一种核电站控制棒驱动机构套管轴制造工艺研究

杨大才 黄山

【摘 要】本文介绍了一种核电站控制棒驱动机构套管轴的结构特点和精度要求，分析了套管轴深孔加工、外圆面加工、对称槽加工等主要工艺难点，提出了对应的解决措施，探索出了一套长筒类零件机械加工方法，通过试验验证，达到了套管轴的设计要求。

【关键词】核电站；驱动机构；套管轴；制造工艺

中图分类号： TM623；TP311.52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）05-0200-002

【Abstract】This paper introduces the control rod drive mechanism casing shaft structure features and precision requirements of one kind nuclear power plant， analyzes the deep hole processing， the cylindrical casing shaft surface machining， symmetric trough and other main technological difficulties， put forward the corresponding solutions， explore a set of tube parts machining methods， through the test， reached the telescopic shaft design requirements.

【Key words】Nuclear power plant；Drive mechanism；Casing shaft；Manufacturing process

0 引言

控制棒驱动机构（CRDM）是核电站反应堆中按照系统指令实现反应堆的安全启动、功率调节与保持以及安全停堆等功能的关键设备，它是反应堆中唯一的运动部件，也是直接控制反应堆正常运行和启停的核心部件，其核安全等级为一级，核质保等级为QA1级。套管轴是承受着整个钩爪组件、驱动杆组件以及控制棒（约300Kg），并支撑移动衔铁或保持衔铁、同时起着钩爪运动导向与定位作用，其核质保等级同属于QA1级，其尺寸精度和形位公差要求非常高，它是实现控制棒驱动机构国产化的关键零件之一，因此，对套管轴的制造工艺研究具有重要意义。

1 结构及精度分析

1.1 结构分析

套管轴材料为奥氏体不锈钢，结构为圆筒形状（其结构见图1），长度尺寸为975±0.50mm，最大外径为M70，最小外径为M60，外圆有多处涉及钩爪运动定位用台阶，并有6钩爪槽和2导向槽。

1.2 精度分析

1.2.1 外圆各配合面的形位公差

套管轴各台阶的外圆均有同轴度等公差要求，若偏差过大，即会对装配带来困难，同样会造成提升钩爪的衔铁在运动时对单边磨擦增大，既影响钩爪的运动；同时造成单边过度磨损，在反应堆高温、高压、强辐射的情况下会加快工件的变形，直接影响使用寿命。

1.2.2 螺纹精度

套管轴为驱动机构的主要受力部件，在进行寿命试验时，右端螺纹每分钟将受到72次冲击载荷；而左端螺纹不仅要承受右端弹簧的反作用力，而且要承受整个钩爪组件和驱动杆组件的重量（约300Kg），因此套管轴主要受力薄弱点在左右两端的螺纹上，所以左右两端的螺纹加工精度必须严格控制。

1.2.3 槽相对轴心的对称度

套管轴上设计有用于钩爪的提升和保持的两处槽，各槽相对于其导向槽的位置度有严格的要求，否则会加大钩爪与槽侧壁的摩擦，进而影响钩爪的正常运动。因此槽 相对槽 中心的位置度及槽 相对轴心的对称度要求非常高。

2 工艺分析

2.1 深孔加工

套管轴长度975±0.50mm，孔径为φ47.2±0.10mm，长径比约20，粗糙度为Ra3.2，该深孔的加工难度大，主要体现在以下几点：

（1）刀杆受孔径的限制，直径小，长度大，造成剛性差，强度低，切削时易产生振动、波纹、锥度、偏斜等情况，从而影响深孔的形位公差和表面粗糙度。

（2）在深孔加工时，刀具需要一次装夹完成整个内壁加工，这对刀具的耐用度要求高，若切削时冷却润滑液不充分，会使刀具耐用度降低甚至崩刃。

（3）在深孔的加工过程中，不能直接观察刀具切削情况，只能凭工作经验听切削时的声音、手摸振动与工件温度来判断切削过程是否正常。

（4）必须采用可靠的手段进行断屑及排屑，防止切屑堵塞或划伤内孔。

对此，加工深孔前，将工件夹持固定后用中心架固定中间段及末端，找正后，用定制长钻头粗钻底孔，再用专用的导向工装（参见图2）扩孔，导向工装主要由导向块、刀具、套圈、锥柄刀杆等组成。调整好刀具后进行切削，刀具设计有两个刀头，前后错开，前面露出的短刀头先且削掉一部分金属，后面的长刀头再切削至尺寸，错开的两个刀头可以平衡切削力，防止产生锥孔的可能。加工到临近孔的另一端时，退出刀杆，去掉导向块，在刀杆上装上套圈，套圈直径同样比孔小0.3mm，这样可以完成孔端部孔的加工。

