帶封頭的機械貫穿件深孔加工方案選擇

胡永清 劉晶 王元兵

摘 要：機械貫穿件屬于壓水堆核電站中鋼制安全殼的一部分，AP1000壓水堆核電站中機械貫穿件的結構與CPR完全不同。由帶工藝管段的封頭（簡稱“封頭”）和保護套管組成，封頭是整體鍛件結構，中間為通孔，保護套管為卷制管或無縫鋼管。封頭的內(nèi)孔為深孔，形位公差、粗糙度要求較高，整體加工難度較大。深孔加工時刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度大，導致剛性差，強度低，切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度，從而影響深孔的直線度和表面粗糙度。因此，加工方法、運動方式、刀具形式、冷卻方式、加工設備等都對加工質(zhì)量有至關重要的影響。該文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，確定了封頭內(nèi)孔加工的方案，并進行了設備選型。

關鍵詞：AP1000壓水堆 機械貫穿件 深孔 加工 設備選型

中圖分類號：TL364 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0063-03

壓水堆核電站機械貫穿件是保證一條或幾條管路穿過反應堆鋼制安全殼時，將安全殼內(nèi)部與外部流體管道連接在一起的關鍵性部件，它屬于反應堆鋼制安全殼的一部分。AP1000機械貫穿件與CPR機械貫穿件相比，結構發(fā)生了變化。由帶有工藝管段的封頭（簡稱“封頭”）和保護套管組成，封頭為整體鍛件結構，保護套管為卷制管或無縫鋼管。隨管道直徑的變化，機械貫穿件封頭具有多種規(guī)格，直徑最大為φ965 mm，最小為φ60 mm，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。封頭中間為通孔且為深孔，形位公差、粗糙度要求較高，加工難度大。因此，機械貫穿件的加工特點主要是封頭的加工成型，特別是深孔的加工。該文針對AP1000機械貫穿件封頭的結構特點、深孔的加工難點，通過分析加工方法、刀具運動形式、冷卻方法對深孔加工質(zhì)量的影響，明確機械貫穿件加工方案，并據(jù)此進行設備選型。

1 AP1000機械貫穿件介紹

1.1 功能介紹

機械貫穿件的設備功能如下。

（1）作為工藝管道穿過鋼制安全殼和屏蔽廠房的一種設備，既為工藝管道的固定點，又必須保證鋼制安全殼的密封性。

（2）施加于安全殼的機械載荷和溫度不得超過允許值（正常工況下，保證鋼制安全殼溫度不超過93.3 ℃），封頭能導出工藝管道一部分熱量，使安全殼的局部熱應力減小。

（3）應能承受工藝管道施加的載荷及安全殼大氣壓力載荷。

（4）應能承受工藝管道與安全殼/屏蔽廠房間及安全殼與屏蔽廠房的相對位移。

（5）同時貫穿鋼制安全殼和屏蔽廠房的高溫管道，安裝有保護套管，防止環(huán)廊超壓。

（6）在工藝管道和鋼制安全殼套管（及保護套管，若有）之間具有一定空間，能滿足保溫材料的安裝要求。

（7）貫穿件的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AP1000機組有14件機械貫穿件，機械貫穿件主要由封頭、保護套管組成，保護套管焊接在封頭上，如圖1所示。封頭均為鍛件，保護套管有卷制管和無縫鋼管兩種結構形式。

封頭的結構見圖2，為帶有工藝管段的整體鍛件結構，工藝管段部分屬于空心薄壁件，粗糙度要求Ra6.3，直線度、平行度、垂直度都有嚴格的要求。封頭兩端有焊接坡口，封頭段的端部也有焊接坡口，且封頭段環(huán)面帶有1∶3的錐度。

2 機械貫穿件加工難點

機械貫穿件的加工特點主要是封頭（整體鍛件）的加工成型，特別是封頭深孔的加工。

2.1 封頭的加工特點

分析封頭的結構形式及精度要求，封頭的內(nèi)外圓、端面、封頭段的環(huán)面均需要機加工。其中，封頭外圓加工屬于一般筒體類零件的外圓，加工難度較小，環(huán)面的加工主要靠刀具，加工難度也不大。而內(nèi)孔的深度較大（內(nèi)孔尺寸參數(shù)見表1），且長徑比絕大部分都超過10，屬于深孔，加工難度較大，因此，封頭的加工難點主要在于內(nèi)孔即深孔的加工。

