大亞灣核電站蒸汽轉換器系統給水泵滾動軸承車削拆卸方法探討

孫智強

（大亞灣核電運營管理有限責任公司維修部，廣東 深圳518124）

1 問題提出

大亞灣核電站2號機組（D2）蒸汽轉換器系統（STR）設有2臺給水泵，1臺運行1臺備用。2007年5月D2STR002PO給水泵運行故障，檢修人員拆卸泵時發現泵非驅動端軸承與軸抱死（圖1），后續檢修活動無法展開。該泵非驅動端軸承為圓錐輥子軸承，現場檢修人員下工作票要求車削取下軸承，并注意保護好軸和軸承室。從圖1、圖2中可以看出，要想將非驅動端軸承從軸承室中車削掉，并要保護好軸和軸承室，需解決2個加工難題：①裝夾：由于STR給水泵泵殼體不規則（圖2），在車床上無法直接用四爪卡盤將泵殼體裝夾牢固，無法車削；②車削：常用滾動軸承套圈和滾動體通常采用強度高、耐磨性好的軸承鋼制造，淬火后表面硬度可達到HRC 60～65。因此，要想將無法拆卸的軸承從軸和軸承室中車削掉，就必須從刀具對被車削材料的力學性能、物理性能及化學性能等方面進行分析，以確保車削的萬無一失。

圖1 軸承室中無法拆卸的軸承Fig.1 Bearings that can not be removed from the bearing room

圖2 不規則的泵殼體Fig.2 Irregular pump housing

2 STR系統簡介

STR系統將主蒸汽經接口送到降壓站降壓至21.82Pa后，進入蒸汽轉換器的蒸發器加熱管束內，把管間的給水加熱成壓力為12Pa、溫度為188℃、最大流量為37t／h的輔助蒸汽。通過輔助蒸汽分配系統（SVA），將低壓輔助蒸汽送往核島和常規島的各用汽設備，然后將其凝結水送回STR除氣箱。除氣箱中的給水通過STR給水泵加壓及主蒸汽凝結水冷卻器的預熱后進入蒸汽發生器殼側，再次被加熱成蒸汽。

STR是核電廠機組不可缺少的關鍵系統，該系統運行的好壞與核安全密不可分。

3 專用拉具的設計、制作及裝夾

STR給水泵殼體不規則，無法在車床上直接進行裝夾。如何裝夾成為能否安全地將軸承從軸和軸承室中車削掉的關鍵因素之一。

3.1 設計要求

（1）必須滿足STR給水泵在車床上裝夾后安全、穩固。

（2）滿足刀具車削時刀具進給的切削力。

（3）安全可靠、易于拆裝并簡便實用，保證泵殼體在車削過程中不能出現任何問題。

3.2 制作

（1）以給水泵泵軸為基準（圖2），車削1個外徑為45mm、長為150mm的軸套，其內螺紋與給水泵泵軸相配，并在軸套上鉆2個M8的頂絲孔。

（2）車制1個外徑為45mm、厚度為20mm的端蓋，中間攻絲M16，與軸套焊接。

（3）切削一截長700mm的M16螺桿，擰入到焊接好的軸套中（圖3）。

圖3 專用拉具Fig.3 Special broach

（4）加工1個中間鉆φ18孔的法蘭。

3.3 與給水泵連接并在機床上裝夾

（1）將STR給水泵泵軸旋入到專用拉具中。

（2）將2個M8的頂絲擰入到泵軸的鍵槽中，防止泵軸與專用拉具旋轉（圖4）。

（3）將不規則的泵殼體在機床四爪卡盤上裝夾找正。

（4）找正后將專用拉具固定在車床主軸上，旋緊螺母，將泵殼體拉緊，保證裝夾泵殼體安全、穩固（圖5）。

圖4 泵軸旋入到專用拉具中Fig.4 Shaft rotation into a dedicated puller

圖5 拉具固定在車床主軸上Fig.5 Puller on the lathe spindle

4 車削刀具的分析與選擇

常用的滾動軸承套圈和滾動體一般采用強度高、耐磨性好的滾動軸承鋼制造，淬火后其表面硬度可達HRC 60～65。要想車削這種高硬度材料，就必須從力學性能、物理性能、化學性能3個方面對車削刀具進行分析。

4.1 力學性能分析

切削刀具與加工對象的力學性能匹配主要是指刀具與工件材料在強度、韌性及硬度等力學性能參數上應相互匹配。不同力學性能的刀具（如高速鋼刀具、硬質合金刀具和超硬刀具等）所適合加工的工件材料有所不同，刀具硬度一般要求在HRC 60以上。高硬度的工件材料必須用更高硬度的刀具來加工。具體的刀具材料參數見表1。

表1 刀具材料參數Table1 Tool material parameters

續表

4.2 物理性能分析

切削刀具與加工對象的物理性能匹配主要是指刀具與工件材料的熔點、彈性模量、導熱系數、熱膨脹系數及相抗熱沖擊性能等物理性能參數應相互匹配。具有不同物理性能的刀具（如高導熱和低熔點的高速鋼刀具、高熔點和低熱脹的陶瓷刀具、高導熱和低熱脹的金剛石刀具等）所適合加工的工件材料不同。加工導熱性差的工件時，應采用導熱性較好的刀具，以使切削熱可迅速傳出而降低切削溫度。

