大孔徑

核電主管道是集團(tuán)公司自主研發(fā)的走在世界前列的核電產(chǎn)品。CAP1400冷卻劑主管道研制是二重主要承擔(dān)的國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目課題，其中CAP1400主管道深孔套料技術(shù)研究是其子課題之一。AP1000主管道熱段彎管在彎曲成形前的管坯加工過程中，由于沒有現(xiàn)成的加工方法可以借鑒，研制過程遇到了難題，其中最突出的一點(diǎn)就是深孔套料中的大直徑料芯套取問題。經(jīng)過不斷探索，成功解決了316LN超低碳控氮奧氏體不銹鋼?780 mm內(nèi)孔的加工難題，在DL250A機(jī)床成功進(jìn)行深孔套料?230 mm/?130 mm，但料芯直徑只有?130 mm，通過兩刀(?300 mm和?380 mm)擴(kuò)孔加工，再轉(zhuǎn)TD21150深孔鉆床采用傳統(tǒng)方式鏜孔，不利于材料的高效利用及加工效率的提高。CAP1400的主管道彎管的管坯彎曲成形前內(nèi)孔直徑為?900 mm，從現(xiàn)有實(shí)心鍛件加工至該尺寸，加工周期長(zhǎng)，材料浪費(fèi)極大。通過設(shè)計(jì)制作?634 mm/?598 mm×4000 mm的套料鉆桿，并設(shè)計(jì)制作或采購鉆桿用支撐瓦、后端法蘭、進(jìn)油器、專用套料刀體、刀具和配件，利用CAP1400主管道管段管坯可以套取?550 mm芯棒。由于電渣重熔鋼錠在重熔過程中心部冷卻較慢，鍛造過程變形較小、不易鍛透，心部質(zhì)量與表面相比較差，在芯棒套取后，通過后期內(nèi)部質(zhì)量系統(tǒng)分析，可確定芯棒是作為電渣重熔電極還是改鍛成其他產(chǎn)品，若芯棒能夠得到有效利用，則鋼錠的利用率將大大提高。為大幅度提高材料利用率和深孔套料效率，進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)核電主管道大孔徑內(nèi)孔套料的研究。

1 技術(shù)方案

1.1 核電主管道成品的內(nèi)孔直徑一般都在700 mm以上，總長(zhǎng)在8 m左右，具備可套取≥?500 mm的芯棒。但工件中部有偏心管嘴，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行帶來極大困難，需設(shè)計(jì)制作配重塊輔助，才能保證工件在機(jī)床上回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性及套料時(shí)所需的切削速度。圖1為配重后的核電主管道管坯。

圖1 配重后的核電主管道管坯

圖2 配重塊示意圖

1.2 要完成此項(xiàng)目，在車間現(xiàn)有設(shè)備中，只有5 m重型臥車及20 m重型臥車具備大直徑深孔的改造基礎(chǔ)。由于5 m重型臥車及20 m重型臥車所具備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，20 m重型臥車沒有冷卻和回油系統(tǒng)，所以選擇5 m重型臥車改造實(shí)施大孔徑套料項(xiàng)目。

1.3 直徑≥?500 mm的不銹鋼芯棒，自重高達(dá)十幾噸，由于套取的芯棒懸伸過長(zhǎng)將自然下塌，會(huì)擠壓套料刀體造成刀體變形，在項(xiàng)目實(shí)施過程中需解決此難題。

1.4 在大孔徑套料過程中，需要的刀具冷卻液、排屑油量及油壓大，因此需將機(jī)床冷卻回油系統(tǒng)進(jìn)一步升級(jí)，以滿足大孔徑套料需求。

1.5 結(jié)合現(xiàn)有工裝輔具，以降低投入成本為前提，項(xiàng)目組成決定采用內(nèi)排屑方式進(jìn)行大孔徑套料。由于工件無法從一頭直接套通，只能采取兩端對(duì)套的方式套取芯棒。套料時(shí)，工件與套料鉆桿同步、相向運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證切削力。

2 工裝輔具、刀具的選擇

2.1 套料刀體和授油器的選擇

首次進(jìn)行高難度大孔徑套料，經(jīng)過技術(shù)交流，比較不同刀具設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，項(xiàng)目組與相關(guān)工藝人員共同研究從3家業(yè)界頂尖的深孔刀具供應(yīng)商(BTA、ISCAR及SANDVIK)中，最終選擇ISCAR品牌制造商提供的套料刀體，實(shí)施大孔徑套料方案。

2.2 工裝輔具的設(shè)計(jì)制作

在選定套料刀體后，根據(jù)刀體連接位置，設(shè)計(jì)制作套料鉆桿以及連接轉(zhuǎn)換接頭等一系列工裝輔具。

依據(jù)套料刀體規(guī)格，通過查閱確定螺紋孔深度為：

(1)

式中，H≈1.2d；P為螺距。材料性能按GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中12.9級(jí)選用，強(qiáng)度按計(jì)算并進(jìn)行校核，總結(jié)出聯(lián)接套料鉆桿與套料刀體的前端接頭應(yīng)承受的強(qiáng)度，再根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出配套工裝的實(shí)際尺寸。

