(東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000)

1700MW核電凝汽器管板孔槽加工工藝

王堯 張春定

(東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000)

核電凝汽器端管板孔的加工質量直接影響到脹焊管質量，核電凝汽器端管板孔數(shù)多、孔徑小，每孔內(nèi)加工七圈特殊三角槽，通過試驗和研究分析確定了管孔高速、高質量數(shù)控加工孔和設計制造專用工裝的工藝方法，實現(xiàn)了數(shù)控加工光孔和搖臂鉆床切槽，為換熱器管孔和切槽加工提供了可靠工藝方法。

淺孔鉆；強剛性專用夾具；偏心切槽刀具；刀片重磨

0 引言

核電模塊式凝汽器的端管板孔的加工質量直接影響到后序的脹、焊管口質量,嚴重時會導致機組運行過程中脹、焊口漏水,隨著核電機組單機容量不斷增大、模塊式凝汽器尺寸和結構的增大、管孔數(shù)不斷增多,管孔結構要求不斷提高, 1700MW核電模塊式凝汽器需在每件材質為B265Gr.1/A516Gr.70的復合端管板約12000個孔內(nèi)部加工直徑為Φ21+0.40+0.25的7個60°V型環(huán)形槽,槽深0.4±0.2mm,粗糙度要求Ra6.3,如圖1所示。要提高孔加工質量,必須優(yōu)化加工工藝,大且薄的管板剛性很差,管孔高速高質量加工很困難,公司及國內(nèi)外沒有對此類凝汽器端管板孔高速切削和內(nèi)切槽的經(jīng)驗,且產(chǎn)品要求加工的孔槽數(shù)多,因此更新管孔高速、高質量的加工工藝勢在必行。

圖1 1 7 0 0 MW凝汽器端管板孔內(nèi)開槽

1 工藝方案及過程

1.1 管板孔數(shù)控切屑加工

1.1.1 切削鉆頭的確定

圖2 鉆孔試驗

根據(jù)鈦—鋼復合管板材料的加工工藝性能進行分析,選用了淺孔鉆、鏟鉆等進行了不同參數(shù)的工藝試驗,圖2為正在進行的鉆孔試驗。通過檢測加工孔徑、粗糙度、切削效率、刀具壽命等,確定CoroDrill880機夾式鉆頭(如圖3所示)為最佳鉆頭。由于在數(shù)控八軸鉆上進行鉆孔試驗時,切削力導致復合管板變形,加工后管孔粗糙度差,且刀具壽命低,因此必須設計制造專用夾具。

圖3 CoroDrill880鉆頭

1.1.2 強剛性專用夾具設計制造

核電大尺寸管板在鉆孔前中間無裝夾孔,在周邊壓緊后中部懸空,鉆孔時產(chǎn)生嚴重震動,因此設計了高速鉆專用夾具(見圖4)。

圖4 高速鉆夾具圖

圖4中壓緊螺栓的孔位置根據(jù)產(chǎn)品要求進行預鉆孔,壓緊螺栓可沿機床的X、Y軸方向調整,裝夾中部所有螺栓后,編程考慮避開壓緊孔。

1.1.3 高速鉆孔工藝

根據(jù)多次試驗,選定切削參數(shù),轉速時200m/ min的線速度,0.06mm/r的進給量,內(nèi)冷卻液壓力5MPa,圖5為數(shù)控八軸鉆鉆孔圖。

加工工藝如下：

預鉆所有壓緊孔→壓緊中部所有螺栓→壓緊周邊壓板→按程序鉆第一排管孔→檢驗→鉆第二排→……至完成所有管孔加工。

圖5 數(shù)控八軸鉆鉆孔

1.2 管板孔切槽加工

端管板孔在切槽前,已在數(shù)控多軸鉆床上完成鉆孔加工,為了增加脹管后鈦管與端管板連接的密封性和拉脫力需在端管板孔內(nèi)中部位置切槽。因端管板無法實現(xiàn)旋轉,只能采用旋轉刀具進入孔內(nèi)切槽。根據(jù)公司目前的設備狀況,采用搖臂鉆床是可靠實用的設備,槽的加工尺寸精度只能依靠專用工具來保證,在切槽過程中刀頭切屑運動軌跡如圖6所示。

圖6 切槽過程

首先切槽刀刀頭進入內(nèi)孔(圖6左),鉆床主軸旋轉,刀具主體公轉,此時切槽刀刀頭未與內(nèi)孔接觸。繼續(xù)下壓切槽刀具主體,刀具軸偏心自轉,刀頭徑向伸出對內(nèi)孔進行切削(圖6中)。當切削深度達到要求軸向退出切槽刀具,刀具軸反向自轉,刀頭退出完成切削過程(圖6右)。

