江蘇晨光數控機床有限公司部分前沿技術開發項目簡介

江蘇晨光數控機床有限公司　嚴小林　張　明

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江蘇晨光數控機床有限公司部分前沿技術開發項目簡介

江蘇晨光數控機床有限公司嚴小林張明

核電用堆內構件的加工設備與軟件開發項目

一、項目背景

加快核電建設國產化進程和實現可持續能源發展戰略是《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006～2020）》中提出的16個國家科技重大專項之一。2008年2月15日，國務院常務會議審議通過了高溫氣冷堆核電站重大專項總體實施方案。作為高溫氣冷堆核電站的核心部件，反應堆堆芯部分的制造與安裝被提上日程。

高溫氣冷堆堆芯是主要由炭堆內構件及石墨堆內構件堆砌而成的環形圓柱體。其中，炭堆內構件由含炭及硼的炭塊組成，石墨堆內構件由石墨化的等靜壓炭塊組成。

炭堆內構件位于環形圓柱體的上層、側外層及底層，主要起絕熱作用，分別稱為頂部絕熱層、側炭絕熱層及底絕熱層。頂絕熱層僅1層，共30塊；側炭絕熱層在高度上有40層，徑向上有1層，共1200塊；底絕熱層在高度上有2層，徑向上有3層，共150塊。因此，總計1380件硼炭塊構成了高溫氣冷堆堆芯的絕熱層。

▲ 高溫氣冷核反應堆炭堆內構件自動線

▲ 高溫氣冷堆堆芯（局部）

石墨堆內構件位于炭堆內構件砌成的圓柱體內，主要起反射作用。其中，位于底絕熱層上部的7層為底反射層和熱氣室結構，其徑向上共有3層，外層30塊，中層及內層各15塊，共計420塊，其外形與底絕熱層炭塊相近；在底反射層上部側絕熱層內的43層稱為側反射層，總計1290塊，其外形與底反射層相同；位于頂絕熱層下部的4層稱為頂反射層，徑向上為1層，總計120塊，其外形與頂絕熱層相同。因此，堆芯的反射層由總計1830塊石墨塊構成。

通過計算可以看出，高溫氣冷堆堆芯由3210塊炭塊堆砌而成。這些形狀不盡相同、尺寸各異的炭塊，需要通過機械加工才能實現從毛坯到成品的轉化。但是，采用常規的大型通用加工中心對其進行加工，效率低下，產品質量得不到有效保證，設備投資也較高。而采用自動加工線，可通過設備自動加工與在線檢測，減少操作人員對加工過程及物流傳送的干預，簡化檢驗工序，保證產品的加工質量。

為了解決炭塊的加工問題，江蘇晨光數控機床有限公司承擔了核電用堆內構件的加工設備與軟件開發項目，致力于開發炭塊自動加工線產品。

二、解決方案

晨光公司對所有炭塊進行了結構及加工工藝分析，并研究了刀具、夾具、測試技術及加工環境要求，綜合考慮已應用于機床行業的成熟新技術，在確保加工的高精度和機床長期、可靠使用的前提下，提出了設備方案，最大限度地滿足了用戶需求，使我國炭堆內構件的加工技術達到了國際先進水平。

具體來說，晨光公司的研究人員首先對炭塊的結構及加工要求進行了分析。由于高溫氣冷堆堆芯構件材質特殊，表面硬度高，切削力大，加工設備必須具備足夠高的剛性，以適應強負荷切削。晨光公司對機床的床身、箱體、拖板、工作臺、傳動機構、夾具等主要部件進行了強度及剛度校核，以減小變形對加工精度的影響。此外，堆芯構件的幾何形狀復雜，精度要求較高，因此，晨光公司在設計機床時，按照精密機床的要求設計和選擇配套部件，精加工設備的進給移動副、回轉工作臺均采用了閉環控制系統。在加工過程中，晨光公司還對已加工好的部位進行了尺寸精度、形位精度的在線檢測與判定。為防止構件在運輸過程中發生磕碰、拉傷、掉邊等，晨光公司將對精度要求較高的主要工序盡量集中安排在1臺機床即大型立臥復合多工位加工中心的1次裝夾過程中完成。此外，針對炭塊加工容易對車間環境造成污染等問題，晨光公司在粗加工時盡量去除毛坯余量，采用刮板輸送顆粒料，并采用離心風機負壓除塵。晨光公司還采用人機操作界面，通過CAD/CAM（計算機輔助設計/計算機輔助制造）模擬仿真加工，確認程序符合要求后再進行實體加工，減輕了操作人員的勞動強度，保證了加工質量。

最終，晨光公司通過對堆芯炭塊的結構、精度、加工方法分析及工藝流程的設計，確定高溫氣冷堆堆內構件的炭塊加工方案：采用自動輸送生產線的方式加工側炭絕熱層炭塊；采用自動輸送和半自動輸送相結合的生產線方式加工底絕熱層炭塊；對于頂絕熱層炭塊及通過上述生產線不能完成全部工序的炭塊，采用專用數控機床及復合加工中心進行分工序加工，工序間流轉時增加輔助起吊夾具及轉臺，防止磕碰、劃傷和拉毛等。

