加工核反应堆零件的专用数控机床

王政红

（武重集团武汉威泰数控立车有限公司，湖北武汉 430077）

加工核反应堆零件的专用数控机床

王政红

（武重集团武汉威泰数控立车有限公司，湖北武汉 430077）

主要介绍了CKX5363×95/160大型核电加工专用数控机床的主要结构特点，以及在核反应堆零件加工中的应用。

核反应堆 堆内构件加工 专用数控机床

核电站是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。核能发电是一种清洁、安全、经济的新型能源，发展核电是减少环境污染，实现经济和生态环境协调发展的有效途径。

1 核反应堆堆内构件及加工特点

反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。核反应堆堆内构件由上、下部构件以及压紧弹簧组成。上部构件由热电偶柱、控制棒导向筒、上支承板、上堆芯板等组成，总高度为4 206 mm，最大直径为3 630 mm，总重约37.1 t；下部构件由吊篮组件、二次支承、能量吸收器等组成，总高度为10 001 mm，最大直径3 630 mm，总重约82 t。

由于在反应堆活性区内有放射性物质，运行时有很强的中子和γ辐射，机械设备长期处于高温、高压、强放射性辐照以及含硼水冲刷腐蚀等条件下工作，因此为了保证反应堆装置的安全及可靠性，对反应堆材料、加工制造和安装均要求很高的质量。反应堆材料必须有耐辐照、抗腐蚀、耐高温、高纯度等要求，反应堆内部构件都是用奥氏体不锈钢、因科镍或锆合金制造的。压力容器的材料是低合金钢，内衬奥氏体不锈钢或因科镍覆面。

压水堆本体重型构件包括反应堆压力容器顶盖及其下部筒体组焊件、堆内构件中的吊篮筒体、上、下支承板等。而压力容器壳体、蒸气发生器壳体、稳压器壳体等零件，基本上属于两端带有封头的圆桶类部件。目前主要生产百万千瓦级核电设备，压力容器的直径5～8 m或更大，长度约20 m，分为4～5节焊接而成，材料为特种钢。这些核反应堆零部件的特点是尺寸大、重量大，要进行铸、锻、焊、热处理和机加工等工序，而且尺寸公差和形位公差要求都比较高。比如反应堆的堆芯盖板的导向筒定位孔和堆芯测量引入孔，孔的定位精度和加工精度都很高。堆芯上栅格板上的圆孔、方孔和畸形孔特别多，加工工作量大、精度要求高。因此，核反应堆零部件结构复杂、精度要求高，这些零部件的后续切削加工，大都需要超重型数控立式车床、超重型数控卧式车床、大镗杆多轴联动数控镗铣床、数控龙门镗铣床、五轴联动车铣中心等高精度机床设备，这些机床规格大，能加工又大又重的零件，而且机床的可靠性和稳定性要求较高。

2 国内外加工核反应堆零件的现状

在美国或欧洲工业发达国家，是采用大型加工中心来加工核反应堆零件，特别是大型零件，如高压容器、装核心壳体和核心托座。核电设备制造厂的规模因其产品范围不同而有较大差异，但总体来说都较庞大，装备水平都较高，各工厂都采用数控联合机床，以流水线方式进行加工。比如法国法马通公司的沙龙·圣特工厂，可以生产核反应堆压力壳、蒸气发生器、稳压器、反应堆控制棒驱动机构等重型关键设备，在车间有一台数控联合机床，加工蒸气发生器隔板（换热器管支撑板）。从毛坯送上床子，到出成品由一位熟练工人在计算机屏幕前操作完成，其中还包括某些检测项目。又如日本三菱重工业株式会社神户造船所，核电设备制造在其中几个车间进行。主要生产PWR的蒸气发生器、稳压器等。加工设备先进，具有国际水平，几乎全是数控组合机床。其工厂装有号称世界最大的数控三维铣床，可加工直径10 m，高3 m的工件。