(2)

2.2.1 配重塊

根據(jù)工件實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀，設(shè)計(jì)制作出一套配重塊，以保證工件在機(jī)床運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。配重塊如圖2所示。

2.2.2 套料鉆桿

根據(jù)需要設(shè)計(jì)制作出5根?634 mm/?598 mm×4000 mm套料鉆桿，采用三頭矩形螺紋相連接，保證鉆桿裝配連接后，最終有效長(zhǎng)度約20 m。

2.2.3 法蘭排屑連接裝置

根據(jù)5 m數(shù)控鉆桿箱法蘭部分的具體情況，測(cè)繪出鉆桿箱后法蘭的止口尺寸，再根據(jù)套料鉆桿尺寸，設(shè)計(jì)制作了后端法蘭排屑連接裝置。

2.2.4 防震支撐抱瓦

圖3 防震支撐抱瓦

圖4 上下/抱瓦以及支座組合后結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)5 m數(shù)控原有鉆桿支撐座和套料鉆桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)安裝了防震支撐抱瓦，如圖3所示。

2.2.5 浮動(dòng)托瓦支承

鉆桿支撐座安裝了抱瓦后，抱瓦支撐鉆桿時(shí)，在運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生軸向竄動(dòng)，參照車序浮動(dòng)支撐加工原理，為此增加了兩組巴氏合金浮動(dòng)托瓦支承，解決了鉆桿與抱瓦之間的軸向竄動(dòng)問題。

2.2.6 其他裝置

前端壓力頭部分是內(nèi)排屑套料加工同外排屑相區(qū)分的顯著標(biāo)志，其壓力頭部分同時(shí)起著引導(dǎo)、供油和支承的三重作用，其中最關(guān)鍵的是供油。根據(jù)伊斯卡提供的授油器油壓頭尺寸自主設(shè)計(jì)制作了支座，采用抱瓦分上下兩部分將壓力頭壓住，再通過中間支座將機(jī)床底座和抱瓦相連。在旋轉(zhuǎn)移動(dòng)進(jìn)給過程中，為防止鉆桿與支座可能發(fā)生的竄動(dòng)現(xiàn)象，支座特別設(shè)計(jì)有防竄裝置；為保證操作人員安全以及便于拆裝，支座上還設(shè)有護(hù)欄和扶手。圖4為上下/抱瓦以及支座組合后結(jié)構(gòu)示意圖。

2.3 整套裝置

將主管道大孔徑套料所用工裝輔具組合后，再與深孔套料相關(guān)的機(jī)床液壓備件部分(表1)配合安裝，全部安裝完畢后在DL250機(jī)床調(diào)試設(shè)備，并進(jìn)行套料實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

表1 機(jī)床液壓備件表

圖5 整套裝置安裝后示意圖

3 項(xiàng)目實(shí)施過程

3.1 首次實(shí)驗(yàn)階段

3.1.1 設(shè)計(jì)制作的配套工裝輔具及設(shè)備系統(tǒng)全部安裝完后，在DL250數(shù)控5 m機(jī)床上調(diào)試大孔徑套料系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)，更換鉆桿箱減速機(jī)，能提供鉆桿在運(yùn)轉(zhuǎn)切削時(shí)需要的扭矩及進(jìn)給功率，使鏜座整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程平穩(wěn)。

3.1.2 在套料過程中，原液壓系統(tǒng)每根油管只能提供22 m3/h的流量及2.5 MPa的油壓，不足以提供大孔徑套料需求。由線性函數(shù)公式：

(3)

式中，X0(s)為輸出函數(shù)；Xi(s)為輸入函數(shù)；G(s)為傳遞函數(shù)。

由公式(3)可知，在液壓油路系統(tǒng)中，增加輸入油量、油壓時(shí)，輸出呈線性增長(zhǎng)。因此項(xiàng)目組在液壓油路系統(tǒng)中多增加兩組油泵，以達(dá)到滿足切削時(shí)油路的正常循環(huán)。

3.1.3 引進(jìn)的授油器密封圈無法與工件實(shí)現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)，根據(jù)自身深孔套料經(jīng)驗(yàn)，在工件與進(jìn)油器密封圈相接觸端面上，加工出M12螺釘孔，通過M12內(nèi)六方螺釘使工件與授油器密封圈能夠相連。成功解決了ISCAR公司進(jìn)油器密封圈與工件同步旋轉(zhuǎn)問題，保障了套料過程中工件端面與進(jìn)油器密封的良好效果。

3.1.4 由于大孔徑套料使用的是大規(guī)格套料鉆桿，需要提供較為充足的切削力，電機(jī)輸出扭矩=轉(zhuǎn)速×切削力，原來使用的1∶8的行星齒輪減速器已無法滿足使用要求。為滿足大孔徑套料時(shí)低進(jìn)給、大切削阻力的要求，我們將行星齒輪減速機(jī)更換為1∶20，在原基礎(chǔ)上將現(xiàn)有切削力提高了兩倍多，保障了套料系統(tǒng)有足夠的切削力。

