帶封頭的機械貫穿件深孔加工方案選擇
2018-4-24 來源：山東核電設備製造有限公司 作者：胡永清 劉晶 王（wáng）元兵
摘要：機械貫穿件屬於壓（yā）水堆核（hé）電站中鋼製安全殼的一部分，AP1000壓水堆核電站中機械貫穿件的結構與CPR完全不（bú）同。由帶工藝管段的封（fēng）頭(簡稱“封頭”)和保護套管組成，封（fēng）頭是整體鍛件結構，中間為通孔，保（bǎo）護（hù）套管為（wéi）卷（juàn）製（zhì）管或無縫鋼管。封頭的內孔為深孔，形位公差、粗糙度（dù）要（yào）求較高，整體加工難度較大。深孔加（jiā）工時刀杆受孔徑的限製，直徑（jìng）小，長度（dù）大，導致剛性差，強度低，切削時（shí）易產（chǎn）生振動、波紋、錐度，從而影響深孔的直線度和（hé）表麵粗糙度。因此，加工方（fāng）法（fǎ）、運動方式、刀具形式、冷卻方式、加工設備等都對加工質量有（yǒu）至關重要的影響（xiǎng）。該文（wén）通過分析深孔加工的工藝特點，結合機械貫穿件封頭的內（nèi）孔結構形式，確定了封（fēng）頭內孔加（jiā）工的方案，並進行（háng）了設備選型。
關鍵詞：AP1000壓（yā）水堆 機械貫穿件 深孔 加工 設備選型
壓水堆核電站機（jī）械貫穿件是 保證一條或幾（jǐ）條管路穿過反應堆鋼製安 全殼（ké）時（shí），將安全殼內部（bù）與外 部（bù） 流體管 道 連接在一起的關鍵（jiàn）性部件，它屬於反應堆（duī）鋼製安全殼（ké）的一部分。AP1000機械貫（guàn）穿件與CPR機 械（xiè）貫穿件（jiàn） 相比，結 構發 生了變化。由帶有工藝管段的封頭(簡稱（chēng）“封頭”)和保護套管 組成（chéng），封（fēng）頭為整體鍛（duàn）件結構，保護套管為卷（juàn）製管或無縫鋼管（guǎn）。隨管（guǎn）道直徑的變化，機械貫穿件封頭具有多種規格，直徑（jìng）最大為φ965 m m，最小為φ60 m m，長度最長5 012 mm，最短914 mm，最大重量達9 711 kg，最小重量為41.7 kg。封頭中（zhōng）間為（wéi）通孔 且為深孔，形位公差、粗糙度要求 較（jiào）高，加工
難度大。因此，機械貫穿件的加工特（tè）點主要是（shì）封（fēng）頭的加工成型（xíng），特（tè）別是深孔的加工。該文針對A P10 00機械貫穿件封（fēng）頭的結構特點、深孔的加工難點，通（tōng） 過分析加工方法、刀（dāo）具運動形（xíng）式（shì）、冷卻方法對（duì）深孔加工（gōng）質量的（de）影響，明確機械貫穿件加工方案，並據此進行設備選型。
1、AP1000機械貫穿件介紹
1.1 功能介紹
機械貫穿件的設（shè）備功能如下（xià）。
(1)作為工藝管道穿過鋼製（zhì）安全殼和屏蔽廠房的一種設備，既為（wéi）工藝管道的固（gù）定點，又必須保證鋼製安全殼的密封性（xìng）。
(2)施加於安（ān）全殼的機械載荷和溫度不得超過允許值(正常工況（kuàng）下，保證鋼製安全殼溫度不超 過93.3 ℃)，封頭能導出（chū）工藝管道一部（bù）分熱量，使安全殼的局部熱應力減小。
(3)應能承受工藝管（guǎn）道施 加的載荷（hé）及（jí）安全殼大氣壓力載荷。
(4)應能承受工藝管道與安（ān）全殼/屏（píng）蔽廠（chǎng）房間及（jí）安全殼與屏蔽廠房的相對位移。
(5)同時（shí）貫穿鋼製安全殼和（hé）屏蔽廠房的高溫管道，安裝有保護套管（guǎn），防止環廊超壓。
(6)在工藝管道和鋼製安全殼套管（guǎn）(及保護套管，若有)之間（jiān）具有一定空間，能滿足保溫材料（liào）的（de）安裝要求。
