“華龍一號”核反應(yīng)堆堆芯板的制造

□辛正高 □劉增瑞 □徐 杰 □莫文斌

上海第一機(jī)床廠有限公司 技術(shù)部 上海 201308

1 技術(shù)結(jié)構(gòu)

“華龍一號”是由我國自主研發(fā)的第三代核反應(yīng)堆，堆芯板分為上堆芯板和下堆芯板，兩者結(jié)構(gòu)相近，筆者僅以上堆芯板結(jié)構(gòu)來說明上、下堆芯板在結(jié)構(gòu)上的制造難點(diǎn)。

如圖1所示，上堆芯板外徑為3 616 mm，厚度為76.2 mm?；鶞?zhǔn)面平面度要求為0.05 mm/300 mm，全部0.25 mm。另一面平行于基準(zhǔn)面的要求為0.05 mm/300 mm，全部0.25 mm。燃料組件定位銷孔相對于外圓位置度要求不大于0.15 mm，相對于基準(zhǔn)面垂直度要求不大于0.038 mm。

圖1 上堆芯板結(jié)構(gòu)

2 材料特性

堆芯板的材料均為Z2CN19-10控氮型奧氏體不銹鋼，需滿足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)1050～1150℃固溶處理，滿足晶間腐蝕試驗(yàn)、室溫和高溫拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，以及表面檢測、體積檢測等要求[1]。堆芯板的材料需具有足夠的強(qiáng)度、韌性，具體性能參數(shù)見表1。另外，材料還需具備耐腐蝕和耐輻照性能。

表1 堆芯板材料性能

堆芯板的材料成分見表2，其中硫、磷含量低，塑性和韌性好，切削性差，原材料洛氏硬度（HRB）不大于92，較軟，不利于切削。

表2 堆芯板材料成分

堆芯板材料熱導(dǎo)率為14 W/(m·K)，導(dǎo)熱性不佳，黏性較大，不易斷屑，因此切削加工難度較大。零件機(jī)加工時(shí)需使用核電專用冷卻液導(dǎo)出熱量，防止切削熱量傳導(dǎo)進(jìn)入基體材料。

堆芯板材料線膨脹系數(shù)為16.6×10-6K-1，線膨脹系數(shù)較高，機(jī)加工過程中容易受熱引起零件尺寸和精度變化。利用數(shù)控機(jī)床機(jī)加工堆芯板的平面和孔系時(shí)，應(yīng)采用線性補(bǔ)償?shù)姆椒▽ぜ崤蛎涍M(jìn)行線性補(bǔ)償，以提高加工精度。

3 制造流程

上、下堆芯板的材料采購規(guī)格分別為88 mm×3 680 mm×4 420 mm、3 685 mm×3 685 mm×60 mm，水切割下料后尺寸分別為φ3 670 mm×88 mm、φ3 661 mm×60 mm，毛質(zhì)量分別為7 307 kg、4 996 kg，加工完成后質(zhì)量分別為3 745 kg、2 672 kg。上、下堆芯板通過車削、銑削加工去除材料的質(zhì)量百分比分別為48.7%和46.5%，切削加工量大。整個(gè)機(jī)加工過程分為粗加工、半精加工、精加工，如圖2所示[2]。

粗加工工序可分為φ6.3 m立式車床粗車加工大平面及數(shù)控鏜銑床粗加工孔。粗車前應(yīng)先校正原材料平面度不大于3 mm，然后車削加工出兩平面平面度不大于2 mm，鉆鏜所有孔系和四個(gè)缺槽至單邊余量約5 mm，靜置時(shí)效不短于一周。粗加工使工件獲得一定的平面度和孔系位置度，并通過靜置時(shí)效，使粗加工過程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力充分釋放。

半精加工前先復(fù)校正零件平面度，滿足0.25 mm/300 mm，全部1 mm。車模工裝安裝平面平面度不大于0.2 mm，脹緊套工裝均勻布置，保證車削時(shí)受力均勻。至少四次翻轉(zhuǎn)工件，每次翻轉(zhuǎn)工件時(shí)校正上平面和外圓，每次翻轉(zhuǎn)后的進(jìn)刀量在0.25～1.0 mm之間，并逐漸減小。加工后，外圓留2.5 mm余量，厚度單邊留1.5 mm余量，平面度為0.10 mm/300 mm，全部0.3 mm，表面粗糙度Ra不大于3.2 μm。半精加工后也需要靜置不短于一周，充分釋放加工應(yīng)力。

