GPS1500-35核主泵導(dǎo)葉體數(shù)控加工工藝研究

張艷梅

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)沈陽透平股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869）

反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵（簡稱“核主泵”）是核島一回路系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，長期工作于高溫、高壓、強(qiáng)輻射環(huán)境中，其性能和可靠性直接影響核電站的安全正常工作[1-2]。核主泵的過流部件主要由泵殼、葉輪和導(dǎo)葉三部分組成。泵殼設(shè)計成環(huán)形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；葉輪采用混流式葉輪；導(dǎo)葉主要用來消除從葉輪流出液體的速度環(huán)量，并將這部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能，從而減小泵殼內(nèi)的流動損失[3-4]。同時，導(dǎo)葉在提高核主泵水力性能方面也發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過相關(guān)研究表明，導(dǎo)葉體的振動對核主泵的工作性能影響較大，為了減震降噪，滿足用戶要求，提出一種核主泵導(dǎo)葉體加工新型工藝，以提升主泵的工作性能[5]。

1 核主泵導(dǎo)葉體加工工藝

核主泵導(dǎo)葉體加工工藝的研究主要分為如下幾個步驟進(jìn)行，首先制定前后蓋板及組焊的工藝路線，然后使用CAMAND通用編程軟件，對模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換、整理，進(jìn)一步確定加工方案，明確裝卡方式，選用加工用刀具，編制及后處理加工程序，最后利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，驗證數(shù)控加工的可行性，并對主泵的工作性能進(jìn)行檢驗。

1.1 加工工藝路線的制定

根據(jù)導(dǎo)葉體結(jié)構(gòu)特點，將其分成前、后蓋板兩部分分別加工，可以訂制如下工藝路線。

1.1.1 前蓋板

鍛造→車→檢查→鋸切→車→檢查→去應(yīng)力→檢查→銑→鉗→檢查→鉗→鉚（組焊）。

1.1.2 后蓋板

鍛造→車→車→五座標(biāo)粗銑工件各部→檢查→去應(yīng)力→檢查→五座標(biāo)精銑葉片各部→檢查→打光→鉗→車→檢查→鉗→檢查→鉚（組焊）。

1.1.3 導(dǎo)葉體（組焊后）

劃線→車粗→半精車→銑→打磨→焊→去應(yīng)力→檢查→劃線→鉆孔→精車→鉗→檢查→鉗→檢查→裝。

1.2 零件三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

利用三維造型軟件，按照零件型面坐標(biāo)點及各部尺寸可以造出如圖1、圖2所示三維模型。

圖1 前蓋板三維模型

圖2 后蓋板三維模型

根據(jù)三維模型可以分析出，后蓋板上葉片形狀扭曲比較大，三個葉片薄厚不均、形狀各異，流道較深、較長，葉片根部存在加工不到的地方。前蓋板形狀比較簡單，但其上凹槽加工將要產(chǎn)生過切現(xiàn)象，并且加工后兩件相配難度較大。由于該導(dǎo)葉體前、后蓋板結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需在五軸聯(lián)動設(shè)備上加工，并且需要用通用的CAM編程軟件編制加工程序[6]。我們使用的是CAMAND通用編程軟件，需要對模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換、整理，制定加工方案，確定裝卡方式，選用加工用刀具，編制及后處理加工程序，數(shù)控加工界面如圖3所示。

圖3 數(shù)控加工界面

1.3 主泵導(dǎo)體葉的加工過程

按照現(xiàn)有五坐標(biāo)STORM1100機(jī)床結(jié)構(gòu)，將工件按卡、壓方式裝卡好，如圖4示，此方式裝夾使工件牢固，加工時不易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

圖4 導(dǎo)葉體后蓋板裝卡圖

導(dǎo)葉體材料為1Cr18Ni9Ti，特點是硬度低、黏性大容易黏刀，適合用硬質(zhì)合金刀具以較高轉(zhuǎn)速、較大進(jìn)給量進(jìn)行加工。

目前國際上高效去除銑削加工余量的較先進(jìn)的方法有兩種，一是采用小切深、高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給的方法—高速銑，另一種是采用刀具走刀方向與刀軸方向相同的方法—插銑[7-8]。由于導(dǎo)葉體后蓋板流道較深、較窄，刀具懸臂很長（長徑比大于6倍），不宜選用高速銑[9]，故我們選用了插銑加工方式，如圖5所示。大量去除毛坯余量粗加工時采用Φ40 mm插銑刀加工，提高了加工效率，節(jié)省了刀具費用，減小了設(shè)備的磨損。在加工葉片外側(cè)扭曲部位時，采用了Φ25 mm插銑刀加工，去除較大余量。插銑加工不能產(chǎn)生頂?shù)冬F(xiàn)象，否則容易損壞刀具，以至于無法進(jìn)行正常加工。如何解決加工中頂?shù)秵栴}，我們認(rèn)為在不產(chǎn)生過切等干涉情況下，應(yīng)該使后續(xù)的每一次走刀加工深度，不要大于其前一次走刀所加工的深度。由于該工件三個葉片形狀各異，加工葉片曲面時，我們選用了不同尺寸的硬質(zhì)合金球頭銑刀、高速鋼球頭銑刀進(jìn)行各型面半精加工、精加工，保證了加工精度。

圖5 流道插銑粗加工

根據(jù)實際加工情況可以得出如下切削參數(shù)，見表1。

表1 切削參數(shù)

根據(jù)工件的葉片結(jié)構(gòu)，在做程序時將所要加工的部位分成了若干部分，按照既滿足加工質(zhì)量要求，又要保證所用刀具加工剛性的原則，決定不同的位置采用不同的刀具，合理地確定刀具加工路徑，提高生產(chǎn)效率。例如葉片表面加工可以采用如圖6、下頁圖7所示走刀方式。

圖6 葉片內(nèi)測模擬加工

經(jīng)過大量地、細(xì)致地對加工刀具軌跡進(jìn)行修正，然后生成加工程序，并且在模擬軟件VERICUT上進(jìn)行加工軌跡仿真模擬，如果存在問題再用CAMAND編程軟件進(jìn)行修正，直至準(zhǔn)確無誤。

為了使所編制的加工程序能夠適應(yīng)相應(yīng)的數(shù)控設(shè)備，這就需要編制相應(yīng)的后置處理程序，對其進(jìn)行后處理，最后生成數(shù)控設(shè)備所需要的加工程序（G代碼程序）。

圖7 葉片外測模擬加工

前、后蓋板加工完畢后，需進(jìn)行鉗工打磨、組焊、熱處理、車加工外形等工序。由于銑削加工的葉片與前蓋板上的槽很難配合完好，故需要進(jìn)行鉗工修磨，前蓋板加工后如圖8所示。

圖8 前蓋板加工后圖

2 結(jié)論

本次實驗核主泵導(dǎo)葉體前、后蓋板加工，由于零件形狀特殊，為避免干涉，犧牲了一些加工所用的刀具剛性，某種程度上影響了工件的加工效率，即使這樣還有一些像葉片頭部扭曲的背面部位，無法通過數(shù)控設(shè)備加工實現(xiàn)，需要鉗工手工打磨來完成。

根據(jù)實驗結(jié)果可驗證該核主泵導(dǎo)葉體采用鍛焊結(jié)構(gòu)形式，前、后蓋板分別在數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行加工是可行的，但是如果我公司要批量加工該導(dǎo)葉體，在可能的情況下，對后蓋板進(jìn)行先鑄造成型，留一定的加工余量后，再進(jìn)行數(shù)控五軸加工，這樣在保證加工質(zhì)量的前提下，可以很大程度地提高生產(chǎn)效率。