(7)貫穿件的（de）封頭與所帶工藝管段為一體化鍛件，減少了在役檢查的工作量。
1.2 結構特點
一個AP10 00機 組（zǔ）有14件機（jī）械（xiè）貫穿件，機械貫穿件主要由封（fēng）頭、保護套 管 組 成，保護 套（tào） 管 焊 接 在 封頭上，如圖（tú）1所示（shì）。封頭均為鍛件，保護套（tào）管有卷製管和無縫鋼管兩種結構形式。封頭的結（jié）構見圖2，為帶有工藝管（guǎn）段的（de）整體鍛件結構（gòu），工（gōng）藝管段部分（fèn）屬於空心薄壁件，粗糙度要（yào）求Ra6.3，直線度、平（píng）行度、垂直 度都 有嚴格的要（yào）求（qiú）。封頭兩端有（yǒu）焊 接坡口，封（fēng）頭段的端部也（yě）有焊接坡口，且封頭段環麵帶有1∶3的錐度。
圖1 AP1000機械貫穿（chuān）件（jiàn）
圖（tú）2 封（fēng）頭結構
2 、機械貫穿件加工難點
機械貫穿件的加工（gōng）特點主（zhǔ）要是封（fēng）頭(整體鍛（duàn）件)的加工（gōng）成（chéng）型，特別是封（fēng）頭深孔（kǒng）的加工。
2.1 封頭的加（jiā）工特點（diǎn）
分析封頭的結構形式及精度要求，封頭的內（nèi）外（wài）圓、端麵（miàn）、封頭段的環麵均需要機加工。其（qí）中（zhōng），封頭外圓加工屬於一般筒體類零件的外圓，加工難度較小，環麵的（de）加工主要靠刀具，加工難度也不大。而內孔的深度較大(內孔尺寸參數見表1)，且長徑比絕大部分都（dōu）超過10，屬於深孔，加工（gōng）難度較大，因（yīn）此（cǐ），封頭的加工難點主（zhǔ）要在於內孔即（jí）深孔的（de）加工。
表1 機（jī）械貫穿件封頭內孔尺（chǐ）寸表(mm)
2.2 深孔加工（gōng）特點
目前，孔（kǒng）的（de）加（jiā）工一般分鑽削和（hé）鏜削兩種 方法，對於一般直徑比較（jiào）大、孔深比較淺的孔來說比較（jiào）適合采用鏜削加工，而 對於直徑較小、孔深較深的孔來說比較適合采用鑽削（xuē）加工。
深孔（kǒng）加工在（zài）機械 加（jiā）工領（lǐng）域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40 %。隨著科學技術的進（jìn）步，新型高強度、高硬度和高價值、難加工的深孔零件不斷出（chū）現，加工工件在加工深度、加（jiā）工精度以及加工效率上要求的不斷提高，使得 深孔加工成為機械 加工的關鍵工序 和加工難點。傳（chuán）統的加工方法越來越 難以滿足甚至根本達不（bú）到現（xiàn）在的深孔加工（gōng）在精度、效率、材 料上的要求。因此，現代深孔加工的工藝、刀具的結構、排屑方式等已成為必須要麵對的問題。
深孔加（jiā）工是一種加工長徑比（即孔深L與孔徑d之比）大於5～10的加工，鑽削加工過程是半封閉的，鑽（zuàn）頭工作部分大多處在已加（jiā）工表麵的包圍中，冷卻條件（jiàn）差（chà），因此深孔加工難（nán）度高，是機（jī）械加工（gōng）中的關鍵性工序。
深孔加工特點如下：(1)刀（dāo）杆（gǎn）受孔徑（jìng）的限製，直徑小，長度大，導致剛性差，強度低，切（qiē）削時易產生振動、波紋、錐度，而影響深孔的直線度和表麵粗糙度；(2)在鑽孔時，冷卻潤（rùn）滑液（yè）在沒有采用（yòng）特 殊裝置的情況下，難（nán）於（yú）輸入到切削區，使刀具耐用度（dù）降低，而且排屑困難；(3)在深孔的加工過程中，不能直接觀察（chá）刀具切削情況，隻能憑工作經驗聽切削時的聲音、看切屑、手摸振（zhèn）動與工（gōng）件溫度、觀儀表(油壓表和電表)，來判（pàn）斷（duàn）切（qiē）削過程是否正常；(4)切屑排（pái）除困難，必須采（cǎi）用可靠的手段進行斷屑及控製切屑的長短與形狀，以（yǐ）利於順利排除，防止切屑堵塞；(5)為了保證深孔在加工過程中順利進行和達（dá）到（dào）所要求（qiú）的加工質量，應增加（jiā）刀（dāo）具內(或 外)排屑裝置、刀具引導和支承裝置（zhì）和高壓冷卻（què）潤滑裝置。