精加工分為精車削平面和精鏜孔系。精車削平面前，先復(fù)校正零件平面度滿足0.15 mm/300 mm，全部0.35 mm。車模工裝安裝平面平面度不大于0.08 mm，跳動(dòng)值不大于0.05 mm，脹緊套工裝均勻布置，保證車削時(shí)受力均勻。至少兩次翻轉(zhuǎn)工件，每次翻轉(zhuǎn)工件時(shí)校正上平面和外圓，每次翻轉(zhuǎn)后的進(jìn)刀量在0.15～0.5 mm之間，并逐漸減小。精加工后外圓和厚度單邊至圖示尺寸，基準(zhǔn)面夾緊狀態(tài)時(shí)平面度為0.035 mm/300 mm，全部0.2 mm，自由狀態(tài)時(shí)平面度為0.035 mm/300 mm，全部0.2 mm，基準(zhǔn)面粗糙度Ra不大于3.2 μm。若精車時(shí)無法達(dá)到表面粗糙度要求，可單面預(yù)留0.25～0.5 mm余量，通過在刀架頭部增加專用拋磨裝置，并安裝高目數(shù)砂紙來拋磨平面，達(dá)到表面粗糙度要求[3]。

圖2 堆芯板工藝流程

精鏜孔系前在機(jī)床固定落地板上安裝角鐵，在角鐵的合適位置安裝等高墊，等高墊均勻布置，保證鏜銑時(shí)受力均勻。加工等高墊工件安裝面至平面度不大于0.08mm，吊裝工件至安裝位置，確認(rèn)工件與等高墊墊實(shí)，搭壓并固定工件。精鏜所有孔系前均需要預(yù)走刀，確認(rèn)孔系有足夠的加工余量，如圖3所示。

圖3 下堆芯板鏜孔

堆芯板的孔系位置要求高，與基準(zhǔn)面的垂直度要求不大于0.038 mm，和外圓的位置度要求不大于0.15 mm。精加工應(yīng)當(dāng)以距中心1 290.22 mm位置的四個(gè)基準(zhǔn)孔[4]為基準(zhǔn)來定位X軸、Y軸。每加工一個(gè)孔，均以四個(gè)基準(zhǔn)孔形成的X軸、Y軸來定位，通過使用補(bǔ)償機(jī)床誤差的方法[5]，來提高堆芯板孔系的位置度。為了保證上、下堆芯板上相對應(yīng)的燃料銷孔位置度要求，要求上、下堆芯板燃料銷孔在同一臺機(jī)床上加工完成，并且在機(jī)加工前復(fù)查機(jī)床立柱的垂直度等關(guān)鍵因素，進(jìn)而確保機(jī)床能夠滿足工件所需要的精度要求。

4 制造難點(diǎn)及解決方法

4.1 制造難點(diǎn)

“華龍一號”核反應(yīng)堆的上、下堆芯板實(shí)物分別如圖4、圖5所示。任何成型工藝都不應(yīng)使機(jī)加工后的堆芯板性能指標(biāo)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，必要時(shí)應(yīng)在成型后進(jìn)行熱處理，以便使材料性能恢復(fù)到符合要求的狀態(tài)?？梢姡懈钕铝?、車削平面、鉆鏜孔系、裝夾吊裝和標(biāo)識刻印都應(yīng)以滿足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求的方式來完成。工藝員需要通過分析上游要求，結(jié)合已有加工設(shè)備，模擬加工過程，通過計(jì)算切削應(yīng)力和試驗(yàn)來確認(rèn)滿足RCC-M標(biāo)準(zhǔn)和圖紙技術(shù)要求，且加工成本相對較低、制造效率較高的加工工藝。