3.1.5 首次套料工作未如預(yù)期順利，主要由于外購的ISCAR刀體排屑困難，刀片的布局及卷屑槽的方向不利于將鐵屑沖走，刀體上兩處排屑槽空間軸向短且為直面，極易造成鐵屑堵塞。每當(dāng)?shù)扼w在工件上吃刀后，在刀體排屑槽處就會(huì)形成積屑，無法正常切削套料。

3.2 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)階段

3.2.1 根據(jù)長(zhǎng)期積累總結(jié)的深孔套料經(jīng)驗(yàn)，分析得出外購ISCAR刀體內(nèi)刀座與外刀座排屑處的直面不利于排屑。我們決定將ISCAR套料刀體排屑槽進(jìn)行改進(jìn)，改造為圓滑過渡的排屑槽，利用冷卻回油系統(tǒng)將鐵屑從排屑槽處流出，成功地解決了套料過程中排屑困難的問題。

3.2.2 根據(jù)材料力學(xué)公式W=Vρ，即重量=體積×密度，得出：

(4)

由公式(4)得出套料芯棒自重約為14.8 t。因此套料應(yīng)采取兩端對(duì)套方式，一端套料深度超過1/2后，調(diào)頭從另一端再套料，此時(shí)已套取一端的芯棒可能會(huì)在另一端套料過程中發(fā)生坍塌情況。為防止芯棒坍塌，方便取出芯棒。我們根據(jù)套料刀體加工工件切口尺寸，在工件芯棒與內(nèi)壁間隙之間制作支承環(huán)支撐芯棒，防止芯棒坍塌損壞套料刀體。在芯棒端面中心位置加工出M42螺釘孔，使其在深孔套料完成后能安裝吊環(huán)。

3.2.3 在試切削過程中，套料鉆桿旋轉(zhuǎn)后走刀，由于鉆桿與鏜座支撐抱瓦間摩擦阻力太大，出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。為解決套料鉆桿與支撐座摩擦阻力大的問題，采用巴士合金浮動(dòng)托瓦靜壓油膜浮動(dòng)支承鉆桿。之前抱瓦使用尼龍摩擦系數(shù)為0.1～0.2，采用靜壓油膜懸浮支撐套料鉆桿后，摩擦系數(shù)為0.01～0.001，甚至更小，摩擦阻力減小10倍以上。如圖6所示。

3.2.4 所有改進(jìn)調(diào)整后，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床工件與套料鉆桿同步旋轉(zhuǎn)。工件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為10～20 r/min，套料鉆桿驅(qū)動(dòng)套料刀體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為15～40 r/min，進(jìn)給速度為0.3～2 mm/min，使大孔徑套料順利完成。通過大孔徑套料后，將原來核電管道從套料至完成深孔加工的平均周期由66天縮短為35天左右，加工效率提高了近一倍。套取的芯棒可作為自耗電極坯或直接改鍛成波動(dòng)管，增加了產(chǎn)品附加值。

4 結(jié)論

(1)此前常用深孔套料刀體規(guī)格為：?180 mm/?103 mm、?230 mm/?130 mm，對(duì)于實(shí)心鍛件的大孔徑深孔加工，特別是核電主管道的深孔加工，采用常規(guī)套料后，工件后續(xù)的深孔擴(kuò)孔加工時(shí)間很長(zhǎng)，同時(shí)鍛件60%以上被加工成鐵屑，材料利用率極低。采用新的工藝方法套料后，不僅使核電主管道的材料利用率得到了大幅度提高，而且極大地縮短了核電主管道深孔加工周期。

圖6 兩種支撐圖對(duì)比

(2)將重型臥車改造為復(fù)合式加工機(jī)床，突破機(jī)床原有加工的局限性，也突破了大直徑套料規(guī)格的極限。此項(xiàng)成果也可用于同類型、同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的深孔加工，改進(jìn)了深孔加工技術(shù)。尤其是主管道套取下的芯棒，可作為自耗電極坯或改鍛成波動(dòng)管，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

(3)通過項(xiàng)目組成員的研究改進(jìn)，克服了目前國內(nèi)采用內(nèi)排屑方式無法套料大直徑芯棒的技術(shù)難題，大孔徑套料技術(shù)的成功，推動(dòng)了大型先進(jìn)壓水堆及高溫氣冷堆核電站主管道的研制工作。

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編輯 陳秀娟

Technical Research on Larger Hole Diameter Jacking for Nuclear Main Pipeline Deep Pole

Xiang Qianbo, Yao Yueli, Hu Jian, Yang Dawei, Liu Hui

Most of design size of main pipeline inner holes for nuclear power station exceeded ?700 mm, and based on machining technology of AP1000 main pipeline deep hole, deep hole machining of CAP1400 main pipeline has been optimized and researched to realize that jacking mandril diameter was larger than ?500 mm and a one-time machining of inner hole diameter was more than ?600 mm.

deep hole jacking; nuclear main pipeline; drilling rod; larger hole diameter

2017—05—19

TG937

B