2.2 深孔加工特點

目前，孔的加工一般分鉆削和鏜削兩種方法，對于一般直徑比較大、孔深比較淺的孔來說比較適合采用鏜削加工，而對于直徑較小、孔深較深的孔來說比較適合采用鉆削加工。

深孔加工在機械加工領域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40%。隨著科學技術的進步，新型高強度、高硬度和高價值、難加工的深孔零件不斷出現(xiàn)，加工工件在加工深度、加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。傳統(tǒng)的加工方法越來越難以滿足甚至根本達不到現(xiàn)在的深孔加工在精度、效率、材料上的要求。因此，現(xiàn)代深孔加工的工藝、刀具的結構、排屑方式等已成為必須要面對的問題。

深孔加工是一種加工長徑比（即孔深L與孔徑d之比）大于5～10的加工，鉆削加工過程是半封閉的，鉆頭工作部分大多處在已加工表面的包圍中，冷卻條件差，因此深孔加工難度高，是機械加工中的關鍵性工序。

深孔加工特點如下：（1）刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度大，導致剛性差，強度低，切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度，而影響深孔的直線度和表面粗糙度；（2）在鉆孔時，冷卻潤滑液在沒有采用特殊裝置的情況下，難于輸入到切削區(qū)，使刀具耐用度降低，而且排屑困難；（3）在深孔的加工過程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經(jīng)驗聽切削時的聲音、看切屑、手摸振動與工件溫度、觀儀表（油壓表和電表），來判斷切削過程是否正常；（4）切屑排除困難，必須采用可靠的手段進行斷屑及控制切屑的長短與形狀，以利于順利排除，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到所要求的加工質(zhì)量，應增加刀具內(nèi)（或外）排屑裝置、刀具引導和支承裝置和高壓冷卻潤滑裝置。

3 機械貫穿件深孔加工方案選擇

3.1 深孔加工分類

深孔加工過程復雜，形式比較多。一般有下面幾種分類方法。

（1）按其所用刀具分類：可分為實心鉆孔法（毛坯無孔，用切削加工出孔的方法）、鏜孔法（已有孔，為提高孔的粗糙度及精度采用的方法）、套料鉆孔法（用空心鉆頭，也稱弧形鉆，加工后毛坯中心有一個芯棒殘存的方法）。

（2）按運動形式分類：可分為工件旋轉，刀具做進給運動；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；工件做旋轉運動與進給運動，刀具不動，這種形式采用不多。

（3）按排屑方法分類：可分為外排屑（切屑從鉆桿外部排出，冷卻液從鉆桿內(nèi)部進入）、內(nèi)排屑（切屑從鉆桿內(nèi)部排出，冷卻液從鉆桿外部進入）。

3.2 機械貫穿件深孔加工方案確定

從封頭的內(nèi)孔尺寸可見，大部分屬于深孔加工，存在上述的深孔加工特點，因此，刀具、排屑方式、冷卻方式及運動方式均對封頭內(nèi)孔的加工精度有很大的影響。

（1）從運動形式進行分析，運動形式主要影響產(chǎn)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(chǎn)生的振動最大，孔的直線度最差。工件旋轉，刀具僅做進給運動，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給運動，這種情況下，工件與刀具同時旋轉，會大大削弱切削力，抖動現(xiàn)象減少，孔的直線度最好。因此，確定機械貫穿件的深孔鉆鏜加工方式為工件旋轉，鏜桿旋轉并做進給運動。

（2）從排屑方法進行分析。外排屑方式，即切屑從鉆桿的V型槽中排出，冷卻液從鉆桿中間直接進入切削區(qū)。因切屑從鉆桿V型槽排出，勢必會將鐵屑粘在工件內(nèi)壁上，容易產(chǎn)生切屑堵塞，無法順利排出，易造成局部過熱、刀具折斷或者孔內(nèi)壁缺陷等現(xiàn)象。而內(nèi)排屑方式，即切屑經(jīng)過鉆桿內(nèi)的排屑通道排除，潤滑冷卻液通過授油器進入，潤滑冷卻鉆削區(qū)和刀具，并利用自身產(chǎn)生的壓力，迫使切屑進入排屑通道，將切屑排出。因切屑從鉆桿內(nèi)部通道排出，不易造成切屑在孔內(nèi)壁上的粘黏。同時，冷卻液從外部對鉆削區(qū)及刀具進行冷卻，不易造成刀具局部過熱而發(fā)生折斷現(xiàn)象。因此，確定機械貫穿件深孔鉆削時的排屑方式為內(nèi)排屑。