工艺路线：三爪固定毛坯件→架好中心架→找正→用定制钻头钻底孔至φ42→粗扩孔至φ46.8→初绞孔至φ47→精绞孔φ47.2±0.10。

设备：车床

工装：导向工装、中心架

刀具：1）群钻 2）双头刀

切削参数：见表1

2.2 外圆各配合面加工

加工外圆时，为保证各段同轴度形位公差，需在一次装夹得情况下完成外圆的车削加工，因此设计专用堵头与内孔配合采用双顶车方式加工外圆，考虑到中心孔已加工导致套管轴刚性相对减弱，在切削过程中需采用跟刀架抵消切削力，从而保证尺寸和形位公差。

工艺路线：a）工件加装堵头→一端用卡盘固定→另一端顶锥顶紧并找正外圆→粗作外圆→精车外圆（含螺纹外径）

设备：车床

工装：导向工装 （见图3）、中心架

切削参数：见表2

2.3 螺纹加工

螺纹加工为外圆车削加工的下一工步，不能拆卸工件或换装夹方式，以保证形位公差要求。由于在车削过程中螺纹牙在挤压作用下会使外圆增大，在加工时先根据螺纹精度等级算出螺纹外径公差范围，按下差加工螺纹外径；同时，应严格控制刀具的切削深度及刀具的高度，刀具高度应在工件中心到高出中心d1%的范围内，防止啃刀现象的产生。

工艺路线：按照螺纹公差精度下差车螺纹外径→按要求调整刀具高度→车螺纹

设备：车床

工装：双顶车用堵头、中心架

刀具：螺纹刀

切削参数：见表3

2.4 槽加工

槽与槽 均有位置度要求，为保证精度，将工件一端装夹在分度头上，另一端加堵头用分度头尾座顶紧，在工件中间段架设中心架以防止工件在铣削中弯曲。采用工装寻边器找正，铣削各槽。

工艺路线：分度头装夹工件→中心架辅助→并用寻边器找正工件轴心线与机床主轴轴心线→铣削各槽。

设备：立铣

工装：分度头、寻边器、中心架

刀具：铣刀

切削参数：见表4

2.5 切削液的选择

根据RCC—M标准中的防污染要求，使用的冷却切削液不能有卤族元素及铁素体等成分。为此，据市场调研，目前国内有BP集团生产的嘉实多HYSOL系列优质水溶性金属加工液和Francool公司生產的SYNCOOL系列全合成切磨浓缩液，考虑到套管轴加工时的特点，采用嘉实多HYSOL R优质水溶性金属加工液，该冷却切削液不含有氯、活性硫、亚硝酸盐和氟及重金属成分，完全满足其加工要求。

3 样件试制

工件所使用材料为0Cr19Ni9，在样件试制时，我们选用了φ80长1m的0Cr18Ni9棒材。制造过程严格按照以上工艺步骤进行，样件试制完成后，其尺寸精度及形位公差要求能够满足要求，但存在以下问题：

a）中心孔内壁存在刀具的划伤痕迹；

b）当加工孔的刀具进给到一定深度后，切削液供给不足或无法供给到位。

4 分析改进

4.1 中心孔内壁存在刀具的划伤痕迹

由于作中心孔时，存在引偏，所以实际中心孔与理论中心孔存在不同轴现象，刀杆存在一定的绕度，刀具和已经加工出的孔壁存在抗力，而用导向装置加工到接近末端时需退刀加装套圈，因此使刀具划伤孔壁。

取消原导向装置的套圈，不退刀直接完成加工，工艺上适当加长毛坯工件的长度，并在末端增加一套筒，使导向块露出工件时仍有导向路径，但由于末端增加的套筒与中心孔同轴度有误差，会使工件末端孔也出现误差，所以适当加长毛坯工件长度，该工序完成后切削掉多余段。

4.2 切削液供给

原加工方案无特殊的切削液供给装置，从切削中心孔的进刀端供给，当切削到一定深度时，机床自身供给系统的压力有限，刀杆和孔壁的间隙不大，使切削液很难到达切削位置，且切削液体的流向和排屑方向相反，不利于排屑。

对此，设计专用的切削液供给系统，在导向块上作流液槽，输液管穿过机床主轴从进刀的相反方向供给切削液体。该方法即保证了切削液的供给，又使液体的流向和排屑方向相同，有利于排屑，见下图3所示。

5 结论

我们利用完善后的制造工艺，试制了两件套管轴，经检测其尺寸精度和形位公差等均达到图纸要求，并在我院完成了900余万步的性能和寿命试验，性能和寿命试验完全满足设计规范要求，为核电站控制棒驱动机构套管轴的国产化提供了行之有效的工艺方法。

【参考文献】

[1]闻邦椿.机械设计手册（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]曾志新，李勇，刘旺玉.机械制造技术基础（第2版） 北京：国防工业出版社，2014