帶封頭的機械貫穿件深孔加工方案選擇
2018-4-24 來源：山東核電設備制造有限公司 作者：胡永清 劉晶 王元兵
摘要：機械貫穿件屬于壓水堆核電站中鋼制安全殼的一部分，AP1000壓水堆核電站中機械貫穿件的結構與CPR完全不同。由帶工藝管段的封頭(簡稱“封頭”)和保護套管組成，封頭是整體鍛件結構，中間為通孔，保護套管為卷制管或無縫鋼管。封頭的內孔為深孔，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，導致剛性差，強度低，切削時易產生振動、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、運動方式、刀具形式、冷卻方式、加工設備等都對加工質量有至關重要的影響。該文通過分析深孔加工的工藝特點，結合機械貫穿件封頭的內孔結構形式，確定了封頭內孔加工的方案，并進行了設備選型。
關鍵詞：AP1000壓水堆 機械貫穿件 深孔 加工 設備選型
壓水堆核電站機械貫穿件是 保證一條或幾條管路穿過反應堆鋼制安 全殼時，將安全殼內部與外 部 流體管 道 連接在一起的關鍵性部件，它屬于反應堆鋼制安全殼的一部分。AP1000機械貫穿件與CPR機 械貫穿件 相比，結 構發 生了變化。由帶有工藝管段的封頭(簡稱“封頭”)和保護套管 組成，封頭為整體鍛件結構，保護套管為卷制管或無縫鋼管。隨管道直徑的變化，機械貫穿件封頭具有多種規格，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，機械貫穿件的加工特點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機械貫穿件封頭的結構特點、深孔的加工難點，通 過分析加工方法、刀具運動形式、冷卻方法對深孔加工質量的影響，明確機械貫穿件加工方案，并據此進行設備選型。
1、AP1000機械貫穿件介紹
1.1 功能介紹
機械貫穿件的設備功能如下。
(1)作為工藝管道穿過鋼制安全殼和屏蔽廠房的一種設備，既為工藝管道的固定點，又必須保證鋼制安全殼的密封性。
(2)施加于安全殼的機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 ℃)，封頭能導出工藝管道一部分熱量，使安全殼的局部熱應力減小。
(3)應能承受工藝管道施 加的載荷及安全殼大氣壓力載荷。
(4)應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，安裝有保護套管，防止環廊超壓。
(6)在工藝管道和鋼制安全殼套管(及保護套管，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 結構特點
一個AP10 00機 組有14件機械貫穿件，機械貫穿件主要由封頭、保護套 管 組 成，保護 套 管 焊 接 在 封頭上，如圖1所示。封頭均為鍛件，保護套管有卷制管和無縫鋼管兩種結構形式。封頭的結構見圖2，為帶有工藝管段的整體鍛件結構，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，且封頭段環面帶有1∶3的錐度。
圖1 AP1000機械貫穿件
圖2 封頭結構
2 、機械貫穿件加工難點
機械貫穿件的加工特點主要是封頭(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
分析封頭的結構形式及精度要求，封頭的內外圓、端面、封頭段的環面均需要機加工。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，環面的加工主要靠刀具，加工難度也不大。而內孔的深度較大(內孔尺寸參數見表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，封頭的加工難點主要在于內孔即深孔的加工。
表1 機械貫穿件封頭內孔尺寸表(mm)
2.2 深孔加工特點
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。
深孔加工在機械 加工領域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40 %。隨著科學技術的進步，新型高強度、高硬度和高價值、難加工的深孔零件不斷出現，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 深孔加工成為機械 加工的關鍵工序 和加工難點。傳統的加工方法越來越 難以滿足甚至根本達不到現在的深孔加工在精度、效率、材 料上的要求。因此，現代深孔加工的工藝、刀具的結構、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，是機械加工中的關鍵性工序。
深孔加工特點如下：(1)刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度大，導致剛性差，強度低，切削時易產生振動、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，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，只能憑工作經驗聽切削時的聲音、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行和達到所要求的加工質量，應增加刀具內(或 外)排屑裝置、刀具引導和支承裝置和高壓冷卻潤滑裝置。
