装卸料机外套筒加工技术探讨

2022-06-24李海锋

中国核电 2022年1期

李海锋

(西安核设备有限公司, 陕西西安 710021)

装卸料机是核电站燃料操作与贮存系统的关键设备之一。工作于反应堆水池之上，主要承担着装卸、转运核燃料的作用。外套筒为装卸料机主要部件之一，安装于小车齿轮机构之上，内套筒连带抓具、核燃料在其中上下运动，故外套筒上设有伸缩套筒导向机构、燃料导向板等重要功能部件。外套筒的加工精度对装换料的运行操作可靠性、安全性有直接、较大影响。如何保证内孔与外圆的相互位置精度以及外孔本身的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求，一直是装卸料机外套筒机械加工的难点，尤其对薄壁深孔的套筒零件，因为切削受力后套筒容易变形，刚性差、装夹困难、加工回弹的精度不可控，这些都成为套筒加工亟待解决的关键技术。囿于国内机械制造技术薄弱，机床的精度不高、测量手段单一，测量技术受限，外套筒的加工制造精度受到制约。我们利用现有的机加工具，自制各种实用工装并反复尝试试验，最终完成了外套筒的加工，实现了装卸料机的国产化制造。

1 外套筒结构

外套筒为超长薄壁管件，立式状态使用，操作状况见图1。其结构主要由规格φ440×8 L=9 951 mm不锈钢钢管与端部法兰、筋板焊接而成。钢管及法兰上有大量位置精度要求极高的方形孔组，管子的外表面不仅是伸缩套筒的导向机构也是燃料导向板的定位基准，同时法兰面是各零件的重要的安装基准。依据设计图样要求，对钢管与法兰的形位精度要求、外表面粗糙度要求都十分严格，特别是对钢管全长直线度要求仅为0.3 mm，对管外径尺寸偏差要求小于0.4 mm。这些精度要求，对于外径φ440 mm，壁厚仅为8 mm，长度接近10 000 mm的细长型不锈钢管件的加工技术是极大挑战。其中面临着刚度差、易变形等十分棘手的难题。通过对我公司制造的多台装卸料机外套筒实际加工所测数值的分析比对，不断将方案和细则进一步优化完善，充分利用各种工装夹具，积累的测量经验以及防变形措施，总结形成了相对固化、通用的外套筒制造工艺流程。外套筒结构见图2。

图1 外套筒操作详图Fig.1 Operation details for the outer sleeve

图2 外套筒结构Fig.2 Structuredrawing for the outer sleeve

2 外套筒加工技术

空心轴类加工工艺路线一般分为预车、粗车、半精车、精车、精磨等。看似简单但基准的选取，工序的交错安排，夹具的有效利用，防变形的技巧都非常考验工艺技术。为了完成加工我们制作了调整套工装两件、端部夹持工装一件、分度工装一件。

2.1 预车钢管、组焊法兰

以管子全长外圆找正，要求保证焊后加工外套筒体外圆。车与法兰、加强板相焊段直径φ440±0.048的轴端及端面倒角，结构见图3。车削过程中记录下找正数据，图中前端部1053尺寸加长100作为焊后加工找正。车削完成后保持装夹状态，将法兰与管端定位点焊，确保法兰面与管子垂直。车法兰，要求各圆直径同心，端面与轴线垂直。在车床上定位焊法兰与钢管，保证法兰与不锈钢管垂直。组焊筋板、法兰与管子，对称焊接，并在筋板焊接的相应管内位置增加十字支撑、法兰背板防止钢管变形。焊后利用机械振动消除焊接应力，打磨焊缝，并进行100%PT检测。检测后将该件放置于专用工装上，经过约两个月自然时效处理，释放焊接应力。

图3 管子加工示意图Fig.3 Schematic of pipe processing

四爪夹持法兰，钢管中部及尾部安装调整套工装。调整套工装采用钢锻件，粗加工并将各孔钻好攻丝后，调质处理HRC>45，后对凸台进行精加工，其圆柱度不应大于0.05 mm。安装工装时，螺栓与不锈钢管接触应垫上铜条，防止划伤钢管表面。并使用中心架固定，以管子全长找正，检查钢管筒身直线度、管端圆度以及法兰平面度等状态。检查后焊接尾部夹持工装，结构见图4。该工装采用奥氏体不锈钢, 按实测管子端部内圆尺寸进行配车车出φ414及C15，方可与管端焊接。工装外径φ480尺寸应留一定焊后机加工量，工装与管子焊接并待管子全长找正完成后加工出φ480尺寸，作为后续加工的参考基准。