要實現(xiàn)上述類型切槽,可采取斜楔式、差動齒輪式、偏心螺旋式、液壓式等工裝結構。

1.2.1 斜楔式

斜楔式切槽器是通過斜楔和滑塊的配合使用,變鉆床軸向運動為徑向進給運動的內(nèi)孔切槽刀具,其工作原理如圖7所示：推桿9受軸向力向右移動時,斜面滑塊6上的刀體5就沿著斜面漸漸伸出,切削扭矩由柱銷3傳遞,當柱銷碰到殼體2的槽底時,環(huán)槽加工到要求深度。卸除推桿上的軸向力后,借彈簧1的作用力使推桿9左移,此時推桿斜面緊壓支承螺釘7,使斜面滑塊連刀體急速退出殼體。

圖7 斜楔式切槽刀具結構圖

1.2.2 齒輪式

圖8 齒輪式切槽刀具原理圖

差動齒輪式內(nèi)孔切槽刀具基本原理如下：圖8中所示的中心O為機床主軸轉動中心,O1為刀桿轉動中心,兩中心的中心距為e,刀尖在A處相對機床主軸轉動中心O處于徑向最小尺寸位置,設刀尖至刀桿轉動中心O1距離為R,則R為刀尖轉動半徑,此時刀尖至機床主軸轉動中心的距離為R-e,則刀尖按半徑R-e繞機床主軸中心O轉動。假定主軸不轉動,只有刀桿轉動,當?shù)都饫@刀桿轉動中心O1轉半圈至B處時,此時刀尖相對機床主軸中心O處于徑向尺寸最大位置,刀尖至主軸轉動中心O的距離為R+e,按半徑R+e繞主軸中心O轉動。刀尖徑向漲出量為R+e-(R-e)= 2e；即若主軸中心與刀桿中心的偏心量為e,則加工沉割槽深度為2e。但刀尖從A轉半圈到B就達到進刀深度2e,這是不可能加工的,因為進刀量不可能這么大,這時要借助差動齒輪機構來完成。此機構的基本原理是機床主軸與刀桿一起轉動,只是刀桿比主軸轉得稍快一點,當轉到一定圈數(shù)后刀桿比主軸多轉半圈,這樣進刀深度2e就均勻地分配在所轉的圈數(shù)上,每圈的進刀量也就可以小到規(guī)定的進刀量,從而完成徑向進刀運動,達到切制內(nèi)孔沉割槽的目的。差動齒輪式內(nèi)孔切槽刀具借助偏心原理在主軸與刀桿的旋轉中加入了差動齒輪,使得主軸與刀具的轉速滿足要求。

1.2.3 偏心螺旋式

圖9 偏心螺旋式切槽刀具簡圖

偏心螺旋式切槽刀具簡圖如圖9所示。具有結構簡單新穎工作可靠和切削效率高等特點,其工作原理如下：鉆床主軸帶動切內(nèi)槽刀具軸向進給,到切槽位置時,被加工零件擋住定位套筒,然后主軸帶動錐柄主體繼續(xù)前進壓縮彈簧,迫使圓柱銷帶動切槽刀沿螺旋槽在偏心孔內(nèi)旋轉。切槽完成后主軸帶動整個刀具退回,由于壓簧的彈力作用使切槽刀先反向旋轉,刀具刀刃退出工件,整個刀具軸向退出,切槽完成。

1.2.4 液壓式

斜楔式、齒輪式、偏心螺旋式、切槽器都是完全采用機械方法來實現(xiàn)切槽功能的,液壓切槽器則是采用液壓傳遞加上機械方法來實現(xiàn)開槽功能轉換的。切槽器在主軸帶動下做軸向運動靠向工件,使切槽器的定位套進入被加工的孔內(nèi),以達到徑向和縱向定位。定位后啟動鉆床,主軸旋轉,并且?guī)忧胁燮骼^續(xù)前進。由于切槽器相對工件已經(jīng)軸向定位,當主軸帶動錐柄繼續(xù)前進時,油缸的容積變小,受壓液體經(jīng)孔道流到油缸中?；钊谑軌阂后w的作用下,帶動刀桿向遠離孔中心方向移動,切槽工作開始,當活塞碰到限位螺釘時,立即停止主軸的軸向進給,至此切槽工作完成。然后主軸帶動切槽器緩慢地做反向運動,先退出槽區(qū),然后退出管板孔,進行下一個孔槽的加工。在切槽的過程中,由于彈簧受到壓縮,所以當主軸退回時在這兩個彈簧的彈力作用下活塞帶動桿首先回到開始切槽的原始位置,然后主軸帶動切槽器退出被加工孔。

