核燃料元件導(dǎo)向管自動鉆孔裝置研制及鉆孔工藝研究初探

胡 煜 陳天野 代志兵

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

從20 世紀(jì)80 年代后期至今，我國核燃料領(lǐng)域?qū)τ趯?dǎo)向管流水孔鉆孔，在方法和手段上創(chuàng)新不夠，一直采用手工操作臺鉆加工導(dǎo)向管流水孔方法。過程中，鉆削速度只能選定有限幾種，并且在鉆削速度確定后，鉆削進(jìn)給速度只能采用人工控制方法，鉆孔自動化程度不高、效率較低；鉆孔后孔邊緣毛刺嚴(yán)重，后續(xù)人工去除毛刺工作量大。因此，為了滿足導(dǎo)向管流水孔鉆孔要求，研制一套導(dǎo)向管自動鉆孔裝置并開展導(dǎo)向管鉆孔工藝研究。通過試驗，確定導(dǎo)向管流水孔鉆削鉆頭、鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度等工藝參數(shù)，達(dá)到大幅減少鉆削毛刺、滿足流水孔直徑、流水孔位置尺寸和分布角度要求，實現(xiàn)導(dǎo)向管鉆孔自動化的目的。

1 導(dǎo)向管自動鉆孔裝置研制

1.1 總體設(shè)計思路

導(dǎo)向管自動鉆孔裝置由鉆孔主軸組件、Z 軸組件、X軸組件、V 型支架組件、夾持定位組件等部分組成，實現(xiàn)對導(dǎo)向管自動鉆孔時的支撐、夾持、旋轉(zhuǎn)、移位、壓緊，鉆孔參數(shù)可以調(diào)整。鉆孔主軸組件安裝在Z 軸組件上，實現(xiàn)鉆孔功能。鉆削深度最小：（0～5）mm。Z 軸組件實現(xiàn)鉆頭上、下進(jìn)給移動和鉆孔深度定位功能。采用伺服電機(jī)和精密絲杠組成傳動系統(tǒng)，由雙滑塊直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、光柵尺等組成運動軸[2]；其重復(fù)定位精度；行程：1780mm。夾持定位組件對導(dǎo)向管實施夾持和軸向定位，實現(xiàn)導(dǎo)向管軸向移動、角度旋轉(zhuǎn)等定位功能。V 型架和支撐架實現(xiàn)對導(dǎo)向管沿軸向的支撐和定位，在鉆孔時支撐并壓緊工件。

1.2 自動鉆孔裝置主要構(gòu)成

鉆孔主軸組件上的高速主軸電機(jī)通過固定板定位連接在雙滑塊直線導(dǎo)軌上形成Z 軸組件，向下移動實現(xiàn)鉆孔并限制鉆孔深度。其轉(zhuǎn)速500-12000RPM，額定功率2.2KW，最大轉(zhuǎn)速力可以達(dá)到1.2N.M。鉆頭使用氣動夾頭，可以安裝不同的鉆頭。在鉆孔過程中通過程序設(shè)定自動更換不同的鉆頭，鉆削出￠1mm～￠5mm 的孔。在鉆孔時壓緊塊將導(dǎo)向管壓緊在V 型支架中，可以防止鉆孔時導(dǎo)向管軸向竄動和徑向轉(zhuǎn)動，保證鉆孔同心度及鉆孔尺寸要求。其中，壓緊塊材料使用聚氨酯，防止損傷導(dǎo)向管表面。

X 軸組件由防護(hù)罩內(nèi)的兩個雙滑塊直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、光柵尺組成運動軸，實現(xiàn)導(dǎo)向管沿X 軸方向在不同位置處鉆孔，其光柵尺分辨率：1um[3]。選用雙滑塊直線導(dǎo)軌和滾珠絲桿組成鉆孔主軸組件運動軸，為鉆孔提供向下的動力，其土0.02mm 重復(fù)定位精度可以保證較高的鉆孔定位精度和鉆孔尺寸[4]。V 型支架在鉆孔時起支撐導(dǎo)向管作用。確保鉆孔時對中，保證鉆孔位置尺寸和偏差以及和分布角度和偏差。夾持定位組件可以通過程序設(shè)定調(diào)整中心高度，以便與V 型支架的中心高度相一致?？梢赃x擇夾持￠1mm～￠5mm 等范圍內(nèi)不同直徑的鉆頭。

