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帶封頭的機(jī)械貫穿件深孔加工方案選擇

2018-4-24 來源：山東核電設(shè)備制造有限公司作者：胡永清劉晶王元兵

摘要：機(jī)械貫穿件屬于壓水堆核電站中鋼制安全殼的一部分，AP1000壓水堆核電站中機(jī)械貫穿件的結(jié)構(gòu)與CPR完全不同。由帶工藝管段的封頭(簡稱“封頭”)和保護(hù)套管組成，封頭是整體鍛件結(jié)構(gòu)，中間為通孔，保護(hù)套管為卷制管或無縫鋼管。封頭的內(nèi)孔為深孔，形位公差、粗糙度要求較高，整體加工難度較大。深孔加工時刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度大，導(dǎo)致剛性差，強(qiáng)度低，切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度，從而影響深孔的直線度和表面粗糙度。因此，加工方法、運(yùn)動方式、刀具形式、冷卻方式、加工設(shè)備等都對加工質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。該文通過分析深孔加工的工藝特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)械貫穿件封頭的內(nèi)孔結(jié)構(gòu)形式，確定了封頭內(nèi)孔加工的方案，并進(jìn)行了設(shè)備選型。

關(guān)鍵詞：AP1000壓水堆機(jī)械貫穿件深孔加工設(shè)備選型

壓水堆核電站機(jī)械貫穿件是保證一條或幾條管路穿過反應(yīng)堆鋼制安全殼時，將安全殼內(nèi)部與外部流體管道連接在一起的關(guān)鍵性部件，它屬于反應(yīng)堆鋼制安全殼的一部分。AP1000機(jī)械貫穿件與CPR機(jī) 械貫穿件相比，結(jié) 構(gòu)發(fā) 生了變化。由帶有工藝管段的封頭(簡稱“封頭”)和保護(hù)套管組成，封頭為整體鍛件結(jié)構(gòu)，保護(hù)套管為卷制管或無縫鋼管。隨管道直徑的變化，機(jī)械貫穿件封頭具有多種規(guī)格，直徑最大為φ965 m m，最小為φ60 m m，長度最長5 012 mm，最短914 mm，最大重量達(dá)9 711 kg，最小重量為41.7 kg。封頭中間為通孔且為深孔，形位公差、粗糙度要求較高，加工

難度大。因此，機(jī)械貫穿件的加工特點(diǎn)主要是封頭的加工成型，特別是深孔的加工。該文針對A P10 00機(jī)械貫穿件封頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、深孔的加工難點(diǎn)，通過分析加工方法、刀具運(yùn)動形式、冷卻方法對深孔加工質(zhì)量的影響，明確機(jī)械貫穿件加工方案，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)備選型。

1、AP1000機(jī)械貫穿件介紹

1.1 功能介紹

機(jī)械貫穿件的設(shè)備功能如下。

(1)作為工藝管道穿過鋼制安全殼和屏蔽廠房的一種設(shè)備，既為工藝管道的固定點(diǎn)，又必須保證鋼制安全殼的密封性。

(2)施加于安全殼的機(jī)械載荷和溫度不得超過允許值(正常工況下，保證鋼制安全殼溫度不超過93.3 ℃)，封頭能導(dǎo)出工藝管道一部分熱量，使安全殼的局部熱應(yīng)力減小。