圖4 上堆芯板

圖5 下堆芯板

堆芯板材料切削性差，導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)高。堆芯板由采購的板材加工至零件最終形態(tài)，材料去除率接近50%。機(jī)加工去除材料極易因加工而產(chǎn)生應(yīng)力變形，影響工件的最終加工精度。

半精加工和精加工時(shí)，上、下堆芯板中的孔已完成粗加工。此時(shí)，平面車削為斷續(xù)切削。上、下堆芯板兩平面的平面度要求高，斷續(xù)切削必然發(fā)生碰刀、崩刃現(xiàn)象，會(huì)影響工件車削加工的平面度。

上、下堆芯板的孔系位置要求高，與基準(zhǔn)面的垂直度不大于0.038 mm，與外圓的位置度不大于0.15 mm，且上、下堆芯板上孔的尺寸精度也高，這對工件的精加工工藝提出了較高的要求。

4.2 解決方法

采用正反面交替切削，并在切削時(shí)使用核電專用冷卻液充分冷卻，可有效減小加工應(yīng)力，從而減小加工引起的應(yīng)力變形[6]。粗加工后進(jìn)行靜置時(shí)效，使機(jī)加工引起的應(yīng)力變形得到充分釋放。

采用定制專用刀具[7]，多次翻身，并控制切削參數(shù)[8]，提高切削線速度，逐次減小進(jìn)給量與背吃刀量，最終表面拋磨，能有效解決斷續(xù)切削難題，保證工件的最終平面度要求。CPR1000與“華龍一號”堆芯板機(jī)加工參數(shù)對比見表3。

表3 CPR1000與“華龍一號”堆芯板機(jī)加工參數(shù)對比

在空調(diào)車間進(jìn)行精密加工，控制環(huán)境溫度變化在2 K以內(nèi)。使用同一機(jī)床機(jī)加工上、下堆芯板上所有孔系，在機(jī)加工前校正機(jī)床精度，尤其是機(jī)床立柱的垂直度。機(jī)加工時(shí)，使用同一基準(zhǔn)孔為基準(zhǔn)來定位X軸、Y軸。使用大量工裝夾具，如搭壓塊、脹緊套、三角架等，裝夾布置合理，數(shù)量充足，夾緊充分且不產(chǎn)生裝夾痕跡。在精鏜、精鉸工序中，使用合適的鏜、鉸刀具，并觀察工具的磨損情況。加工過程中可采取實(shí)時(shí)刀補(bǔ)方法[9]，或及時(shí)更換工具。使用充足的專用冷卻液充分冷卻加工過程中的工件，達(dá)到上、下堆芯板的平面度和位置度要求[10-11]。

5 其它注意事項(xiàng)

堆芯板工件在搬運(yùn)、加工和檢查過程中，必須注意保護(hù)已加工表面，慎防工件表面碰傷、劃傷、壓傷和存放變形。

所有機(jī)加工完成后，工件在自由狀態(tài)下進(jìn)行最終檢查，包括目視檢查、尺寸檢查、待焊位置液體滲透檢查。尺寸檢查時(shí)，利用量規(guī)測量開口銷間距，利用螺紋通規(guī)、止規(guī)檢查螺紋，利用粗糙度儀檢查表面粗糙度，利用激光跟蹤儀或大理石直尺檢查堆芯板平面度和部分孔系的位置度，如圖6所示。

圖6 平面度和位置度檢查

6 結(jié)論

工件翻轉(zhuǎn)交替加工和靜置時(shí)效可有效消除粗加工中產(chǎn)生的應(yīng)力，為減小后續(xù)精加工變形創(chuàng)造了條件。

采用專用刀具和合理的切削用量，能有效解決碰刀、崩刃現(xiàn)象，在滿足堆芯板平面度要求的前提下，減少機(jī)加工成本，提高制造效率。

校正機(jī)床立柱，數(shù)控機(jī)床采用統(tǒng)一基準(zhǔn)，對機(jī)加過程進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，并采取專用鉸刀精鉸孔系，使堆芯板孔系位置度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

“華龍一號”核反應(yīng)堆堆芯板的制造采用了如上所述優(yōu)化工藝，實(shí)施了過程控制和檢驗(yàn)，使堆芯板質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。