图4 夹持工装图Fig.4 Schematic of the clamping tooling

2.2 管子校正及粗车

管子尺寸检查中若发现管子出现大于1.5 mm的旁弯则考虑在车床上对管子进行校正。校正管子时优先考虑机械方法，若采用火焰法进行修整，则应在烘烤表面涂抹耐高温涂料，严格控制加热温度，并通过激光测温仪实时监测，不得高于440 ℃。校正时考虑向旁弯的反方向过校1 mm，防止回弹，校正后重新以管子全长找正，管尾、管中及靠近法兰侧车出三条宽10 mm找正带，以便后续加工过程观察管子变形情况。粗车管子前段约3 m，反向走刀，大面见光，车削中采用冷却液冷却。掉头找正，四爪夹持管尾夹持工装、调整套工装、中心架分别移动至管子中间及靠近法兰位置，固定中心架。法兰处管端采用尾座中心顶尖轻微扶正，但不得限制管子长度方向自由度。粗车管子全长，并粗车法兰端面及外圆。车削过程中，随时检测管子各段外圆尺寸及各找正带尺寸，以掌握机床各段尺寸精度状态和管子变形状态，为后续半精车及精车的尺寸控制提供关键参数支持。

2.3 半精车、精车管子、法兰

车削过程中严格控制吃刀深度及走刀量是加工的关键。根据车床各段精度状态采用进退刀的方法控制外圆公差，并应注意加工过程中反复检查变形状况。由于管子刚性差，精车时每加工1～2 m，随车移动调整套及中心架位置，并注意冷却液使用以及转速、进刀量，严格控制变形。精车法兰各面，最终留抛光量约0.1 mm。采用百叶轮抛光片精磨外圆，并根据实际情况调整磨削量以及冷却液使用，冷却液喷淋在距离磨削位置约1 m处的已抛光表面，防止变形。掉头装夹，夹持法兰端，以管全长找正，车端部长1 300 mm内孔，保证内外圆同心。

2.4 外套筒各孔加工

粗镗筒身十二个方孔。严格对称加工，不可单个方孔一次加工完成，应多次对称进刀完成加工，防止变形。龙门铣镗床上采用4件压紧的V型铁支撑工件，V形铁通过一次加工保证等高。以管外圆全长找正兼顾法兰，打表测量压紧工件，严格控制压紧量，因为法兰端较重，在其下方加支撑法兰。在装卡完成后，重复测量各找正数据，与压紧前数据比对，合格后方可加工。第一组方孔加工后应松掉装夹，观察变形情况，所有方孔加工完成后，则应在放置数小时后观察变形情况然后重新装夹工件并找正，加工法兰上各孔，注意与方孔相对位置，并确保螺栓孔分度圆与法兰安装止口同心。法兰加工后安装分度工装。分度工装结构：1)两面车加工，确保各圆同心度不大于0.05 mm、厚度方向两面平行度不大于0.05 mm；2)4-φ22孔具体尺寸由外套筒法兰相应位置φ22孔实测尺寸决定，安装时使用带销螺栓固定工装与外套筒法兰；3)各槽及φ22孔由数控龙门铣镗床一次装夹加工完成，确保各角度、位置的准确性。通过该分度工装，找正各角度位置，加工管身上各孔，应采用对称加工，并确保管子上各孔相应角度方位、各相对孔的对称度。加工过程中穿插测量，严格控制。每次加工、找正测量都应保留数据，为下一步加工保留参考数值，以便于后续分析解决问题。加工前应核实加工量，法兰及筒身外形尺寸均考虑按上公差加工。筒身上各螺纹孔应在镗床上定位攻丝，防止攻偏。实时观测加工状态，工件若出现振动则应调整转速、走刀量，待工件状态稳定再恢复常规参数。加工过程中利用自制工装严格控制该件贮存、吊装、周转运输过程，防止变形。