（3）對加工過程中使用的刀具形式進行分析，根據(jù)不同的工件采用不同的加工工藝，這樣才能保證加工的高效、高精度順利進行。P23/24/25/26四件封頭的直徑尺寸較大，采購鍛件為空心結構，因此，確定加工方式為鏜孔法，刀具有鏜頭、精鏜頭、鏜桿。其余封頭，采購鍛件為實心結構。P05/07的孔徑尺寸很小，確定加工方式為實心鉆孔法，刀具有鉆頭、鏜頭、精鏜頭、鉆桿、鏜桿。其他封頭（P09/20/21/22/27/28/44/45）的孔徑尺寸較大，為節(jié)省成本、減少材料浪費，加工深孔時采用套料鉆孔法，刀具有套料鉆頭、套料鉆桿、鏜頭、精鏜頭、鏜桿。

通過上述分析，最終確定，加工機械貫穿件深孔時，采取刀具和工件同時旋轉的進給方式，內(nèi)排屑外冷卻的排屑方法，并根據(jù)工件實際尺寸，定制刀具。能夠保證加工質(zhì)量，同時可以有效保護刀具，延長刀具壽命。這些因素的確定是保證加工精度的前提，如果這些因素選擇不恰當，即使操作工人水平很高，設備、刀具性能良好，都不能保證深孔的精度。

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先鉆后鏜的加工工藝，根據(jù)機械貫穿件封頭的結構尺寸，分別確定了運動方式、刀具形式、冷卻方式。封頭加工時，為確保內(nèi)孔精度，加工流程為車外圓— 鏜內(nèi)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孔加工設備上完成。

對于機械貫穿件P05/07/09/20/21/22/27/28/44/45的封頭，公司現(xiàn)有車床可以完成其外圓的車削，但需增加深孔鉆鏜床來加工深孔。而P23/24/25/26的封頭外徑大于1米，公司現(xiàn)有車床不能滿足外圓的加工，且上述一臺深孔鉆鏜床的加工范圍也不能覆蓋其內(nèi)孔尺寸，因此需要另外增加車床和鉆鏜床。若分別購買，費用肯定很高，且工藝實施費時費力?？紤]到鉆鏜床和車床運動機構上的相似性，建議將車、鏜設計為一體結構，即設計一臺深孔車鏜床，在一臺設備上實現(xiàn)車削和鉆鏜的功能。最終確定機械貫穿件深孔加工設備為一臺深孔鉆鏜床和一臺深孔車鏜床。目前，廠家正在按照我們確定的運動方式、刀具形式、冷卻方式等制造深孔鉆鏜床和深孔車鏜床。

5 結語

加工工藝不僅直接影響加工精度，而且影響到加工設備本身的結構，因此，必須在購買加工設備之前就明確其加工方案。該文針對機械貫穿件的功能、結構特點，結合封頭的深孔加工特點，對影響加工精度的因素進行了充分分析。確定了加工深孔的刀具形式、排屑方式及運動形式，并在此基礎上，進行設備選型。與機床制造廠家達成一致，機械貫穿件深孔加工設備正在根據(jù)此工藝進行設計制造，專用刀輔具也按照上述確定的刀具形式進行配備。機械貫穿件深孔加工特點的分析、加工方案的選擇、設備的合理選型，是產(chǎn)品后續(xù)生產(chǎn)非常重要的前提條件，只有明確了上述內(nèi)容，才能保證產(chǎn)品的順利制造。

參考文獻

[1]徐良清.小直徑深孔加工的探討[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2011（1）：51-52.

[2]張?zhí)m萍，楊生元.深孔加工中切削參數(shù)的選擇[J].機械研究與應用，2008，21（3）：122-124.

[3]吳昊川.深孔加工關鍵技術在實際生產(chǎn)中的研究與應用[J].安徽冶金科技職業(yè)學院學報，2010（4）：17-19.