(3)應(yīng)能承受工藝管道施加的載荷及安全殼大氣壓力載荷。

(4)應(yīng)能承受工藝管道與安全殼/屏蔽廠房間及安全殼與屏蔽廠房的相對位移。

(5)同時貫穿鋼制安全殼和屏蔽廠房的高溫管道，安裝有保護(hù)套管，防止環(huán)廊超壓。

(6)在工藝管道和鋼制安全殼套管(及保護(hù)套管，若有)之間具有一定空間，能滿足保溫材料的安裝要求。

(7)貫穿件的封頭與所帶工藝管段為一體化鍛件，減少了在役檢查的工作量。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一個AP10 00機(jī) 組有14件機(jī)械貫穿件，機(jī)械貫穿件主要由封頭、保護(hù)套管組成，保護(hù) 套管焊接在封頭上，如圖1所示。封頭均為鍛件，保護(hù)套管有卷制管和無縫鋼管兩種結(jié)構(gòu)形式。封頭的結(jié)構(gòu)見圖2，為帶有工藝管段的整體鍛件結(jié)構(gòu)，工藝管段部分屬于空心薄壁件，粗糙度要求Ra6.3，直線度、平行度、垂直度都有嚴(yán)格的要求。封頭兩端有焊接坡口，封頭段的端部也有焊接坡口，且封頭段環(huán)面帶有1∶3的錐度。

圖1 AP1000機(jī)械貫穿件

圖2 封頭結(jié)構(gòu)

2 、機(jī)械貫穿件加工難點(diǎn)

機(jī)械貫穿件的加工特點(diǎn)主要是封頭(整體鍛件)的加工成型，特別是封頭深孔的加工。

2.1 封頭的加工特點(diǎn)

分析封頭的結(jié)構(gòu)形式及精度要求，封頭的內(nèi)外圓、端面、封頭段的環(huán)面均需要機(jī)加工。其中，封頭外圓加工屬于一般筒體類零件的外圓，加工難度較小，環(huán)面的加工主要靠刀具，加工難度也不大。而內(nèi)孔的深度較大(內(nèi)孔尺寸參數(shù)見表1)，且長徑比絕大部分都超過10，屬于深孔，加工難度較大，因此，封頭的加工難點(diǎn)主要在于內(nèi)孔即深孔的加工。

表1 機(jī)械貫穿件封頭內(nèi)孔尺寸表(mm)

2.2 深孔加工特點(diǎn)

目前，孔的加工一般分鉆削和鏜削兩種方法，對于一般直徑比較大、孔深比較淺的孔來說比較適合采用鏜削加工，而對于直徑較小、孔深較深的孔來說比較適合采用鉆削加工。

深孔加工在機(jī)械加工領(lǐng)域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40 %。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新型高強(qiáng)度、高硬度和高價值、難加工的深孔零件不斷出現(xiàn)，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不斷提高，使得深孔加工成為機(jī)械加工的關(guān)鍵工序和加工難點(diǎn)。傳統(tǒng)的加工方法越來越難以滿足甚至根本達(dá)不到現(xiàn)在的深孔加工在精度、效率、材料上的要求。因此，現(xiàn)代深孔加工的工藝、刀具的結(jié)構(gòu)、排屑方式等已成為必須要面對的問題。

深孔加工是一種加工長徑比（即孔深L與孔徑d之比）大于5～10的加工，鉆削加工過程是半封閉的，鉆頭工作部分大多處在已加工表面的包圍中，冷卻條件差，因此深孔加工難度高，是機(jī)械加工中的關(guān)鍵性工序。

深孔加工特點(diǎn)如下：(1)刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度大，導(dǎo)致剛性差，強(qiáng)度低，切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度，而影響深孔的直線度和表面粗糙度；(2)在鉆孔時，冷卻潤滑液在沒有采用特殊裝置的情況下，難于輸入到切削區(qū)，使刀具耐用度降低，而且排屑困難；(3)在深孔的加工過程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經(jīng)驗(yàn)聽切削時的聲音、看切屑、手摸振動與工件溫度、觀儀表(油壓表和電表)，來判斷切削過程是否正常；(4)切屑排除困難，必須采用可靠的手段進(jìn)行斷屑及控制切屑的長短與形狀，以利于順利排除，防止切屑堵塞；(5)為了保證深孔在加工過程中順利進(jìn)行和達(dá)到所要求的加工質(zhì)量，應(yīng)增加刀具內(nèi)(或外)排屑裝置、刀具引導(dǎo)和支承裝置和高壓冷卻潤滑裝置。

