立式套料技術(shù)在厚板加工中的應(yīng)用

王永佳 張少威 劉俊

摘要：民用核電堆內(nèi)構(gòu)件中有多種大型板類零件需加工大直徑深孔，傳統(tǒng)工藝為鉆、擴(kuò)、鏜，效率較低，且芯部區(qū)域最終成為鐵屑，材料利用率不高。本文通過對套料技術(shù)的分析，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點制定立式套料方案，通過工藝試驗、方案實施、效果驗證，有效提升加工效率，且能保留芯部區(qū)域，進(jìn)行二次利用。

關(guān)鍵詞：深孔;不銹鋼;套料;工藝方案;經(jīng)濟(jì)性分析

堆內(nèi)構(gòu)件是反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部除燃料組件及其相關(guān)組件以外的所有其他構(gòu)件，是核電廠核島的核心主設(shè)備，包括上部堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒導(dǎo)向筒組件、堆內(nèi)測量格架組件、吊籃組件、二次支承組件等。其作用是可靠地支承、壓緊和準(zhǔn)確地定位燃料組件及其相關(guān)組件;為控制棒提升和下降提供導(dǎo)向，在事故工況下保證控制組件快速插入堆芯;提供冷卻劑流道，引導(dǎo)冷卻劑進(jìn)入堆芯，限制旁通流量和減少泄漏量;合理分配進(jìn)入堆芯的冷卻劑流量;降低反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)表面所遭受的快中子注量;為堆芯測量（包括溫度測量和中子注量率測量）部件提供支承和導(dǎo)向;支承和固定反應(yīng)堆壓力容器材料輻照監(jiān)督裝置等。

特殊的作用決定了堆內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有堆芯上板、上支承板、堆芯下板、堆芯支承板、格架板等各類板類零件，該類零件上均開有大尺寸通孔;同時，為了滿足特殊工況要求，堆內(nèi)構(gòu)件原材料為奧氏體不銹鋼，加工工藝性差，斷屑差、排屑困難。

1 ? 厚板大直徑深孔的形狀和工藝分析

以華龍一號堆內(nèi)構(gòu)件上支承板為例，餅形零件，外徑φ3612mm，厚度368mm，板上開有69-φ241通孔以及其他各類小孔。

零件原材料為奧氏體不銹鋼餅形鍛件，牌號Z2CN19-10（控氮）。根據(jù)工藝流程，原材料到廠后，粗加工階段孔系尺寸加工至69-φ225mm，后與其他零件進(jìn)行裝配、焊接、熱處理以及精加工等。

粗加工階段孔單邊留有8mm余量，故孔的尺寸精度不高，直徑要求φ225±1mm，粗糙度不做要求，提高孔的加工效率是關(guān)鍵點及難點。

2 ? 傳統(tǒng)工藝分析

對于φ225，深368大直徑深孔加工，傳統(tǒng)工藝為鉆-擴(kuò)-鏜加工。

1）φ80鉆頭鉆穿。選用普通麻花鉆，切削參數(shù)為S=150～200r/min，F(xiàn)=10～15mm/min，鉆頭長徑比較大，約4.6倍，加工到深處切削參數(shù)有所下降，在整個加工過程中需多次進(jìn)行抬刀手動排屑。

2）擴(kuò)孔至φ120。選用擴(kuò)孔鉆，切削參數(shù)為S=80～150r/min，F(xiàn)=10-12mm/min，同樣也存在剛性較差，多次抬刀排屑的問題。

3）鏜孔至Φ225。選用雙邊鏜刀，切深單邊1.5-3MM，S=120-180r/min，F(xiàn)=15-30mm/min。

通過鉆、擴(kuò)、鏜的加工方式，將孔芯部區(qū)域全部轉(zhuǎn)化為鐵屑，效率較低且材料利用率低，不能滿足產(chǎn)品的交付周期及成本控制需求，亟需尋找一種新的加工工藝技術(shù)。

3 ? 立式套料技術(shù)

3.1 ?套料技術(shù)簡介

套料是鉆的一種，套料鉆又叫環(huán)孔鉆，是一種高效孔加工刀具，鉆削同樣的孔但是鉆下的切屑較少，因而節(jié)能節(jié)料。以環(huán)形切削方式在實體材料上加工孔的鉆頭。套加工能留下料芯，可以節(jié)約材料，減少機(jī)床的動力消耗。

根據(jù)進(jìn)刀方向是水平還是豎直，套料又分臥式和立式兩種：臥式套料采用落地鏜床進(jìn)行加工，優(yōu)點是排屑為向后，相對通暢，但工件需要豎立裝夾，裝夾找正復(fù)雜，且主軸伸出過長會導(dǎo)致剛性不足;立式套料采用龍門鏜銑床進(jìn)行加工，工件平放裝夾，避免了裝夾難及刀具剛性不足的問題，排屑向上相對困難，但可通過高壓冷卻液及合理的刀具容屑槽等方式進(jìn)行改善。

