核電管板深孔加工過程參數(shù)智能采集與分析

于均剛

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司，河北秦皇島 066206)

0 引言

核電設(shè)備中蒸汽發(fā)生器管板的群孔深孔加工是制造中的關(guān)鍵技術(shù)，管板深孔加工精度直接關(guān)系到設(shè)備運行的安全[1]。利用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的信息化手段進行過程監(jiān)控、事后分析和質(zhì)量風(fēng)險預(yù)防，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。

從多年的深孔加工研究成果和產(chǎn)品管板加工實踐來看，均存在個別管孔的加工質(zhì)量缺陷[2-4]。使用機床數(shù)據(jù)采集模塊對過程參數(shù)進行實時監(jiān)控和采集，收集加工過程設(shè)備電流、推力的異常變化，對核電管板深孔加工過程參數(shù)趨勢分析，挖掘材料性能、質(zhì)量缺陷對過程參數(shù)的影響規(guī)律，探索深孔加工質(zhì)量風(fēng)險預(yù)防，對推動核電設(shè)備制造技術(shù)進步具有重要意義。

1 管板結(jié)構(gòu)特點及加工原理

核電管板深孔一般采用配備專業(yè)化BTA內(nèi)排屑深孔加工系統(tǒng)的三軸數(shù)控深孔鉆床加工[6]，其BTA鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

BTA深孔加工是一個全密封的加工過程，加工原理如圖2所示。加工時，無法直接觀察鉆頭切削情況，只能通過看油壓、看參數(shù)、聽聲音、觀切屑等方法來判斷BTA刀具鉆削情況[7]。

圖1 錯齒BTA鉆頭結(jié)構(gòu)示意

圖2 BTA加工系統(tǒng)工作原理

2 主要研究內(nèi)容

(1)改進現(xiàn)有深孔鉆床的數(shù)據(jù)顯示，增加數(shù)據(jù)采集模塊，對深孔加工過程中的電流和推力數(shù)據(jù)進行采集、記錄；

(2)對電流和推力進行趨勢分析，找出加工過程變化規(guī)律；

(3)分析深孔加工過程電流和推力信息，對比不同供方BTA鉆頭過程參數(shù)的差異。研究切削進給與推力狀態(tài)的關(guān)系，獲得適合于管板深孔加工的最優(yōu)參數(shù)；

(4)通過深孔加工過程電流和推力的異常情況，分析不合格管孔產(chǎn)生的原因，提高管孔質(zhì)量風(fēng)險預(yù)防。

3 試驗方案設(shè)計

在深孔加工前，根據(jù)產(chǎn)品材料、孔加工要求和精度確定BTA鉆頭規(guī)格和型號，并對加工參數(shù)進行試驗和驗證；完成模擬件的試鉆孔，合格和穩(wěn)定后進行產(chǎn)品管板的加工。

制定完善的深孔加工試驗方案，盡可能解決產(chǎn)品加工過程潛在問題，試驗方案主要包括：刀具的選型、制作模擬件、加工參數(shù)確定、加工參數(shù)收集、加工參數(shù)分析、給出試驗結(jié)論[8]。

試驗?zāi)M件選用與產(chǎn)品性能相近的SA-508 Gr.3 Cl.2+鎳基堆焊試塊，其結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。刀具選用產(chǎn)品加工質(zhì)量較優(yōu)的品牌A、品牌B，各9支。

圖3 模擬件結(jié)構(gòu)尺寸示意

對三軸數(shù)控深孔鉆床參數(shù)顯示面板進行優(yōu)化改進，增加切削電流、推力的顯示，便于鉆孔過程參數(shù)的記錄、跟蹤，如圖4，5所示。

圖4 鉆床面板電流參數(shù)顯示

圖5 鉆床面板推力參數(shù)顯示

在現(xiàn)有OA云平臺的基礎(chǔ)上，利用5G通信及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對設(shè)備進行升級，為加工系統(tǒng)配備了數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備管理模塊、程序管理模塊、電子看板模塊，實現(xiàn)加工過程參數(shù)通過看板進行實時監(jiān)控，通過客戶端可進行數(shù)據(jù)采集和深度分析[9]，數(shù)據(jù)采集模塊的工作流程見圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊工作流程

4 試驗結(jié)果和分析

采用2個品牌、共計18支鉆頭在模擬件上進行極限鉆孔試驗，記錄每支鉆頭最大鉆孔數(shù)量、終止原因、鉆頭磨損程度、合格孔數(shù)；記錄每支鉆頭鉆孔過程中電流和推力數(shù)據(jù)，同時記錄異常狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化情況，比如壽命極限、崩刃、螺旋孔、設(shè)備報警等[10]。

選取品牌A、品牌B沒有異常狀態(tài)的管孔數(shù)據(jù)進行參數(shù)趨勢對比，通過過程參數(shù)的分析，優(yōu)化產(chǎn)品加工參數(shù)。

4.1 電流變化趨勢及對比

采集的電流為該鉆頭切削的平均電流，是不同深度記錄值的算術(shù)平均值。品牌A-8#鉆頭、品牌B-6#鉆頭平均電流隨鉆孔數(shù)量的變化趨勢及對比結(jié)果，如圖7所示。