2 鉆孔工藝研究

2.1 鉆孔工藝試驗

2.1.1 試驗?zāi)康?/p>

選擇不同的鉆頭頂角大小，設(shè)定較大范圍鉆削速度并匹配不同鉆削進(jìn)給速度進(jìn)行鉆孔。檢查鉆孔后孔邊緣毛刺形態(tài)和大小，分析鉆頭頂角角度、鉆削速度、鉆削進(jìn)給速度等三個主要參數(shù)對導(dǎo)向管鉆孔表面質(zhì)量尤其是鉆削毛刺的影響。通過試驗，探索鉆頭頂角角度和鉆削轉(zhuǎn)速及匹配的鉆削進(jìn)給速度范圍。

2.1.2 試驗條件

根據(jù)鉆削理論分析及對鉆削毛刺形成機(jī)理研究的成果，鉆頭的頂角大小是決定鉆削毛刺產(chǎn)生的重要因素[5]。在試驗中采用￠2.4mm 硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)鉆頭?？紤]到導(dǎo)向管壁厚、外徑、材質(zhì)等已經(jīng)確定，并參考目前手工鉆削流水孔的鉆削速度為2000rpm 等實際情況，選擇在800 ～4000 rpm 鉆削速度范圍內(nèi)匹配0.05 ～0.65 mm/s 鉆削進(jìn)給速度兩組參數(shù)內(nèi)開展鉆孔試驗。

2.1.3 試驗及結(jié)果分析

鉆頭頂角角度選擇為118°，鉆削速度800～4000rpm范圍和匹配的鉆削進(jìn)給速度0.05～0.65mm/s，試驗結(jié)果表明：

（1）使用頂角角度為118°的鉆頭，在800～4000 rpm鉆削轉(zhuǎn)速和0.05～0.65 mm/s 進(jìn)給速度條件下鉆孔，試樣均顯示孔內(nèi)、外側(cè)有明顯的嚴(yán)重的金屬翻邊和殘留，表現(xiàn)為毛刺凸出流水孔，并附著在孔周圍，毛刺大并且密集，伴隨“蓋帽”形狀毛刺（孔“翻蓋”）和翻邊，且翻邊嚴(yán)重。

（2）部分孔呈橢圓或心形形狀；孔內(nèi)柱面不光滑，見圖1-2。

圖1 孔翻蓋和橢圓成型

圖2 橢圓成型和孔邊積瘤

（3）當(dāng)鉆削速度達(dá)到4000rpm 時，試樣等孔內(nèi)壁顯現(xiàn)明顯的臺階狀或鋸齒狀鉆痕，孔邊積屑瘤明顯增加見圖3-4。

圖3 孔邊毛刺

圖4 孔內(nèi)壁粗糙、不光滑

（4）當(dāng)嘗試?yán)^續(xù)提高鉆削速度達(dá)到6000rpm 時，鉆頭與管表面摩擦產(chǎn)生火星，存在安全隱患，不再嘗試更高鉆速進(jìn)行試驗。

分析和結(jié)論：使用頂角角度為118°的鉆頭，主要在流水孔出孔處產(chǎn)生鉆削切出進(jìn)給的毛刺，形態(tài)為“蓋帽”和較嚴(yán)重的翻邊毛刺，即處于切削運動刀具切削刃毛刺分類體系中所講的Ш 型毛刺形態(tài)[6]。

鉆頭頂角角度選擇為140°，按照鉆削速度800～3000rpm 范圍和匹配的鉆削進(jìn)給速度0.05～0.65mm/s 進(jìn)一步試驗，其它試驗條件不變，試驗結(jié)果表明：

（1）使用頂角角度為140°的鉆頭，在800 rpm～3000 rpm 鉆削轉(zhuǎn)速和0.05mm/s～0.65 mm/s 進(jìn)給速度條件下鉆孔，試樣流水孔內(nèi)、外側(cè)均無明顯金屬翻邊和金屬殘留；孔呈圓形且形狀規(guī)整；孔內(nèi)柱面均勻光滑，孔加工區(qū)表面無變形,見圖5-6。

圖5 孔內(nèi)部表面質(zhì)量

圖6 孔外表面質(zhì)量

（2）放大檢查流水孔，發(fā)現(xiàn)鉆削切出進(jìn)給方向的孔邊

仍然有毛刺，但無嚴(yán)重的“翻蓋”和大的翻邊毛刺，毛刺形態(tài)處于Ⅱ型毛刺狀態(tài)，即切削運動-刀具切削刃毛刺分類體系中所講的泊松毛刺[7]。

（3）同時，目視并借助內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)，相比較而言，在1500～2500rpm 鉆削轉(zhuǎn)速并匹配0.15mm/s～0.25 mm/s進(jìn)給速度條件下鉆孔，孔的表面狀況更好一些。

