裝卸料機(jī)外套筒加工技術(shù)探討

李海鋒

(西安核設(shè)備有限公司, 陜西 西安 710021)

裝卸料機(jī)是核電站燃料操作與貯存系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。工作于反應(yīng)堆水池之上，主要承擔(dān)著裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)核燃料的作用。外套筒為裝卸料機(jī)主要部件之一，安裝于小車齒輪機(jī)構(gòu)之上，內(nèi)套筒連帶抓具、核燃料在其中上下運(yùn)動(dòng)，故外套筒上設(shè)有伸縮套筒導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、燃料導(dǎo)向板等重要功能部件。外套筒的加工精度對(duì)裝換料的運(yùn)行操作可靠性、安全性有直接、較大影響。如何保證內(nèi)孔與外圓的相互位置精度以及外孔本身的尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求，一直是裝卸料機(jī)外套筒機(jī)械加工的難點(diǎn)，尤其對(duì)薄壁深孔的套筒零件，因?yàn)榍邢魇芰筇淄踩菀鬃冃危瑒傂圆?、裝夾困難、加工回彈的精度不可控，這些都成為套筒加工亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。囿于國(guó)內(nèi)機(jī)械制造技術(shù)薄弱，機(jī)床的精度不高、測(cè)量手段單一，測(cè)量技術(shù)受限，外套筒的加工制造精度受到制約。我們利用現(xiàn)有的機(jī)加工具，自制各種實(shí)用工裝并反復(fù)嘗試試驗(yàn)，最終完成了外套筒的加工，實(shí)現(xiàn)了裝卸料機(jī)的國(guó)產(chǎn)化制造。

1 外套筒結(jié)構(gòu)

外套筒為超長(zhǎng)薄壁管件，立式狀態(tài)使用，操作狀況見圖1。其結(jié)構(gòu)主要由規(guī)格φ440×8 L=9 951 mm不銹鋼鋼管與端部法蘭、筋板焊接而成。鋼管及法蘭上有大量位置精度要求極高的方形孔組，管子的外表面不僅是伸縮套筒的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也是燃料導(dǎo)向板的定位基準(zhǔn)，同時(shí)法蘭面是各零件的重要的安裝基準(zhǔn)。依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣要求，對(duì)鋼管與法蘭的形位精度要求、外表面粗糙度要求都十分嚴(yán)格，特別是對(duì)鋼管全長(zhǎng)直線度要求僅為0.3 mm，對(duì)管外徑尺寸偏差要求小于0.4 mm。這些精度要求，對(duì)于外徑φ440 mm，壁厚僅為8 mm，長(zhǎng)度接近10 000 mm的細(xì)長(zhǎng)型不銹鋼管件的加工技術(shù)是極大挑戰(zhàn)。其中面臨著剛度差、易變形等十分棘手的難題。通過(guò)對(duì)我公司制造的多臺(tái)裝卸料機(jī)外套筒實(shí)際加工所測(cè)數(shù)值的分析比對(duì)，不斷將方案和細(xì)則進(jìn)一步優(yōu)化完善，充分利用各種工裝夾具，積累的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)以及防變形措施，總結(jié)形成了相對(duì)固化、通用的外套筒制造工藝流程。外套筒結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 外套筒操作詳圖Fig.1 Operation details for the outer sleeve

圖2 外套筒結(jié)構(gòu)Fig.2 Structuredrawing for the outer sleeve

2 外套筒加工技術(shù)

空心軸類加工工藝路線一般分為預(yù)車、粗車、半精車、精車、精磨等?？此坪?jiǎn)單但基準(zhǔn)的選取，工序的交錯(cuò)安排，夾具的有效利用，防變形的技巧都非?？简?yàn)工藝技術(shù)。為了完成加工我們制作了調(diào)整套工裝兩件、端部夾持工裝一件、分度工裝一件。