三、實施效果

該項目的整套生產設備共包括3條自動加工線，其最后工序均采用1臺大型立臥復合加工中心完成。用戶實際使用驗證表明，該方案加工精度能夠滿足炭塊加工指標要求。

微小群孔的高效復合加工技術及設備研究項目

一、項目背景

航空發動機的渦輪葉片、內外殼體等零部件上分布有成百上千個微小群孔，這些微小群孔的孔徑范圍為0.25mm～1.0mm，且孔的軸線空間角度多變。在發動機運行期間，這些小孔需承受超高溫、高壓氣體的作用，因此，孔的表面加工質量直接影響著整臺發動機的使用壽命。國家高技術研究發展計劃將航空發動機關鍵零件微小群孔高效復合加工技術及裝備列入2013～2016年的科研攻關計劃。南京航空航天大學、西安交通大學、江蘇晨光數控機床有限公司、西安航空發動機（集團）有限公司共同承擔了航空發動機部件微小群孔的加工技術及設備研究項目。

二、解決方案

通過研究，晨光公司等單位的研究人員提出了2種解決方案：電火花加工—電解加工方案，以及激光加工—電解加工解決方案。其中，電火花加工方法或激光加工方法主要用于保證微小群孔的加工精度，而電解加工方法主要用于重鑄層的微量去除，提高微小群孔的表面加工質實現微小群孔的高性能加工。

▲ 大型立臥復合多工位加工中心

最終，在電火花加工—電解加工方案研究方面，研究人員突破了重鑄層高頻脈沖電解加工微量去除控制方法、工具電極內外壁面工作液流場設計、工具電極原位控制技術、電火花加工—電解復合加工參數配比及優化、電火花加工—電解復合加工設備軟件和硬件方案設計、發動機渦輪葉片氣膜孔電火花加工—電解復合制孔技術、電火花加工—電解加工設備的研制等關鍵技術；而在激光加工—電解加工解決方案研究方面，研究人員突破了激光微小群孔加工參數與工藝優化、激光加工渦輪葉片氣膜孔內壁防護方法、激光加工—電解復合加工工藝、激光加工—電解復合加工設備軟件和硬件方案設計、發動機渦輪葉片氣膜孔激光加工—電解復合加工制孔技術、顯微視覺導航與檢測系統開發，以及激光加工—電解復合加工設備研制等關鍵技術。

三、實施效果

測試表明，與傳統加工技術相比，采用該項目解決方案加工的微小群孔的表面質量明顯改善，無重鑄層及微裂紋，加工效率可提高30%以上。

▲ 數控葉片雙刀銑床的結構布局

數控葉片雙刀銑床研究項目

一、項目背景

數控葉片雙刀銑床項目是國家重大科技項目中高檔數控機床與基礎制造裝備專項（04專項）的研究項目，晨光公司受西安交通大學委托，主要負責數控葉片雙刀銑床的研究開發工作。

二、解決方案

晨光公司開發的數控葉片雙刀銑床為12軸9聯動數控高速加工機床，綜合考慮了葉片加工工藝和裝備要求，采用臥式雙面雙工位的結構形式，可實現葉片的對稱同步加工。

在該數控葉片雙刀銑床結構中，工作臺處于2個刀具主軸的中間位置，在床身和工作臺之間設置U1軸，以實現工作臺加工工位與裝夾工位的切換，U1軸采用滾珠絲杠驅動的半閉環控制形式，并設置有加工部位的機械抱閘裝置。在工作臺上設置A軸和a軸轉臺，通過同步驅動，實現工件繞軸的連續回轉運動，A軸和a軸采用雙獨立驅動雙位置反饋同步驅動形式，以減小葉片在加工過程中的扭曲和彎曲變形，在A軸與a軸轉臺端面分別設置夾具定位直口和固定螺孔，用于夾具安裝，A軸與a軸分別設置有獨立的機械抱閘裝置，便于葉片加工過程中的換向和啟停。A軸轉臺直接安裝在工作臺面上，在a軸轉臺與工作臺面之間設置直線軸U2軸，用于調整被加工葉片的長度，U2軸采用滾珠絲杠驅動的半閉環控制形式，并配置機械抱閘裝置，使得A軸與a軸轉臺端面之間的水平距離能夠滿足長度為500mm～1200mm的葉片加工需要。

該數控葉片雙刀銑床的整體結構關于葉片軸線呈對稱分布，在葉片工作臺的前后床身上分別設置沿葉片長度方向運動的X1軸和X2軸立柱，采用滾珠絲杠驅動及光柵反饋的閉環控制形式，合理配置3根導軌，采用具有抱閘裝置的伺服電機。在X1軸的立柱上依次設置Y1軸的滑座和Z1軸的滑枕，在X2軸的立柱上依次設置Y2軸的滑座和Z2軸的滑枕。其中，Y1軸和Y2軸分別配置前后形成封閉合力的4根導軌，Z1軸和Z2軸分別配置上下形成封閉合力的4根導軌，以提高移動部件的剛性。Y1軸和Y2軸均采用雙獨立驅動雙位置反饋的同步驅動形式，并配置雙平衡油缸的重力平衡裝置，以及具有抱閘裝置的伺服電機。Z1軸和Z2軸則分別采用滾珠絲杠驅動及光柵反饋的閉環控制形式，以及具有抱閘裝置的伺服電機驅動機構，以實現Z1軸和Z2軸的運動。

在Z1軸滑塊和Z2軸滑塊的前端面分別設置B1軸刀具擺頭和B2軸刀具擺頭，并在B1軸刀具擺頭和B2軸刀具擺頭上分別設置φ1軸刀具電主軸和φ2軸刀具電主軸，擺頭呈臥式并關于葉片呈對稱分布。

該數控葉片雙刀銑床可加工不銹鋼和鈦合金等材料制造的葉片，可加工葉片的最大回轉直徑為500mm，葉片長度范圍為500mm～1200mm。

三、實施效果

目前，該數控葉片雙刀銑床已基本完成樣機裝配，即將進入聯合調試階段。