1.2.5 方案比較

斜楔式切槽刀具雖然結構簡單可靠,但其刀頭的徑向進給力依靠斜面滑塊來傳遞,因此斜面滑塊的磨損嚴重,使得切槽深度難以保證,其加工穩(wěn)定性不好。

差動齒輪式切槽刀具較斜楔式切槽刀具相比加工精度較高,但由于齒輪傳動比固定,故進刀速度只有一種,要得到不同的進刀速度,需更換齒輪,因此給工人操作帶來了麻煩。

液壓切槽器與機械式切槽器比較,具有操作方便,工作穩(wěn)定,加工范圍大等特點,但其結構較為復雜,成本較高,目前國內(nèi)應用較少。

偏心螺旋式切槽刀具相比其它類型的刀具有如下優(yōu)點：對于槽的位置、深度可以進行調節(jié)；可以根據(jù)槽的形狀來選定刀具；對于一定范圍內(nèi)的孔徑的槽可以共用一套工具來加工；由于刀具的重新磨削不需要改變?nèi)锌谇懈罱嵌?故使用周期較長；刀具安裝拆卸簡便快捷,結構緊湊、體積小、重量輕、通用性好、經(jīng)濟性好。

綜上所述,核電模塊式凝汽器端管板切槽選用偏心螺旋式切槽刀具較為合理。

1.3 偏心螺旋式切槽刀具的設計

1.3.1 偏心螺旋式切槽刀具的工作原理及結構

自動伸縮偏心螺旋式開槽刀具結構如圖10所示,其工作原理如下：將刀具柄與鉆床主軸裝配,鉆床主軸帶動切內(nèi)槽刀具軸向進給,當?shù)角胁畚恢脮r,端管板碳鋼側擋住導向襯套18,鉆床主軸帶動本體7繼續(xù)前進壓縮彈簧8,迫使凸輪銷9帶動刀具軸4沿螺旋槽在偏心孔內(nèi)旋轉,由于刀具軸4與本體7存在一個偏心量,則刀具軸4在旋轉過程中刀具19完成切削運動。切槽完成后主軸帶動整個刀具退回。由于壓縮彈簧8的彈力作用使刀具軸4沿在偏心孔內(nèi)反向旋轉,刀具19退出工件,整個刀具軸向退出,切槽完成。

圖10 偏心螺旋式切槽刀具結構圖

1.3.2 偏心螺旋式開槽刀具的運動公式及推導

偏心螺旋式開槽刀具的切削運動實際是一個以鉆床主軸為公轉的切削運動和一個以刀具軸為自轉的進給運動所合成的復合運動,這兩種旋轉運動是通過在刀具本體上凸輪銷和刀具軸上的偏心螺旋槽相配合來傳遞的。設刀具軸自轉圓心為O,自轉半徑為r,建立坐標系XOY；刀具本體公轉圓心為O',公轉半徑為R,建立坐標系X'O'Y'；偏心距為e；初始角度為θ,如圖11所示。

圖11 偏心螺旋式切槽刀具原理圖

在X'O'Y'坐標系中有：

在XOY坐標系中有：

變換坐標得到：

根據(jù)極坐標公式得到：

將式(3)、(4)代入式(1)得：

則式(5)是切槽刀具刀尖的運動軌跡方程,當θ=0°時,R為最小值,R最小=r-e,此時未切槽；當θ=180°時,R為最大,R最大=r+e,此時切槽深度為最大值,刀具徑向最大行程為R最大-R最小=2e。

圖12 切槽刀具的安裝及調試

1.4 偏心螺旋式切槽刀具的應用

1.4.1 切屑深度的控制及調試方法

切槽刀具的安裝及調試方法如圖12所示：首先準備符合工具本體和加工物的孔徑尺寸、形狀的導向襯套18和刀具19(見圖10),將導向襯套18擰入定位頭16,按照刀具裝配方法,將刀具19裝配到刀具軸4上,用六角扳手將裝配在襯套護圈13上的帶六角孔螺栓14松開,移動襯套護圈13,將刀具19的刃口到導向襯套18基準面的距離設定為規(guī)格尺寸B,然后鎖緊襯套護圈上的帶六角孔螺栓14。