2.1 預(yù)車鋼管、組焊法蘭

以管子全長(zhǎng)外圓找正，要求保證焊后加工外套筒體外圓。車與法蘭、加強(qiáng)板相焊段直徑φ440±0.048的軸端及端面倒角，結(jié)構(gòu)見圖3。車削過(guò)程中記錄下找正數(shù)據(jù)，圖中前端部1053尺寸加長(zhǎng)100作為焊后加工找正。車削完成后保持裝夾狀態(tài)，將法蘭與管端定位點(diǎn)焊，確保法蘭面與管子垂直。車法蘭，要求各圓直徑同心，端面與軸線垂直。在車床上定位焊法蘭與鋼管，保證法蘭與不銹鋼管垂直。組焊筋板、法蘭與管子，對(duì)稱焊接，并在筋板焊接的相應(yīng)管內(nèi)位置增加十字支撐、法蘭背板防止鋼管變形。焊后利用機(jī)械振動(dòng)消除焊接應(yīng)力，打磨焊縫，并進(jìn)行100%PT檢測(cè)。檢測(cè)后將該件放置于專用工裝上，經(jīng)過(guò)約兩個(gè)月自然時(shí)效處理，釋放焊接應(yīng)力。

圖3 管子加工示意圖Fig.3 Schematic of pipe processing

四爪夾持法蘭，鋼管中部及尾部安裝調(diào)整套工裝。調(diào)整套工裝采用鋼鍛件，粗加工并將各孔鉆好攻絲后，調(diào)質(zhì)處理HRC>45，后對(duì)凸臺(tái)進(jìn)行精加工，其圓柱度不應(yīng)大于0.05 mm。安裝工裝時(shí)，螺栓與不銹鋼管接觸應(yīng)墊上銅條，防止劃傷鋼管表面。并使用中心架固定，以管子全長(zhǎng)找正，檢查鋼管筒身直線度、管端圓度以及法蘭平面度等狀態(tài)。檢查后焊接尾部夾持工裝，結(jié)構(gòu)見圖4。該工裝采用奧氏體不銹鋼, 按實(shí)測(cè)管子端部?jī)?nèi)圓尺寸進(jìn)行配車車出φ414及C15，方可與管端焊接。工裝外徑φ480尺寸應(yīng)留一定焊后機(jī)加工量，工裝與管子焊接并待管子全長(zhǎng)找正完成后加工出φ480尺寸，作為后續(xù)加工的參考基準(zhǔn)。

圖4 夾持工裝圖Fig.4 Schematic of the clamping tooling

2.2 管子校正及粗車

管子尺寸檢查中若發(fā)現(xiàn)管子出現(xiàn)大于1.5 mm的旁彎則考慮在車床上對(duì)管子進(jìn)行校正。校正管子時(shí)優(yōu)先考慮機(jī)械方法，若采用火焰法進(jìn)行修整，則應(yīng)在烘烤表面涂抹耐高溫涂料，嚴(yán)格控制加熱溫度，并通過(guò)激光測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不得高于440 ℃。校正時(shí)考慮向旁彎的反方向過(guò)校1 mm，防止回彈，校正后重新以管子全長(zhǎng)找正，管尾、管中及靠近法蘭側(cè)車出三條寬10 mm找正帶，以便后續(xù)加工過(guò)程觀察管子變形情況。粗車管子前段約3 m，反向走刀，大面見光，車削中采用冷卻液冷卻。掉頭找正，四爪夾持管尾夾持工裝、調(diào)整套工裝、中心架分別移動(dòng)至管子中間及靠近法蘭位置，固定中心架。法蘭處管端采用尾座中心頂尖輕微扶正，但不得限制管子長(zhǎng)度方向自由度。粗車管子全長(zhǎng)，并粗車法蘭端面及外圓。車削過(guò)程中，隨時(shí)檢測(cè)管子各段外圓尺寸及各找正帶尺寸，以掌握機(jī)床各段尺寸精度狀態(tài)和管子變形狀態(tài)，為后續(xù)半精車及精車的尺寸控制提供關(guān)鍵參數(shù)支持。

2.3 半精車、精車管子、法蘭

車削過(guò)程中嚴(yán)格控制吃刀深度及走刀量是加工的關(guān)鍵。根據(jù)車床各段精度狀態(tài)采用進(jìn)退刀的方法控制外圓公差，并應(yīng)注意加工過(guò)程中反復(fù)檢查變形狀況。由于管子剛性差，精車時(shí)每加工1～2 m，隨車移動(dòng)調(diào)整套及中心架位置，并注意冷卻液使用以及轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量，嚴(yán)格控制變形。精車法蘭各面，最終留拋光量約0.1 mm。采用百葉輪拋光片精磨外圓，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整磨削量以及冷卻液使用，冷卻液噴淋在距離磨削位置約1 m處的已拋光表面，防止變形。掉頭裝夾，夾持法蘭端，以管全長(zhǎng)找正，車端部長(zhǎng)1 300 mm內(nèi)孔，保證內(nèi)外圓同心。

