带封头的机械贯穿件深孔加工方案选择
2018-4-24 来源：山东核电设备制造有限公司 作者：胡永清 刘晶 王元兵
摘要：机械贯穿件属于压水堆核电站中钢制安全壳的一部分，AP1000压水堆核电站中机械贯穿件的结构与CPR完全不同。由带工艺管段的封头(简称“封头”)和保护套管组成，封头是整体锻件结构，中间为通孔，保护套管为卷制管或无缝钢管。封头的内孔为深孔，形位公差、粗糙度要求较高，整体加工难度较大。深孔加工时刀杆受孔径的限制，直径小，长度大，导致刚性差，强度低，切削时易产生振动、波纹、锥度，从而影响深孔的直线度和表面粗糙度。因此，加工方法、运动方式、刀具形式、冷却方式、加工设备等都对加工质量有至关重要的影响。该文通过分析深孔加工的工艺特点，结合机械贯穿件封头的内孔结构形式，确定了封头内孔加工的方案，并进行了设备选型。
关键词：AP1000压水堆 机械贯穿件 深孔 加工 设备选型
压水堆核电站机械贯穿件是 保证一条或几条管路穿过反应堆钢制安 全壳时，将安全壳内部与外 部 流体管 道 连接在一起的关键性部件，它属于反应堆钢制安全壳的一部分。AP1000机械贯穿件与CPR机 械贯穿件 相比，结 构发 生了变化。由带有工艺管段的封头(简称“封头”)和保护套管 组成，封头为整体锻件结构，保护套管为卷制管或无缝钢管。随管道直径的变化，机械贯穿件封头具有多种规格，直径最大为φ965 m m，最小为φ60 m m，长度最长5 012 mm，最短914 mm，最大重量达9 711 kg，最小重量为41.7 kg。封头中间为通孔 且为深孔，形位公差、粗糙度要求 较高，加工
难度大。因此，机械贯穿件的加工特点主要是封头的加工成型，特别是深孔的加工。该文针对A P10 00机械贯穿件封头的结构特点、深孔的加工难点，通 过分析加工方法、刀具运动形式、冷却方法对深孔加工质量的影响，明确机械贯穿件加工方案，并据此进行设备选型。
1、AP1000机械贯穿件介绍
1.1 功能介绍
机械贯穿件的设备功能如下。
(1)作为工艺管道穿过钢制安全壳和屏蔽厂房的一种设备，既为工艺管道的固定点，又必须保证钢制安全壳的密封性。
(2)施加于安全壳的机械载荷和温度不得超过允许值(正常工况下，保证钢制安全壳温度不超 过93.3 ℃)，封头能导出工艺管道一部分热量，使安全壳的局部热应力减小。
(3)应能承受工艺管道施 加的载荷及安全壳大气压力载荷。
(4)应能承受工艺管道与安全壳/屏蔽厂房间及安全壳与屏蔽厂房的相对位移。
(5)同时贯穿钢制安全壳和屏蔽厂房的高温管道，安装有保护套管，防止环廊超压。
(6)在工艺管道和钢制安全壳套管(及保护套管，若有)之间具有一定空间，能满足保温材料的安装要求。
(7)贯穿件的封头与所带工艺管段为一体化锻件，减少了在役检查的工作量。
1.2 结构特点
一个AP10 00机 组有14件机械贯穿件，机械贯穿件主要由封头、保护套 管 组 成，保护 套 管 焊 接 在 封头上，如图1所示。封头均为锻件，保护套管有卷制管和无缝钢管两种结构形式。封头的结构见图2，为带有工艺管段的整体锻件结构，工艺管段部分属于空心薄壁件，粗糙度要求Ra6.3，直线度、平行度、垂直 度都 有严格的要求。封头两端有焊 接坡口，封头段的端部也有焊接坡口，且封头段环面带有1∶3的锥度。
图1 AP1000机械贯穿件
图2 封头结构
2 、机械贯穿件加工难点
机械贯穿件的加工特点主要是封头(整体锻件)的加工成型，特别是封头深孔的加工。
2.1 封头的加工特点