3、機(jī)械貫穿件深孔加工方案選擇

3.1 深孔加工分類

深孔加工過程復(fù)雜，形式比較多。一般有下面幾種分類方法。

(1)按其所用刀具分類：可分為實(shí)心鉆孔法（毛坯無孔，用切削加工出孔的方法）、鏜孔法（已有孔，為提高孔的粗糙度及精度采用的方法）、套料鉆孔法（用空心鉆頭，也稱弧形鉆，加工后毛坯中心有一個芯棒殘存的方法）。

(2) 按運(yùn)動形式分類：可分為工件旋轉(zhuǎn)，刀具做進(jìn)給運(yùn)動；工件不動，刀具旋轉(zhuǎn)又做進(jìn)給運(yùn)動；工件旋轉(zhuǎn)，刀具既做反向旋轉(zhuǎn)又做進(jìn)給運(yùn)動；工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動，刀具不動，這種形式采用不多。

(3)按排屑方法分類：可分為外排屑（切屑從鉆桿外部排出，冷卻液從鉆桿內(nèi)部進(jìn)入、內(nèi)排屑（切屑從鉆桿內(nèi)部排出，冷卻液從鉆桿外部進(jìn)入）。

3.2 機(jī)械貫穿件深孔加工方案確定

從封頭的內(nèi)孔尺寸可見，大部分屬于深孔加工，存在上述的深孔加工特點(diǎn)，因此，刀具、排屑方式、冷卻方式及運(yùn)動方式均對封頭內(nèi)孔的加工精度有很大的影響。

(1)從運(yùn)動形式進(jìn)行分析，運(yùn)動形式主要影響產(chǎn)品的直線度。其中，工件不動，刀具旋轉(zhuǎn)又做進(jìn)給運(yùn)動這種方式，加工過程中工件產(chǎn)生的振動最大，孔的直線度最差。工件旋轉(zhuǎn)，刀具僅做進(jìn)給運(yùn)動，加工過程中，因?yàn)楣ぜD(zhuǎn)，會抵消一部分切削力，振動相對小些，孔的直線度偏中。工件旋轉(zhuǎn)，刀具也做反向旋轉(zhuǎn)又做進(jìn)給運(yùn)動，這種情況下，工件與刀具同時旋轉(zhuǎn)，會大大削弱切削力，抖動現(xiàn) 象減少，孔的直線度最好。因此，確定機(jī)械貫穿件的深孔鉆鏜加工方式為工件旋轉(zhuǎn)，鏜桿旋轉(zhuǎn)并做進(jìn)給運(yùn)動。

(2)從排屑方法進(jìn)行分析。外排屑方式，即切屑從鉆桿的V型槽中排出，冷卻液從鉆桿中間直接進(jìn)入切削區(qū)。因切屑從鉆桿V型槽排出，勢必會將鐵屑粘在工件內(nèi)壁上，容易產(chǎn)生切屑堵塞，無法順利排出，易造成局部過熱、刀具折斷或者孔內(nèi)壁缺陷等現(xiàn)象。而內(nèi)排屑方式，即切屑經(jīng)過鉆桿內(nèi)的排屑通道排除，潤滑冷卻液通過授油器進(jìn)入，潤滑冷卻鉆削區(qū)和刀具，并利用自身產(chǎn)生的壓力，迫使切屑進(jìn)入排屑通道，將切屑排出。因切屑從鉆桿內(nèi)部通道排出，不易造成切屑在孔內(nèi)壁上的粘黏。同時，冷卻液從外部對鉆削區(qū)及刀具進(jìn)行冷卻，不易造成刀具局部過熱而發(fā)生折斷現(xiàn)象。因此，確定機(jī)械貫穿件深孔鉆削時的排屑方式為內(nèi)排屑。