在反应堆制造厂中，采用数控复合机床加工核反应堆零件，在数控机床上可进行铣、钻、扩、铰、镗和切削螺纹等工序，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期。还可以显著减少废品的数量和技术检查的工作量，并提高机床的利用率。对于生产核反应堆的大型企业来说，由于大多数生产的反应堆比较固定，反应堆零件的设计与制造有着连续性，因此，应用专用数控复合机床或专门加工中心，可以提高企业制造水平和零件产品质量。

在国外，也有部分机床制造厂，研制生产核反应堆零件加工的专用大型数控机床。比如德国SCHIESSFRORIEP公司，己经生产出80DV单柱立式车镗铣复合加工机床，该机床最大车削直径16 m，最大工件重量315 t，最大车削高度10 m，用于加工核反应堆压力容器等大型零件。

国内企业参与核电设备制造起步较晚，主要设备的制造能力与供货质量与国外企业相比有较大的差距。针对核反应堆大型零件加工制造，还没有适宜的加工设备，尤其缺少重型、复合、多功能的数控加工设备。比如，上海第一机床厂和法马通公司合作生产的中国广东岭澳核电站1 000 MW压水堆堆内构件，是国内首次生产的百万千瓦级堆内构件。该反应堆堆内构件是核电站的心脏部件，高11 m、直径4 m、重127 t。产品不但大而且精度高，制造难度很大，国外公司都在数控机床上加工。由于条件限制，上海第一机床厂只能在国产普通机床上加工。因此，研制和生产加工核反应堆零件的专用数控机床，可以满足我国核工业吊篮等相关反应堆堆内构件的加工需求，提高我国核反应堆制造企业的技术装备水平和反应堆零部件的加工质量，降低成本，促进核电的国产化建设。

武汉重型机床集团公司在核电加工设备方面，先后为一重、东电集团等企业提供了CK53160十六米数控单柱立式车床、FB200数控铣镗床等多台大型装备。这些设备为大亚湾核电站、秦岭核电站的建设发挥了重要作用，积累了较为丰富的核电加工设备制造经验。武重为武汉锅炉厂设计制造的大型核电加工专用数控机床，数控单柱移动立式车铣复合机床（CKX5363×95/160），系我国首台用于加工核反应堆内构件的超大型专用设备。

3 CKX5363×95/160核电加工专用数控机床的结构

本机床是为了解决我国核电站吊篮部件加工所设计开发的专用数控机床产品。它结合了超重型数控落地镗铣床和超重型数控立式车床的功能特点，不仅具有精密镗铣车钻复合加工的能力，而且利用数控环形工作台中央大孔中安装内立柱，加工大型反应堆堆内构件内环槽，实现大型反应堆堆内构件的一次装夹多工序的加工。如堆内构件内环槽，安装封头面的车削及分度钻孔等的加工。机床除车削外，还可实现钻、铰、铣、镗、磨等功能，工作台可实现360°精密分度，三轴联动，且为全闭环控制，具有恒线速度车削功能。工作台直径6 300 mm，最大加工高度9 500 mm，最大加工直径6 300 mm，工作台最大承载160 t。由圆形工作台、工作台驱动及分度机构、外立柱、外立柱滑座、床身、横梁、垂直刀架、内立柱、内立柱刀架、侧刀架、铣头附件、电磨头等部件组成。

圆形工作台车削最高转速20 r/min，主电动机功率143 kW，工作台齿圈采用双齿轮驱动，在铣削进给时，采用机械传动间隙消除和传动误差补偿技术，工作台分度定位精度可达到±5″。横梁上有水平移动的刀架滑座，刀架水平行程3 500 mm，滑枕垂直行程3 150 mm。刀架滑枕内装有铣主轴，可与工作台实现三轴联动。横梁沿外立柱导轨升降移动，外立柱可在床身导轨上沿工作台切线方向移动。升降采用静压卸荷丝杠－螺母副。并配有直角铣头，工作台分度后，具有钻、铰、铣、镗功能，装电动磨头后，有磨内、外圆柱面和平面的功能。