分析封头的结构形式及精度要求，封头的内外圆、端面、封头段的环面均需要机加工。其中，封头外圆加工属于一般筒体类零件的外圆，加工难度较小，环面的加工主要靠刀具，加工难度也不大。而内孔的深度较大(内孔尺寸参数见表1)，且长径比绝大部分都超过10，属于深孔，加工难度较大，因此，封头的加工难点主要在于内孔即深孔的加工。
表1 机械贯穿件封头内孔尺寸表(mm)
2.2 深孔加工特点
目前，孔的加工一般分钻削和镗削两种 方法，对于一般直径比较大、孔深比较浅的孔来说比较适合采用镗削加工，而 对于直径较小、孔深较深的孔来说比较适合采用钻削加工。
深孔加工在机械 加工领域中占有非常重要的地位，约占孔加工量的40 %。随着科学技术的进步，新型高强度、高硬度和高价值、难加工的深孔零件不断出现，加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不断提高，使得 深孔加工成为机械 加工的关键工序 和加工难点。传统的加工方法越来越 难以满足甚至根本达不到现在的深孔加工在精度、效率、材 料上的要求。因此，现代深孔加工的工艺、刀具的结构、排屑方式等已成为必须要面对的问题。
深孔加工是一种加工长径比（即孔深L与孔径d之比）大于5～10的加工，钻削加工过程是半封闭的，钻头工作部分大多处在已加工表面的包围中，冷却条件差，因此深孔加工难度高，是机械加工中的关键性工序。
深孔加工特点如下：(1)刀杆受孔径的限制，直径小，长度大，导致刚性差，强度低，切削时易产生振动、波纹、锥度，而影响深孔的直线度和表面粗糙度；(2)在钻孔时，冷却润滑液在没有采用特 殊装置的情况下，难于输入到切削区，使刀具耐用度降低，而且排屑困难；(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、看切屑、手摸振动与工件温度、观仪表(油压表和电表)，来判断切削过程是否正常；(4)切屑排除困难，必须采用可靠的手段进行断屑及控制切屑的长短与形状，以利于顺利排除，防止切屑堵塞；(5)为了保证深孔在加工过程中顺利进行和达到所要求的加工质量，应增加刀具内(或 外)排屑装置、刀具引导和支承装置和高压冷却润滑装置。
3、 机械贯穿件深孔加工方案选择
3.1 深孔加工分类
深孔加工过程复杂，形式比较多。一般有下面几种分类方法。
(1)按其所用刀具分类：可分为实心钻孔法（毛坯无孔，用切削加工出孔的方法）、镗孔法（已有孔，为提高孔的粗糙度及精度采用的方法）、套料钻孔法（用空心钻头，也称弧形钻，加工后毛坯中心有一个芯棒残存的方法）。
(2) 按运动形式分类：可分为工件旋 转，刀具做进给运动；工件不动，刀具旋转又做进给运动；工件旋转，刀具既做反向旋转又做进给运动；工件做旋转运动与进给运动，刀具不动，这种形式采用不多。
(3)按排屑方法分类：可分为外排屑（切屑从钻杆外部排出，冷却液从钻杆内部进入、内排屑（切屑从钻杆内部排出，冷却液从钻杆外部进入）。
3.2 机械贯穿件深孔加工方案确定
从封头的内孔尺寸可见，大部 分属于深孔加工，存在上述的深孔加工特点，因此，刀具、排屑方式、冷却方式及运动方式均对封头内孔的加工精度有很大的影响。
(1)从 运动形式进行分析，运动形式主要影响产品的直线度。其中，工件不动，刀具旋转又做进给运动这种方式，加工过程中工件产生的振动最大，孔的直线度最差。工件旋转，刀具仅做进给运动，加工过程中，因为工件旋转，会抵消一部分切削力，振动相对小些，孔的直线度偏中。工件旋转，刀具也做反向旋转又做进给 运动，这种情况下，工件与刀具同时旋 转，会 大大削弱切削力，抖动现 象减少，孔的直线度最好。因此，确定机械贯穿件的深孔钻镗 加工方式为工件旋转，镗杆旋转并做进给运动。