3、 機械貫穿件深孔加（jiā）工方案選擇
3.1 深孔加工分類
深孔加工過程複雜，形式比較多。一般有下麵幾種分類方法。
(1)按其所用刀具分類：可分為實心鑽孔法（毛坯無孔，用切削（xuē）加工出孔的方法（fǎ））、鏜孔法（已有孔，為提高孔的粗糙度及（jí）精度采用的方法）、套料鑽孔法（fǎ）（用空心鑽（zuàn）頭，也稱弧形鑽，加工後毛坯中心（xīn）有一個芯棒殘存的方法）。
(2) 按運動形式（shì）分類：可分為工件旋 轉，刀（dāo）具做（zuò）進給運動；工件不動，刀具旋轉又做進給運動；工件旋轉，刀具既做反向旋轉又做進給運動；工件做旋轉運動與（yǔ）進給運動，刀具不動，這種（zhǒng）形（xíng）式采用不多。
(3)按排屑方法分類：可分為外排屑（切屑從鑽杆外部排出，冷卻液（yè）從鑽杆內部進入、內（nèi）排屑（切屑從鑽（zuàn）杆（gǎn）內部排出，冷卻液從鑽杆外部進入）。
3.2 機械貫穿件深孔加工方案確定
從封頭的內孔尺寸可見，大部 分屬於深孔加工，存（cún）在上述的深孔（kǒng）加工特點，因此，刀具、排屑方式、冷卻方（fāng）式及運動方式均對封頭內孔的（de）加（jiā）工精度（dù）有很大的影響。
(1)從 運動形式進行分析，運（yùn）動形式主要（yào）影響產品的直線度。其中，工件不動，刀具旋轉又做進給運動這種方式，加工過程中工件產生的振動最大，孔的直線度最（zuì）差。工件旋轉，刀具僅做進（jìn）給運動，加工過程中，因為工件旋轉，會抵消一部分切削力，振動相對小些，孔的直線度偏中。工件旋轉，刀具也做反向旋轉又做進（jìn）給 運動，這種情況下，工件（jiàn）與刀具同時旋 轉，會 大大削弱切削力，抖動現 象減少，孔的直線度最好。因此，確定機械貫穿件（jiàn）的深孔（kǒng）鑽鏜 加工方（fāng）式（shì）為工件旋轉，鏜杆旋轉並做進給運動。
(2)從排屑方法（fǎ）進（jìn）行分析（xī）。外排屑方式，即（jí）切（qiē）屑從鑽杆的V型（xíng）槽中排出，冷卻液從鑽杆中間直（zhí）接 進入（rù）切削區。因切屑從鑽杆V型槽排出，勢必會將（jiāng） 鐵屑粘在工件內壁 上，容易產生切屑堵塞，無法順利排出，易造成（chéng） 局 部過熱、刀具折 斷或者孔內壁缺陷等（děng）現象。而（ér）內排屑方式，即切屑經（jīng）過鑽杆內的排屑通道排（pái）除，潤滑冷卻液通過授油器進（jìn）入，潤滑冷卻鑽削區和刀（dāo）具（jù），並（bìng）利用自（zì）身產生的壓力，迫使切屑進入排屑通道，將切屑排出。因切屑從鑽杆內部通道排出，不易造成（chéng）切屑在孔內壁上的（de）粘黏。同時，冷卻液從外部對鑽削（xuē）區及刀具進行冷卻，不（bú）易造成刀具局 部過熱而（ér）發生折斷 現象。因此，確定機（jī）械（xiè）貫穿件深孔鑽削時的排屑方式為內排屑。