(3)對加工過程中使用的刀具形式進(jìn)行分析，根據(jù)不同的工件采用不同的加工工藝，這樣才能保證加工的高效、高精度順利進(jìn)行。P 2 3/2 4/2 5/2 6 四件封頭的直徑尺寸較大，采購鍛件為空心結(jié)構(gòu),因此，確定加工方式為鏜孔法，刀具有鏜頭、精鏜頭、鏜桿。其余封頭，采購鍛件為實(shí)心結(jié) 構(gòu)。P 0 5/0 7 的孔徑尺寸很小，確定加工方式為實(shí) 心鉆孔法，刀具有鉆頭、鏜頭、精鏜頭、鉆桿、鏜桿。其他封頭(P09/20/21/22/27/28/44/45)的孔徑尺寸較大，為節(jié)省成本、減少材料浪費(fèi)，加工深孔時采用套料鉆孔法，刀具有套料鉆頭、套料鉆桿、鏜頭、精鏜頭、鏜桿。

通過上述分析，最終確定，加工機(jī)械貫穿件深孔時，采取刀具和工件同時旋轉(zhuǎn)的進(jìn)給方式，內(nèi)排屑外冷卻的排屑方法，并根據(jù)工件實(shí)際尺寸，定制刀具。能夠保證加工質(zhì)量，同時可以有效保護(hù)刀具，延長刀具壽命。這些因素的確定是保證加工精度的前提，如果這些因素選擇不恰當(dāng)，即使操作工人水平很高，設(shè)備、刀具性能良好，都不能保證深孔的精度。

4 、機(jī)械貫穿件深孔加工設(shè)備選型

綜上分析，機(jī)械貫穿件的深孔采取先鉆后鏜的加工工藝，根據(jù)機(jī)械貫穿件封頭的結(jié)構(gòu)尺寸，分別確定了運(yùn) 動方式、刀具形式、冷卻方式。封頭加工時，為確保內(nèi)孔精度，加工流程為車外圓— 鏜內(nèi)孔— 車外圓。外圓的加工需要在車床上完成，深孔的加工需要在深孔加工設(shè)備上完成。對于機(jī)械貫穿件P05/07/09/20/21/22/27/28/44/45的封頭，公司現(xiàn)有車床可以完成其外圓的車削，但需增加深孔鉆鏜床來加工深孔。而 P23/24/25/26的封頭外徑大于1米，公司現(xiàn)有車床不能滿足外圓的加工，且上述一臺深孔鉆鏜床的加工范圍也不能覆蓋其內(nèi)孔尺寸，因此需要另外增加車床和鉆鏜床。若分別購買，費(fèi)用肯定很高，且工藝實(shí)施費(fèi)時費(fèi)力?？紤]到鉆鏜床和車床運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的相似性，建議將車、鏜設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，即設(shè)計一臺深孔車鏜床，在一臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn) 車削和鉆鏜的功能。最終確定機(jī)械貫穿件深孔加工設(shè)備為一臺深孔鉆鏜床和一臺深孔車鏜床。目前，廠家正在按照我們確定的運(yùn)動方式、刀具形式、冷卻方式等制造深孔鉆鏜床和深孔車鏜床。

5 、結(jié)語

加工工藝不僅直接影響加工精度，而且影響到加工設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，因此，必須在購買加工設(shè)備之前就明確其加工方案。該文針對機(jī)械貫穿件的功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合封頭的深孔加工特點(diǎn)，對影響加工精度的因素進(jìn)行了充分分析。確定了加工深孔的刀具形式、排屑方式及運(yùn)動形式，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)備選型。與機(jī)床制造廠家達(dá)成一致，機(jī)械貫穿件深孔加工設(shè)備正在根據(jù)此工藝進(jìn)行設(shè)計制造，專用刀輔具也按照上述確定的刀具形式進(jìn)行配備。機(jī)械貫穿件深孔加工特點(diǎn)的分析、加工方案的選擇、設(shè)備的合理選型，是產(chǎn)品后續(xù)生產(chǎn)非常重要的前提條件，只有明確了上述內(nèi)容，才能保證產(chǎn)品的順利制造。

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