2.4 外套筒各孔加工

粗鏜筒身十二個(gè)方孔。嚴(yán)格對(duì)稱加工，不可單個(gè)方孔一次加工完成，應(yīng)多次對(duì)稱進(jìn)刀完成加工，防止變形。龍門銑鏜床上采用4件壓緊的V型鐵支撐工件，V形鐵通過(guò)一次加工保證等高。以管外圓全長(zhǎng)找正兼顧法蘭，打表測(cè)量壓緊工件，嚴(yán)格控制壓緊量，因?yàn)榉ㄌm端較重，在其下方加支撐法蘭。在裝卡完成后，重復(fù)測(cè)量各找正數(shù)據(jù)，與壓緊前數(shù)據(jù)比對(duì)，合格后方可加工。第一組方孔加工后應(yīng)松掉裝夾，觀察變形情況，所有方孔加工完成后，則應(yīng)在放置數(shù)小時(shí)后觀察變形情況然后重新裝夾工件并找正，加工法蘭上各孔，注意與方孔相對(duì)位置，并確保螺栓孔分度圓與法蘭安裝止口同心。法蘭加工后安裝分度工裝。分度工裝結(jié)構(gòu)：1)兩面車加工，確保各圓同心度不大于0.05 mm、厚度方向兩面平行度不大于0.05 mm；2)4-φ22孔具體尺寸由外套筒法蘭相應(yīng)位置φ22孔實(shí)測(cè)尺寸決定，安裝時(shí)使用帶銷螺栓固定工裝與外套筒法蘭；3)各槽及φ22孔由數(shù)控龍門銑鏜床一次裝夾加工完成，確保各角度、位置的準(zhǔn)確性。通過(guò)該分度工裝，找正各角度位置，加工管身上各孔，應(yīng)采用對(duì)稱加工，并確保管子上各孔相應(yīng)角度方位、各相對(duì)孔的對(duì)稱度。加工過(guò)程中穿插測(cè)量，嚴(yán)格控制。每次加工、找正測(cè)量都應(yīng)保留數(shù)據(jù)，為下一步加工保留參考數(shù)值，以便于后續(xù)分析解決問(wèn)題。加工前應(yīng)核實(shí)加工量，法蘭及筒身外形尺寸均考慮按上公差加工。筒身上各螺紋孔應(yīng)在鏜床上定位攻絲，防止攻偏。實(shí)時(shí)觀測(cè)加工狀態(tài)，工件若出現(xiàn)振動(dòng)則應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)速、走刀量，待工件狀態(tài)穩(wěn)定再恢復(fù)常規(guī)參數(shù)。加工過(guò)程中利用自制工裝嚴(yán)格控制該件貯存、吊裝、周轉(zhuǎn)運(yùn)輸過(guò)程，防止變形。

3 結(jié)論

1)大型超長(zhǎng)薄壁管件的高精度機(jī)加工在機(jī)械行業(yè)內(nèi)屬于高難度加工范疇，此次外套筒的成功加工解決了大型超長(zhǎng)薄壁管件高精度加工中剛性差、易變形、無(wú)基準(zhǔn)等難題；

2)在加工過(guò)程中使用各種專用工裝、總結(jié)測(cè)量方法不斷改進(jìn)、優(yōu)化編制出一套具有通用性的工藝規(guī)范以及實(shí)施細(xì)則為后續(xù)多臺(tái)裝卸料機(jī)外套筒加工提供理論依據(jù)；

3)提出各類詳盡的測(cè)量、調(diào)整方案，解決了薄壁細(xì)長(zhǎng)管件的加工難題。不僅保證了各工件的加工精度，而且縮短了加工周期。加工完成后管子尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度完全滿足設(shè)計(jì)要求；

4)該套系統(tǒng)的加工技術(shù)為以后同類大型薄壁管件加工，特別是燃料操作與貯存系統(tǒng)中類似零部件的制造，積累了極其寶貴的經(jīng)驗(yàn)。