(3)對加工過程中使用的刀具形（xíng）式進行分析，根據（jù）不同的工件采用不（bú）同的（de） 加工工藝，這樣才（cái）能保證加工的高效、高精度順利進行。P 2 3/2 4/2 5/2 6 四件封頭的（de）直徑尺寸較大，采購鍛件（jiàn）為空心結構,因此（cǐ），確定（dìng）加工方式為鏜孔法，刀 具 有鏜 頭、精 鏜 頭、鏜（táng） 杆。其 餘 封頭，采 購 鍛 件為實心 結 構。P 0 5/0 7 的 孔 徑 尺（chǐ）寸 很 小，確（què） 定 加（jiā） 工方 式 為實 心（xīn）鑽孔法，刀（dāo）具 有鑽 頭、鏜 頭（tóu）、精 鏜 頭（tóu）、鑽（zuàn） 杆、鏜 杆。其（qí）他 封頭(P09/20/21/22/27/28/44/45)的孔徑尺寸較大（dà），為節省（shěng）成（chéng）本、減少材 料浪（làng）費（fèi），加工深孔時采（cǎi）用套 料鑽孔法，刀具 有（yǒu）套料鑽頭、套料（liào）鑽杆、鏜頭、精鏜頭、鏜杆。
通過（guò）上述分析，最終確定，加工機械貫穿件深孔時，采取刀具和工件（jiàn）同時旋轉的進給方式，內排屑外冷卻的排屑方法，並（bìng）根據工件實際尺寸，定製刀具。能夠保證加工（gōng）質量（liàng），同時可以有效保護刀具（jù），延長刀具壽命。這些因素的確定是保（bǎo）證（zhèng）加工（gōng）精度的前提，如果這些因（yīn）素選擇不恰當，即使操作工人水平很高，設備（bèi）、刀具性（xìng）能（néng）良（liáng）好，都不能保證（zhèng）深孔的精度。
4 、機械貫穿件深孔加工設備選型
綜上分析，機械貫穿件的深孔采取（qǔ）先鑽後鏜的加工（gōng）工（gōng）藝，根據機械貫穿件封頭的結構尺（chǐ）寸，分別確定了運 動 方式、刀具形式、冷卻方式。封頭加工時，為確保（bǎo）內孔精度，加工流程為車外（wài）圓— 鏜內孔— 車外圓。外圓的加工需要在車床上完成，深孔的加工需要在深（shēn）孔（kǒng）加工設備上完（wán）成。對於機械貫穿件P05/07/09/20/21/22/27/28/44/45的封（fēng）頭，公司現有車床（chuáng）可以完成其外圓（yuán）的車削，但需增加深（shēn）孔鑽鏜床來（lái）加工深孔。而 P23/24/25/26的封頭外徑（jìng）大於1米，公司現有車床不能滿足（zú）外圓的加工，且上述一台深孔鑽（zuàn）鏜床的加工範圍也不能覆蓋其內孔尺寸（cùn），因此（cǐ）需要另外增加車床 和鑽鏜 床。若分別購買，費用肯（kěn）定很高（gāo），且工藝實施費時費力（lì）。考慮到鑽鏜床和車床運動機構上的相似性，建議將車、鏜 設計為（wéi）一體結構，即設計一（yī）台深孔車鏜床，在（zài）一台設備上實現（xiàn） 車削和鑽鏜的功能。最終 確定（dìng）機械貫穿件深孔加工設（shè）備為一台（tái）深孔鑽鏜（táng）床和（hé）一台深孔車鏜床。目前，廠家正在按照我們確定的運動方式（shì）、刀具形式、冷卻方式（shì）等製造深孔鑽鏜（táng）床和（hé）深孔車鏜床。
5 、結語
加工工藝不僅直接影響加工精度，而且影響到加工設（shè）備（bèi）本身的結構，因此，必須在購買加工設備之前就明確其加工方案（àn）。該文針對 機械貫穿件的（de）功能、結構（gòu）特點，結合 封頭的深孔加工特點，對影響加（jiā）工精度（dù）的因素進（jìn）行了充分分析。確定了加工深孔的刀具形式、排屑方（fāng）式及運（yùn）動形式，並在此基礎（chǔ）上，進行設（shè）備 選（xuǎn）型。與機床（chuáng）製造廠家達成一致，機械貫穿件深（shēn）孔加工設備正在根據此（cǐ）工藝進行設計製造，專用刀輔具也按照上述確定的（de）刀具形式進行配備。機械貫穿件深孔加工特點的分析、加工方案的選擇、設備的合 理選（xuǎn）型，是產品後續生產（chǎn）非常重（chóng）要的前 提條件，隻有明確了上述內（nèi）容，才能保證產品的順利製造。
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