3.2 ?加工機(jī)床

加工機(jī)床為定梁龍門鏜銑床，設(shè)備型號XK2750×100，制造廠家為濟(jì)南二機(jī)床有限公司。機(jī)床為數(shù)控型龍門移動鏜銑床，主軸立式布置，機(jī)床數(shù)控座標(biāo)為X、Y、Z軸，可實現(xiàn)任意三軸聯(lián)動。機(jī)床加工范圍廣，可以套料、銑孔、鉆孔、擴(kuò)孔、鏜孔、銑平面、銑溝槽、銑螺紋、剛性攻絲，利用插補及聯(lián)軸運動可以加工不規(guī)則輪廓。

為實現(xiàn)套料工藝的應(yīng)用，該鏜銑床為公司與濟(jì)南二機(jī)定制機(jī)床，相比一般鏜銑床功率、扭矩更大。主軸電機(jī)功率達(dá)到126kw，主軸最大扭矩10370N*m;切削液流量40L/min，壓力1.2MPa。

3.3 ?套料刀

套料刀為公司與國際知名刀具廠家山特維克聯(lián)合開發(fā)，以加工上部支承板中Φ225孔套料刀為例;

1）右端與立式數(shù)控定梁龍門鏜銑床機(jī)床XK2750中方滑枕連接，通過2個鍵槽周向定位，4個螺栓緊固在方滑枕上，裝卸方便。

2）刀體部分外徑Φ225mm、內(nèi)徑Φ189mm，刀具可套料深度為420mm。

3）兩片刀片分別通過內(nèi)外刀夾連接在刀體上，刀夾和刀片均為標(biāo)準(zhǔn)品，更換簡單。

4）刀體上設(shè)有兩條螺旋排屑槽，由較大的排屑空間。

5）中間部分為冷卻環(huán)，其接口與機(jī)床冷卻液管接口一致，加工過程中冷卻液經(jīng)由冷卻環(huán)流經(jīng)刀體，從底端噴出。

工件旋轉(zhuǎn)為主運動，刀體沿工件軸向進(jìn)給為進(jìn)給運動。兩個刀片對工件進(jìn)行切削，在切削過程中，高壓大流量的切削液由刀桿內(nèi)流入切削區(qū)，充分冷卻套料刀，并帶走大量的切削熱和切屑，切屑隨切削液由刀桿外部螺旋排屑槽排出。

3.3 ?套料試驗情況

由于首次進(jìn)行套料加工，先對與產(chǎn)品材料類似的工件進(jìn)行試切。試切件材料為奧氏體不銹鋼鍛件，工件厚度為412mm。刀具及加工機(jī)床如上介紹。

刀具安裝完畢后，冷卻液加壓，空運轉(zhuǎn)，鉆體周圍無大量冷卻液泄露，密封良好。機(jī)床外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷，冷卻壓力輸出端壓力表讀數(shù)為1.1Mpa。

將百分表裝在工作臺上，旋轉(zhuǎn)鉆體，測得鉆體遠(yuǎn)端徑向跳動0.22，近端徑向跳動0.2。在靜止?fàn)顟B(tài)測鉆體軸向跳動，近端至遠(yuǎn)端0.05。判斷鉆體中心與主軸中心不重合，但鉆體中心線與主軸中心線平行度較好。決定不調(diào)整鉆體，直接加工。

第一次試切孔深10mm，切削參數(shù)為S=100r/min，V=70m/min，F(xiàn)=4mm/min，f=0.04mm/r。切削排屑正常。再次切削，孔深切至100mm，切削過程排屑正常，但鐵屑斷屑不好，大量鐵屑纏在刀體上。檢查刀體，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)刀夾與刀體間有約0.5-0.8mm的間隙，并夾有小的鐵屑。

根據(jù)前面切削情況，為改善斷屑，決定提高線速度和進(jìn)給，切削參數(shù)改為S=140r/min，V=98m/min，F(xiàn)=7mm/min，f=0.05mm/r。試切孔深200mm。切削排屑正常，且斷屑較好。試切至200mm后退出刀體，檢查內(nèi)外刀片磨損較小，磨損形式為正常后刀面磨損。檢查刀體，在內(nèi)刀夾與刀體間仍夾有小的鐵屑。

用同樣參數(shù)加工至230深，切削聲音異常，切削功率突增至50%，停止切削退刀后發(fā)現(xiàn)內(nèi)刀片打刀，刀片崩碎。通過反復(fù)試驗切削參數(shù)、消除內(nèi)刀夾與刀體間的間隙及修磨刀體容屑槽等方式來改善套深后刀片崩碎的問題，都沒有取得較為理想的效果。

分析前面試切狀況，在210深度以上切削，排屑困難，容易損壞刀片。由于堆內(nèi)構(gòu)件中大型板材板厚最大約為410mm，于是將深孔加工改為兩面套孔的方式加工。首先正面進(jìn)行套料加工，深度210～220mm，加工后用木楔將正面已套孔深一半的孔四周塞滿固定，劃找正線，翻面重新裝夾找正后套穿，套穿后鉗工打掉木楔，取出料芯。