從圖7可以看出,B-6#鉆頭首孔初始平均電流比A-8#鉆頭小約10%。A-8#鉆頭平均電流在預(yù)期壽期鉆孔過程變化較為均勻，基本呈現(xiàn)線性增加，相對變化率小，電流穩(wěn)定，但初期電流相對較高。

由此對比得出，品牌A相對品牌B，在規(guī)格?17.73 mm 的管孔加工過程，電流保持相對穩(wěn)定，隨著刀具的磨損，其電流呈線性增加；品牌B初期電流相對較小，也處于線性增加狀態(tài)，但相對品牌A變化率偏高，刀具耐磨性稍差。

4.2 推力變化趨勢及對比

采集的推力為該鉆頭切削的平均推力，是不同深度記錄值的算術(shù)平均值。選取上述電流，分析對應(yīng)的管孔，進行相應(yīng)推力變化趨勢對比，如圖8所示。

圖8 推力隨孔數(shù)的變化對比曲線

從圖8可以看出：(1)品牌A鉆頭的平均推力在鉆孔壽期內(nèi)均勻增加，變化率較平穩(wěn)；但前9個孔平均推力相對較高，后續(xù)數(shù)值穩(wěn)定；(2)品牌B鉆頭在前9個孔數(shù)值稍波動，隨后變化率相對穩(wěn)定，變化率和數(shù)值稍高于品牌A鉆頭，但增加相對穩(wěn)定；(3)品牌A鉆頭推力數(shù)值稍大于品牌B鉆頭。

4.3 推力與進給量的影響分析

在品牌A鉆頭的批量試驗中，選取同軸不同鉆頭的平均推力與不同進給量進行對比。根據(jù)試驗記錄看，在進給量為0.09～0.11 mm/r之間時，軸推力變化相對平穩(wěn)[11]。

為了驗證這一情況，采用相同轉(zhuǎn)速、不同進給量進行進一步驗證。選取Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ軸各3支鉆頭的軸推力電流進行對比，如圖9,10所示；考慮鉆孔過程中的偏差，選取每個鉆頭相對穩(wěn)定的第10～19孔的記錄數(shù)據(jù)。

圖9 推力隨進給量的變化曲線

圖10 電流隨進給量的變化曲線

從圖中可以看出，切削進給與軸推力基本呈線性關(guān)系，但在進給量0.095 mm/r附近的軸推力和電流均有所降低，表明設(shè)計鉆頭在該參數(shù)范圍內(nèi)最適宜進行切削。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，鉆頭在0.09～0.11 mm/r進給量條件切削時，軸推力和電流出現(xiàn)相對平穩(wěn)趨勢，考慮加工效率,建議在該區(qū)域內(nèi)選擇加工參數(shù)進行管孔加工[12]。

4.4 缺陷孔加工過程參數(shù)的變化規(guī)律

梳理品牌A、品牌B管孔加工過程記錄，對發(fā)生崩刃(Ⅰ型)、環(huán)槽(Ⅱ型)、螺旋孔(Ⅲ型)、鉆桿堵屑(Ⅳ型)等典型缺陷孔采集到的瞬時推力參數(shù)進行分析，可以看出異常狀態(tài)管孔相對正常管孔深孔加工過程推力參數(shù)的變化規(guī)律，如圖11所示。

典型缺陷孔推力參數(shù)變化主要規(guī)律如下。

(1)鉆頭崩刃使切削刃變鈍或破損，設(shè)備加工推力瞬間增大，再逐漸變小至設(shè)備停機。

(2)產(chǎn)生環(huán)形槽缺陷的瞬間，帶有積屑瘤的鉆頭切削直徑略微變大[13]，其設(shè)備推力有增大趨勢，切削刃的積屑瘤被切削液沖掉后，設(shè)備推力恢復(fù)正常。

(3)螺旋孔缺陷一般為連續(xù)、均勻、間隔的有規(guī)律螺旋狀寬槽缺陷，在鉆孔過程中，其設(shè)備推力參數(shù)有規(guī)律起伏波動。

(4)在鉆桿堵滿后，切削液不能循環(huán)流動，切削液壓力突然變大，設(shè)備報警停機，其管孔推力瞬間降低為0。

圖11 典型缺陷孔異常狀態(tài)推力變化曲線

5 過程參數(shù)采集、分析的創(chuàng)新點

通過分析采集到的過程信息，梳理出不同鉆頭供方、相同管孔規(guī)格、相同材質(zhì)加工過程電流和推力參數(shù)的變化趨勢和規(guī)律；梳理出切削進給與軸推力的線性趨勢，對設(shè)定最優(yōu)加工參數(shù)給出了參考依據(jù)；找出缺陷孔加工過程電流和推力參數(shù)的變化規(guī)律，為不合格管孔的分析和控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

從關(guān)注產(chǎn)品加工后的質(zhì)量到利用信息化手段關(guān)注深孔加工全過程，是機械加工智能制造的技術(shù)提升。通過參數(shù)信息的收集、分析，掌握了深孔加工過程電流和推力的變化規(guī)律，驗證加工參數(shù)的合理性；利用加工過程參數(shù)，掌握不同缺陷管孔參數(shù)異常情況的變化規(guī)律。該課題的研究為核電產(chǎn)品管板深孔加工質(zhì)量風(fēng)險預(yù)防提供管理和技術(shù)思路。