分析和結(jié)論：（1）在實際鉆削過程中，鉆削毛刺的產(chǎn)生受到綜合因素的影響。這些綜合因素包括鉆頭結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、鉆頭材質(zhì)、被鉆削材料、鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度等等。當(dāng)確定了被鉆削材料材質(zhì)和壁厚、鉆孔直徑、鉆頭材質(zhì)等條件后，鉆孔質(zhì)量尤其是毛刺產(chǎn)生的形態(tài)和大小就主要由鉆頭頂角角度、鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度三個因素決定[8]。（2）針對試驗顯示出在1500～2500rpm鉆削速度和匹配0.15～0.25 mm/s 鉆削進(jìn)給速度條件下鉆孔表面質(zhì)量更好的結(jié)果，結(jié)合鉆削理論和鉆削毛刺形成機(jī)理，分析認(rèn)為產(chǎn)生這樣的效果原因在于：a.當(dāng)將鉆頭頂角角度由標(biāo)準(zhǔn)的118°增大至140°時，鉆頭主切削刃形狀呈凹曲線形，有利于切削折斷；而被鉆削的導(dǎo)向管壁厚很薄，故不容易產(chǎn)生大的毛刺。b.由于被鉆削導(dǎo)向管延伸率大且管壁很薄，較高的鉆削速度匹配很小的鉆削進(jìn)給速度會延長鉆頭與導(dǎo)向管流水孔相互摩擦的時間，使得熱量急劇升高而不能快速散熱，反而導(dǎo)致切削毛刺很不容易脫落并粘在孔邊。因此，增大鉆頭頂角角度，在鉆削導(dǎo)向管流水孔時，有利于減少鉆削導(dǎo)向管流水孔所產(chǎn)生的毛刺。試驗結(jié)果說明使用頂角角度為140°的鉆頭和適宜的鉆削速度和鉆削進(jìn)給速度鉆頭更能夠鉆削出一個理想的、表面質(zhì)量更優(yōu)的流水孔。

2.2 手動自動鉆孔對比試驗

2.2.1 試驗?zāi)康?/p>

對比驗證自動鉆孔流水孔表面質(zhì)量及毛刺去除能否滿足要求。

2.2.2 試驗條件

采用4 支全長導(dǎo)向管，選擇頂角角度為140°的￠2.4mm 硬質(zhì)合金鉆頭，分別以手動方式鉆孔1 支，以自動方式鉆孔3 支，試驗方案見表1。

表1 流水孔鉆孔對比試驗方案

2.2.3 試驗和結(jié)果分析

使用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查流水孔內(nèi)表面毛刺。在采取去除毛刺工藝前，導(dǎo)向管流水孔內(nèi)部均有微小毛刺，但都是不明顯和不大的毛刺。檢查表明，導(dǎo)向管流水孔外表面均無毛刺，自動鉆孔條件下流水孔毛刺要稍少，狀況更好一些。在采取去除毛刺工藝對比，導(dǎo)向管內(nèi)部流水孔毛刺較容易去除,見圖7-8。

圖7 導(dǎo)向管流水孔內(nèi)部質(zhì)量

3 結(jié)論

圖8 導(dǎo)向管流水孔內(nèi)部質(zhì)量

新研制的導(dǎo)向管自動鉆孔裝置實現(xiàn)了鉆削導(dǎo)向管流水孔時支撐、夾持、旋轉(zhuǎn)、移位、壓緊和按照設(shè)定參數(shù)自動鉆孔的功能和目的。探索了自動鉆孔的工藝流程，通過選擇鉆頭、鉆削速度并匹配適宜的鉆削進(jìn)給速度，找到了適宜的鉆孔參數(shù)范圍，使得自動鉆孔后流水孔質(zhì)量、流水孔直徑能夠滿足技術(shù)要求。

鉆孔工藝過程表明：（1）自動鉆孔裝置運行平穩(wěn)、定位精確、操作便捷、安全防護(hù)到位，能夠滿足導(dǎo)向管流水孔鉆孔技術(shù)要求。（2）使用140°硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)鉆頭，在1500～2500prm 轉(zhuǎn)速并匹配0.10～0.25mm/s 鉆削進(jìn)給速度條件下自動鉆孔要優(yōu)于手工鉆孔，導(dǎo)向管流水孔的外表面上不會產(chǎn)生毛刺，滿足技術(shù)要求；內(nèi)表面均會產(chǎn)生少量的毛刺，仍然需要手續(xù)采取去除毛刺工藝去除孔內(nèi)表面毛刺。（3）采用自動鉆孔裝置鉆孔，導(dǎo)向管無凹陷變形，流水孔周邊無裂紋，導(dǎo)向管表面無劃傷。