圖13 切槽刀具刻度管

松開套筒11的鎖緊螺母12,將套筒11的斷面移動到刻度管10的最大刻度2.5mm處,在此狀態(tài)下將刀具裝卡柄裝配在搖臂鉆床上并將刀具19放入管板孔內(nèi),下壓刀具裝卡柄,受到明顯阻力下壓不動后,此時刀具19刀頭刃口接觸管板孔內(nèi)壁,記錄此時的套筒11端面在刻度管10處的具體刻度值(如1.4mm),以初始2.5mm減去所記錄的刻度管10處刻度值(1.4mm)為刀具消除間隙量(1.1mm)(即：2.5mm-1.4mm=1.1mm),加上工藝所要求的切割槽深(0.4mm),故將套筒11的端面調整到刻度管10上的1.5mm刻度值處(如圖13所示,即：1.1mm+0.4mm=1.5mm),用鎖緊螺母12固定套筒11的位置,至此切槽準備工作完成。

1.4.2 凝汽器端管板孔內(nèi)切槽及問題分析

將調整完畢后的切槽刀具柄裝入機床主軸,開始切槽,搖臂鉆床轉數(shù)控制在120～160r/min,圖14為鉆床操作者用偏心螺旋式切槽刀具正在對凝汽器端管板進行切槽。切槽時必須從碳鋼側進刀,為防止刀頭對管孔內(nèi)壁損傷,應先將刀頭壓入孔內(nèi),再運行機床。切槽過程中,為保證切槽質量,每個孔的切槽停留時間最好保證15～20s。切槽完成后,先停止鉆床旋轉,再將刀具取出。每切一個槽后,須對刀頭鐵屑進行清理。

圖14 端管板孔內(nèi)切槽

在切槽過程中由于刀頭排屑不暢,刀具在旋轉過程中鐵屑易對管口處造成劃痕,如圖15(a)所示。為保證管孔內(nèi)壁表面光潔度,須每起1個槽就對刀頭鐵屑進行清理。如果在鉆床主軸開啟的情況下,將切槽刀具刀頭伸入端管板孔內(nèi),容易劃傷管孔內(nèi)壁。臺山凝汽器端管板孔內(nèi)要求切7個槽,但如圖15(b)中出現(xiàn)9個槽,最上邊兩個三角槽便是因為在鉆床主軸未停止旋轉時便將刀具伸入孔內(nèi)造成的。故應在鉆床主軸停止旋轉后再將刀頭插入孔內(nèi),壓緊后開啟鉆床,起槽完成后,應先停止主軸旋轉,然后將刀頭緩慢退出端管板孔。

圖16為在改進和優(yōu)化切槽工藝后的無劃痕、表面光潔度良好的端管板內(nèi)孔切槽圖。

圖15 孔內(nèi)劃痕

圖16 切槽完成后的端管板孔

1.4.3 成型刀片重磨

刀具重新修磨時,將磨石相對于鋸齒孔中心和刃口的結合線傾斜約15°(如圖17所示),將鋸齒孔作為中心沿著襯套圓周磨削后,就可以在貼角保持一定的狀態(tài)下進行重新磨削,考慮到便于排屑,也可將刀刃前角部位修磨出一個R弧度。

圖17 刀片重磨

2 結論

隨著汽輪機排氣量的增大,對于凝汽器的制造要求不斷地提高,可以說端管板孔、槽加工技術在凝汽器的制造過程中將會占有重要地位。經(jīng)檢測數(shù)控多軸鉆及偏心螺旋式切槽刀具加工的管板內(nèi)孔圓度、表面粗糙、切槽質量、凝汽器端管板孔脹管后鈦管與端管板連接的密封性和拉脫力均滿足設計要求,保質完成了首臺臺山凝汽器上的共計約24萬個孔槽的切削加工,證明該工藝方案是可行的。

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The Processing for Drilling Holes and Cutting Slots of 1700MW Nuclear Power Condenser Tube Plate

Wang Yao,Zhang Chunding

(Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000)

The processing quality of the nuclear power condenser and tube plate holes can directly affect the quality of pipe expansion and welding.There are an enormousnumber of holesw ith smallaperture inside the tube plate of nuclear power condenser,each hole should be processed w ith seven circles of the special triangular groove inside.The processmethod of drilling holes by highspeed CNC and cutting slotsby radial drillingmachine have been determ ined by testing and analysis,and the special tooling hasbeen designed andmanufactured.Thispaper provides reliable processmethod ofheat exchanger tube hole and grooving for company.

shallow drilling，special tooling w ith strong rigidity，eccentric grooving tools，blade regrinding

王堯(1988-),男,工學學士,助理工程師,2010年畢業(yè)于重慶大學,現(xiàn)從事夾具設計,焊接工藝工作。