3.4 ?產(chǎn)品加工

根據(jù)試驗情況，產(chǎn)品孔加工工藝過程為：

1）劃針劃線，劃0°-180°，90°-270°十字中心線，并用振動筆標(biāo)記角度0°，180°，90°，270°，字高12mm。餅形鍛件為光板，為確定工件方位，便于翻面后找正XY方向，需在工件表面劃十字中心線，并引至外圓。

2）中心鉆點孔，確定69-φ229孔位置，劃69-φ229孔φ224/φ229圓周線。餅形鍛件原材料價值數(shù)百萬，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，最關(guān)鍵點為驗證數(shù)控程序點位坐標(biāo)是否準(zhǔn)確，一旦出錯，將直接導(dǎo)致工件報廢，故首先數(shù)控程序要經(jīng)過工藝人員編制審批，并對程序進(jìn)行試切，在工件69個孔位進(jìn)行打點，再由檢查員確認(rèn)。另外同心圓的作用為監(jiān)控加工位置是否正確，加工完成，同心圓內(nèi)圓應(yīng)被加工掉，外圓φ229應(yīng)該保留。

3）在孔位確認(rèn)無誤后，進(jìn)行φ225孔的套料。套料69個孔尺寸至φ225，套料深度200mm深，大于板厚的1/2。套料時，采用試驗已驗證好的套料刀、切削參數(shù)、抬刀次數(shù)等，加工過程中時刻關(guān)注排屑是否順暢。

4）在各孔中打入木楔（每孔打入4個木楔）。木楔成錐形，主要目的是當(dāng)從反面套穿時，對芯料起到固定作用，避免芯棒掉落瞬間損壞刀片、砸壞工作臺。

5）木楔固定完成后，翻轉(zhuǎn)工件，以十字中心線為基準(zhǔn)找正。并按照工步2）在反面重新打點、劃同心圓，對程序再次進(jìn)行驗證。

6）從反面將φ225孔套穿，具體按工步3）執(zhí)行。

7）打出芯棒，余料做好標(biāo)記。打出時，首先在芯棒中心焊接一個螺母，然后使用吊環(huán)螺釘與螺母連接，并讓行車帶力。由鉗工將木楔敲出后，行車將芯棒吊出。

工藝控制關(guān)鍵點為：

1）機(jī)床：需帶內(nèi)冷，壓力≥1.1Mpa。除冷卻作用外，可有效將鐵屑沖出;

2）刀具：山特維克套料鉆250489232R136478_D2，刀片WCMX06T308-58 235;

3）切削參數(shù)：V=100m/min，f=0.04～0.05mm/r;

4）抬刀排屑：視情況抬刀排屑，一般加工50mm深會進(jìn)行一次抬刀，手動排屑。

5）工藝過程：分正反面兩次套料鉆穿，正面套料深度200～220mm之間;

產(chǎn)品按上述工藝加工后，效率明顯提升。

4 ? 經(jīng)濟(jì)性分析

套料加工效率高，且提高了材料利用率，以上部支承板69-Φ225孔為例分析套料加工相對傳統(tǒng)加工所提高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 ?效率提升

傳統(tǒng)的加工過程如下：劃線，預(yù)鉆孔→鉆床加工至Φ80、擴(kuò)孔至Φ120→鏜床從Φ120加工至Φ225，加工一個孔的時間為29h，而工藝改為套料后，單孔加工時間約為2.5h。

4.2 ?材料利用率提升

改為套料后，芯部材料可以保留，用以加工支承柱法蘭、銷子等堆內(nèi)構(gòu)件其他材料。

芯部區(qū)域規(guī)格為φ189×368，共69件，合計重量5.2t，核電鍛件材料單價約為28.5萬/t，材料費用為148.2萬元。

綜上，上支承板孔加工改為套料后，可節(jié)約成本約155.7萬元。另外堆內(nèi)構(gòu)件中還有堆芯上板、堆芯下板、堆芯支承板等其他板類零件，合計每臺節(jié)約420萬元。公司堆內(nèi)構(gòu)件年產(chǎn)2臺，每年可節(jié)約成本820萬元。

5 ?結(jié)束語

華龍一號堆內(nèi)構(gòu)件中板材的大孔系列的粗加工均采用套料技術(shù)，套料技術(shù)的引用大幅提高生產(chǎn)效率及材料利用率，且各零件的尺寸精度及形位公差均滿足粗加工階段的工藝要求。隨著套料技術(shù)在華龍一號項目的大范圍使用，東方武核在套料加工方面將會累計更多的寶貴經(jīng)驗，為后續(xù)EPR1000、CAP1400或其他項目中類似孔系的加工提供了技術(shù)和經(jīng)驗支持。

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作者簡介：王永佳（1988.6），男，漢族，學(xué)士學(xué)位，工程師，東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，從事堆內(nèi)構(gòu)件制造工藝技術(shù)工作

張少威（1987.12），男，漢族，學(xué)士學(xué)位，工程師，東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，從事堆內(nèi)構(gòu)件制造工藝技術(shù)工作

劉?。?988.03）男，漢族，學(xué)士學(xué)位，高級工，東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，從事堆內(nèi)構(gòu)件制造工作。