3、 機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) 按運動形式分類：可分為工件旋 轉，刀具做進給運動；工件不動，刀具旋轉又做進給運動；工件旋轉，刀具既做反向旋轉又做進給運動；工件做旋轉運動與進給運動，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，冷卻液從鉆桿內部進入、內排屑（切屑從鉆桿內部排出，冷卻液從鉆桿外部進入）。
3.2 機械貫穿件深孔加工方案確定
從封頭的內孔尺寸可見，大部 分屬于深孔加工，存在上述的深孔加工特點，因此，刀具、排屑方式、冷卻方式及運動方式均對封頭內孔的加工精度有很大的影響。
(1)從 運動形式進行分析，運動形式主要影響產品的直線度。其中，工件不動，刀具旋轉又做進給運動這種方式，加工過程中工件產生的振動最大，孔的直線度最差。工件旋轉，刀具僅做進給運動，加工過程中，因為工件旋轉，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，刀具也做反向旋轉又做進給 運動，這種情況下，工件與刀具同時旋 轉，會 大大削弱切削力，抖動現 象減少，孔的直線度最好。因此，確定機械貫穿件的深孔鉆鏜 加工方式為工件旋轉，鏜桿旋轉并做進給運動。
(2)從排屑方法進行分析。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 進入切削區。因切屑從鉆桿V型槽排出，勢必會將 鐵屑粘在工件內壁 上，容易產生切屑堵塞，無法順利排出，易造成 局 部過熱、刀具折 斷或者孔內壁缺陷等現象。而內排屑方式，即切屑經過鉆桿內的排屑通道排除，潤滑冷卻液通過授油器進入，潤滑冷卻鉆削區和刀具，并利用自身產生的壓力，迫使切屑進入排屑通道，將切屑排出。因切屑從鉆桿內部通道排出，不易造成切屑在孔內壁上的粘黏。同時，冷卻液從外部對鉆削區及刀具進行冷卻，不易造成刀具局 部過熱而發生折斷 現象。因此，確定機械貫穿件深孔鉆削時的排屑方式為內排屑。
(3)對加工過程中使用的刀具形式進行分析，根據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，采購鍛件為空心結構,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 件為實心 結 構。P 0 5/0 7 的 孔 徑 尺寸 很 小，確 定 加 工方 式 為實 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，為節省成本、減少材 料浪費，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，加工機械貫穿件深孔時，采取刀具和工件同時旋轉的進給方式，內排屑外冷卻的排屑方法，并根據工件實際尺寸，定制刀具。能夠保證加工質量，同時可以有效保護刀具，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，即使操作工人水平很高，設備、刀具性能良好，都不能保證深孔的精度。
4 、機械貫穿件深孔加工設備選型
綜上分析，機械貫穿件的深孔采取先鉆后鏜的加工工藝，根據機械貫穿件封頭的結構尺寸，分別確定了運 動 方式、刀具形式、冷卻方式。封頭加工時，為確保內孔精度，加工流程為車外圓— 鏜內孔— 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備上完成。對于機械貫穿件P05/07/09/20/21/22/27/28/44/45的封頭，公司現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孔尺寸，因此需要另外增加車床 和鉆鏜 床。若分別購買，費用肯定很高，且工藝實施費時費力。考慮到鉆鏜床和車床運動機構上的相似性，建議將車、鏜 設計為一體結構，即設計一臺深孔車鏜床，在一臺設備上實現 車削和鉆鏜的功能。最終 確定機械貫穿件深孔加工設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 、結語
加工工藝不僅直接影響加工精度，而且影響到加工設備本身的結構，因此，必須在購買加工設備之前就明確其加工方案。該文針對 機械貫穿件的功能、結構特點，結合 封頭的深孔加工特點，對影響加工精度的因素進行了充分分析。確定了加工深孔的刀具形式、排屑方式及運動形式，并在此基礎上，進行設備 選型。與機床制造廠家達成一致，機械貫穿件深孔加工設備正在根據此工藝進行設計制造，專用刀輔具也按照上述確定的刀具形式進行配備。機械貫穿件深孔加工特點的分析、加工方案的選擇、設備的合 理選型，是產品后續生產非常重要的前 提條件，只有明確了上述內容，才能保證產品的順利制造。
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