(2)从排屑方法进行分析。外排屑方式，即切屑从钻杆的V型槽中排出，冷却液从钻杆中间直接 进入切削区。因切屑从钻杆V型槽排出，势必会将 铁屑粘在工件内壁 上，容易产生切屑堵塞，无法顺利排出，易造成 局 部过热、刀具折 断或者孔内壁缺陷等现象。而内排屑方式，即切屑经过钻杆内的排屑通道排除，润滑冷却液通过授油器进入，润滑冷却钻削区和刀具，并利用自身产生的压力，迫使切屑进入排屑通道，将切屑排出。因切屑从钻杆内部通道排出，不易造成切屑在孔内壁上的粘黏。同时，冷却液从外部对钻削区及刀具进行冷却，不易造成刀具局 部过热而发生折断 现象。因此，确定机械贯穿件深孔钻削时的排屑方式为内排屑。
(3)对加工过程中使用的刀具形式进行分析，根据不同的工件采用不同的 加工工艺，这样才能保证加工的高效、高精度顺利进行。P 2 3/2 4/2 5/2 6 四件封头的直径尺寸较大，采购锻件为空心结构,因此，确定加工方式为镗孔法，刀 具 有镗 头、精 镗 头、镗 杆。其 余 封头，采 购 锻 件为实心 结 构。P 0 5/0 7 的 孔 径 尺寸 很 小，确 定 加 工方 式 为实 心钻孔法，刀具 有钻 头、镗 头、精 镗 头、钻 杆、镗 杆。其他 封头(P09/20/21/22/27/28/44/45)的孔径尺寸较大，为节省成本、减少材 料浪费，加工深孔时采用套 料钻孔法，刀具 有套料钻头、套料钻杆、镗头、精镗头、镗杆。
通过上述分析，最终确定，加工机械贯穿件深孔时，采取刀具和工件同时旋转的进给方式，内排屑外冷却的排屑方法，并根据工件实际尺寸，定制刀具。能够保证加工质量，同时可以有效保护刀具，延长刀具寿命。这些因素的确定是保证加工精度的前提，如果这些因素选择不恰当，即使操作工人水平很高，设备、刀具性能良好，都不能保证深孔的精度。
4 、机械贯穿件深孔加工设备选型
综上分析，机械贯穿件的深孔采取先钻后镗的加工工艺，根据机械贯穿件封头的结构尺寸，分别确定了运 动 方式、刀具形式、冷却方式。封头加工时，为确保内孔精度，加工流程为车外圆— 镗内孔— 车外圆。外圆的加工需要在车床上完成，深孔的加工需要在深孔加工设备上完成。对于机械贯穿件P05/07/09/20/21/22/27/28/44/45的封头，公司现有车床可以完成其外圆的车削，但需增加深孔钻镗床来加工深孔。而 P23/24/25/26的封头外径大于1米，公司现有车床不能满足外圆的加工，且上述一台深孔钻镗床的加工范围也不能覆盖其内孔尺寸，因此需要另外增加车床 和钻镗 床。若分别购买，费用肯定很高，且工艺实施费时费力。考虑到钻镗床和车床运动机构上的相似性，建议将车、镗 设计为一体结构，即设计一台深孔车镗床，在一台设备上实现 车削和钻镗的功能。最终 确定机械贯穿件深孔加工设备为一台深孔钻镗床和一台深孔车镗床。目前，厂家正在按照我们确定的运动方式、刀具形式、冷却方式等制造深孔钻镗床和深孔车镗床。
5 、结语
加工工艺不仅直接影响加工精度，而且影响到加工设备本身的结构，因此，必须在购买加工设备之前就明确其加工方案。该文针对 机械贯穿件的功能、结构特点，结合 封头的深孔加工特点，对影响加工精度的因素进行了充分分析。确定了加工深孔的刀具形式、排屑方式及运动形式，并在此基础上，进行设备 选型。与机床制造厂家达成一致，机械贯穿件深孔加工设备正在根据此工艺进行设计制造，专用刀辅具也按照上述确定的刀具形式进行配备。机械贯穿件深孔加工特点的分析、加工方案的选择、设备的合 理选型，是产品后续生产非常重要的前 提条件，只有明确了上述内容，才能保证产品的顺利制造。
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