4.3 化學性能分析

刀具的磨損是機械磨損和化學磨損綜合作用的結果。在低速切削時，由于溫度較低，其磨損機制往往表現為磨料磨損；在高速切削時，高溫引起的化學反應、氧化磨損及相擴散磨損則占主導地位。在高溫下工件材料硬度有所下降，使磨料磨損逐漸減小。化學磨損與切削溫度T密切相關，其表達式為：

式中，K為化學磨損量；A為常數；E為由刀具和工件材料組合所決定的活化能；R為氣體常數。

具有不同組分的刀具（如高速鋼刀具、硬質合金刀具和超硬刀具等）所適合加工的工件材料不同。當刀具與工件中的元素化學親和性強（易產生化學反應、相互粘著或擴散）時，應設法回避。

5 車削工藝

滾動軸承很難車削加工。根據對STR給水泵滾動軸承車削加工的難點及特點的分析，憑借多年的加工經驗，采用下列工藝技術，最終完成了滾動軸承的車削。

5.1 研制專用拉具擴大現有機床加工范圍

由于STR給水泵殼體不規則，無法在車床上直接進行裝夾。通過研制專用拉具擴大現有機床加工范圍，解決了泵殼體裝夾的難題，為STR給水泵滾動軸承的車削加工奠定了基礎。

5.2 刀具的選擇

車削加工是機械維修工藝中的主要工序，特別是在設備維修裝卸過程中遇到某些部件無法拆卸時，必須借助于車削加工。與普通車削加工相比，滾動軸承車削拆卸的切削速度低、進給速度慢，切削硬度在HRC 60以上。

長期以來，機械加工刀具材料的選擇方式主要是根據經驗選擇或傳統的試切法。在用試切法加工某一新型材料時，往往需要使用多種刀具材料進行重復切削試驗，研究分析刀具的磨損、破損方式及其原因，通過比較從中選擇最佳的刀具材料。這種方法盲目性大，造成人力、財力、刀具和材料的大量浪費；而根據經驗選擇刀具，往往不能選擇到最佳刀具材料，造成切削加工成本增加、刀具材料資源浪費嚴重。

每種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應一定的工件材料及切削速度范圍。不同刀具或同種刀具加工不同的工件材料時，刀具壽命往往會存在很大的差異。切削刀具與加工對象之間存在合理匹配的問題，如果兩者的力學性能、物理性能和化學性能相匹配，將會獲得較長的刀具壽命和較高的切削加工生產率。根據力學性能、物理性能和化學性能的匹配分析，最終選擇硬質合金刀具車削拆卸滾動軸承。

5.3 刀具角度的選擇

車削過程中滾動軸承的硬度容易導致刀具破碎，因此，應選擇合理的刀具角度。將車刀前角設為8°～12°（普通車刀前角一般為15°），切削刃傾角為10°～18°。減小車刀前角，即增大切削角，可在某種程度上使刀具的切削力增大，但在車刀前角由15°減少到10°時，刀具的切削力增加得很小。增大車刀前角和楔角，可以提高刀刃的鋒利性和刀尖強度。當滾動軸承旋轉帶有沖擊性的負荷時，切削刃的刃傾角為10°～18°可以創造最有利的切削條件：切削時沖擊力的作用點離開了刀尖，可防止刀尖破碎。同時，在主切削刃上開有約1mm寬的負倒棱和約2mm的刀尖圓角以提高刀刃的抗沖擊性能。

5.4 切削用量的選擇

切削用量是衡量切削運動大小的參數，包括切削深度、進給量和切削速度，合理選擇切削用量是保證切削拆卸滾動軸承的前提。

切削深度為工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離，即每次進刀時車刀切入工件的深度，計算公式為：

式中，αP為切削深度，mm；dw為待加工表面直徑，mm；dm為已加工表面直徑，mm。

進給量為工件每轉一轉，車刀沿進給方向移動的距離，是衡量進給運動大小的參數。進給量分縱向進給和橫向進給，縱向進給量指沿車床床身導軌方向的進給量，橫向進給量指垂直于車床床身導軌方向的進給量。

切削速度為主運動的線速度，也可理解為車刀1min內車削工件表面的理論展開直線長度（假定切削無變形或收縮），是衡量主運動大小的參數。計算公式為：

式中，V為切削速度，m／min；d為工件加工表面或刀具選定點的旋轉直徑，mm；n為主運動的轉速，r／min。

根據滾動軸承的特點及車削刀具的選擇，經過對切削用量的計算，最終確定了合理的切削深度為單邊進刀1mm，相應的切削速度約為10m／min，進給量為1.5mm／r。

5.5 切削液的選擇

在車削過程中切削液起到冷卻、潤滑、清洗的作用。合理地選擇切削液是車削拆卸過程中的關鍵環節。在車削時常用的切削液為乳化液和切削油，車削過程中需根據加工性質、工件材料、刀具材料和工藝要求等具體情況合理選用。使用硬質合金刀具加工時，一般不加切削液，但在加工某些硬度高、強度好及導熱性差的特殊材料時，需選用以冷卻為主的切削液。需注意的是，在使用硬質合金刀具車削時使用以乳化液為主的切削液，必須一開始就連續充分地澆注。否則，硬質合金刀片會因驟冷而產生裂紋。

6 結束語

通過研制專用拉具進行裝夾及對車削軸承用刀具、工藝方法等的分析與選擇，成功完成了大亞灣核電站STR系統給水泵滾動軸承的車削拆卸，為今后加工車削軸承鋼等淬火后表面硬度達HRC 60～65的高硬度材料提供了參考與借鑒。