内立柱呈半圆形，这样能够较好地利用工件内部的空间。内立柱置于圆形工作台中心的支承面上，且可方便地拆卸。内立柱上有刀架和滑座，内立柱最大车削直径4 200 mm，最大加工高度6 580 mm。内立柱刀架滑枕作垂直移动，刀架作水平进给移动，可与工作台实现三轴联动。内立柱刀架滑枕端面带有定位接口，可分别装夹车刀夹、电动直铣头等。具有钻、铰、铣、镗功能，装上电动磨头后，可对内圆进行磨削。

侧刀架沿外立柱导轨垂直移动，刀架滑枕可水平移动，与工作台实现三轴联动。刀架滑枕内有卧式布置的铣轴，配有专用的镗刀杆，用于镗φ1 000 mm的孔。工作台分度后，具有钻、铰、铣、镗功能，装上电动磨头后，可对外圆进行磨削。

4 核电加工专用数控机床的应用

绝大部分核反应堆的零件，都可以用此类专用数控机床加工，比如反应堆压力容器筒体、上栅格板和上、下支承板、吊篮筒体等。

图2为在专用数控机床上加工反应堆压力容器的例子。压力容器筒体的加工部位有上部法兰端面、悬挂吊篮筒体用的台肩面、内圆柱面和上端面的盲螺纹孔等。可利用移动横梁上的刀架车削法兰端面、台肩面、内圆柱面。由于压力容器筒体和顶盖靠螺栓联接，压力容器内承受很高的压力，且要求连接面绝对密封，故螺栓直径很大，上端面的盲螺纹孔直径达100 mm以上。可利用横梁上的车铣复合刀架，在刀架铣轴上安装铣刀和丝锥进行螺纹孔的加工，靠工作台带动工件进行分度运动。

对底座的内外面的加工可利用立柱上的侧刀架和工作台来完成。侧刀架带有铣轴，并配有专用的镗刀盘，可加工接盘的同轴孔或铣削矩形轮廓。

图3为在专用数控机床上对吊篮筒体进行综合加工的例子。吊篮筒体是一件大型薄壳圆筒，其上的法兰台肩平面、内外圆柱面、内环槽及孔组等都需加工，这些加工部位的加工质量要求很严。工件在一次装卡定位后，可完成内环槽、径向孔组和上部法兰平面上的孔组等的加工。法兰台肩平面、内圆柱面，可利用移动横梁上的刀架进行车削。上部法兰平面上的孔组，可利用刀架上的铣轴安装铣刀、钻头等进行加工。内立柱装在吊篮筒体内部对工件进行加工。内立柱置于圆形工作台中心的支承面上，且固定不动，吊篮筒体与圆形工作台一起旋转，利用内立柱的刀架加工吊篮筒体内环槽，利用侧刀架的铣轴与圆形工作台的回转分度，加工径向孔组。也可利用侧刀架的铣头或镗刀杆，加工吊篮筒体的出水管座的孔等。依靠侧刀架沿立柱垂直导轨的升降和床身沿水平导轨的平移，完成双坐标定位分度，使各种孔组加工达到设计精度和形位公差的要求。

CKX5363×95/160核电加工专用数控机床，可以一次装卡完成以往需多台机床才能完成的复杂零件的加工。根据需要配备直角铣头、专用镗刀盘、电主轴磨头等附件来完成复合加工。该设备基本可以满足用户加工核电零件的要求，能提高我国核电设备制造厂的加工制造能力和产品质量，使我国核电逐步实现设计自主化，设备制造国产化。

1 朱齐荣.核电厂机械设备及其设计.北京：原子能出版社，1991.

2 （苏）B.C.科尔萨科夫，B.ф.维戈夫斯基，B.и.朱哈恩.核反应堆制造工艺.北京：原子能出版社，1981.

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Appropriative CNC Machine For Process Nuclear Reactor Part

WANG Zhenghong
（Wuzhong Group Wuhan Victory Time CNC Vertical Turning Machine Co.，Ltd.，Wuhan 430077，CHN）

（编辑 孙德茂） （

2009－06－16）

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