核主泵導(dǎo)葉制造工藝研究

楊立峰，張韻曾，王文彬，李穎琦，李 聰

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核主泵導(dǎo)葉制造工藝研究

楊立峰1,2，張韻曾1,2，王文彬1,2，李穎琦1,2，李 聰1

（1. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150066；2. 黑龍江省核主泵工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150066）

本文通過對(duì)某核電站主泵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)分析，合理選用導(dǎo)葉的加工設(shè)備、裝卡方法、編程軟件及專用工裝及刀具，找到了最佳加工方案，同時(shí)對(duì)加工工藝方案、程序進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定了導(dǎo)葉三維流道、導(dǎo)葉翼型的最優(yōu)加工方法。

核主泵；導(dǎo)葉；翼型；過流面；球形刀；特殊接長(zhǎng)刀桿

0 前言

反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡(jiǎn)稱核主泵）是壓水堆電站一回路系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其主要作用是驅(qū)動(dòng)冷卻劑在一回路系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。軸封式核主泵導(dǎo)葉是核主泵組成的重要部件之一，如圖1所示為導(dǎo)葉加工時(shí)的裝卡的狀態(tài)，與其工作狀態(tài)相反。上端為進(jìn)水端，下端為出水端。導(dǎo)葉上面與把合在泵殼上的密封體相連，下面與葉輪罩連接，其主要作用是支撐下水導(dǎo)軸承、隔熱體及形成水力流道。導(dǎo)葉主要由外環(huán)1、輪轂2、導(dǎo)葉翼型3及流道4組成。為保證關(guān)鍵零部件的使用壽命和安全性，導(dǎo)葉是由整體鍛件經(jīng)金加工而成，圖示2為導(dǎo)葉訂貨狀態(tài)。

目前，按照核主泵導(dǎo)葉制造工藝研究的成果，我公司先后創(chuàng)造了巴基斯坦恰西瑪300MW核電站核主泵導(dǎo)葉及福清、方家山1000MW核電站項(xiàng)目核主泵導(dǎo)葉，具有很高制造精度，與導(dǎo)葉的理論輪廓度比較，加工時(shí)可留有任何尺寸的余量，并具有生產(chǎn)效率高，對(duì)同類產(chǎn)品通用性好等特點(diǎn)，此研究成果已成功申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。

1 導(dǎo)葉的主要加工部位及難點(diǎn)描述

導(dǎo)葉采用歐標(biāo)材料1.4313鍛造而成，如圖2所 示，主要加工部位為導(dǎo)葉內(nèi)腔及水力通道，水力通道即從導(dǎo)葉進(jìn)水端至導(dǎo)葉出水端水的流道。導(dǎo)葉加工的難點(diǎn)從形狀上說主要是從實(shí)體的導(dǎo)葉鍛件材料上加工出水力通道，每一個(gè)水力通道由導(dǎo)葉外環(huán)、輪轂及導(dǎo)葉翼型組成，所加工出的水力通道必須符合設(shè)計(jì)的3D圖形，滿足水力性能，使從葉輪獲得能量的水經(jīng)過導(dǎo)葉流道能量損失最小，因此，由于此水力通道都是不規(guī)則的形狀，所加工出的導(dǎo)葉翼型成三維扭曲型，如圖3所示。必須要找到刀具通道，才能完成導(dǎo)葉水力通道的加工。導(dǎo)葉葉片的關(guān)鍵加工技術(shù)是采用專用設(shè)計(jì)的特殊刀桿及球形刀，在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上，完成普通數(shù)控機(jī)床無法完成的葉片曲線加工，加工葉片曲面時(shí)，機(jī)床主軸需要在空間多種角度擺動(dòng)加工。導(dǎo)葉加工的難點(diǎn)：對(duì)于導(dǎo)葉材料來講其粘性較大，強(qiáng)度高，塑形好，容易變形，切削抗力大。

2 加工方案及設(shè)備選擇

制定導(dǎo)葉加工方案時(shí)，國(guó)內(nèi)外還沒有比較好的最優(yōu)成型方法可參考，根據(jù)導(dǎo)葉圖紙及其三維圖的分析，對(duì)于導(dǎo)葉翼型加工來說主要可有兩種方案，一個(gè)是臥式加工方案，一個(gè)是立式加工方案，無論哪種方案都需要一個(gè)五軸鏜銑設(shè)備才能完成導(dǎo)葉翼型及其流道的加工。

圖1 導(dǎo)葉加工圖

圖2 導(dǎo)葉毛坯圖

圖3 導(dǎo)葉翼型剖面圖

2.1 臥式加工方案

采用臥式加工方案就是將導(dǎo)葉臥式裝卡，可選擇在帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（B軸）的四軸聯(lián)動(dòng)鏜銑床上，再在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上增加一個(gè)可聯(lián)動(dòng)的回轉(zhuǎn)裝置（C軸），這樣形成一個(gè)具有三個(gè)線性軸分別為X、Y、Z軸和兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸B、C軸共計(jì)5個(gè)軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。

2.2 立式加工方案

采用立式加工方案就是將導(dǎo)葉立式裝卡，需選用帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（B軸）和具有擺角（回轉(zhuǎn)）A軸的鏜銑加工設(shè)備，同時(shí)設(shè)備應(yīng)具有X、Y、Z軸，這樣形成一個(gè)具有三個(gè)線性軸分別為X、Y、Z軸和兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸A、B軸共計(jì)5個(gè)軸聯(lián)動(dòng)的加工中心。

2.3 兩種加工方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

采用臥式加工方案，如圖4所示，優(yōu)點(diǎn)是可采用傳統(tǒng)鏜銑床，導(dǎo)葉臥式裝卡，安裝加工重心低，可直接采用鏜床的Z軸進(jìn)行導(dǎo)葉的銑削，且鏜床的Y軸處于較低工位，鏜桿Z軸剛性好，可進(jìn)行大加工量的去除鐵屑。

圖4 導(dǎo)葉臥式加工圖

缺點(diǎn)是需在鏜床工作臺(tái)上再增加一件可數(shù)控聯(lián)動(dòng)的回轉(zhuǎn)C軸裝置，導(dǎo)葉需在該裝置上任意回轉(zhuǎn)，不同的導(dǎo)葉外徑尺寸需配置不同回轉(zhuǎn)尺寸的裝置。從鏜床設(shè)備本身的參數(shù)來說，一般鏜床的最高轉(zhuǎn)速只有2000r/min，其轉(zhuǎn)速在采用成型球形刀時(shí)無法滿足刀具的線速度要求，還有一點(diǎn)加工困難是銑刀無法加工扭曲的導(dǎo)葉翼型背面的副角部分區(qū)域。從編程上說，由于臥式裝卡，不能對(duì)導(dǎo)葉的圓周方向進(jìn)行定位，即每次重上另一工件時(shí)需要修改程序。

采用立式加工方案，如圖5所示，優(yōu)點(diǎn)是可采用帶A軸的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，只需要制作回轉(zhuǎn)定位工裝胎具，將其安裝在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，定位工裝不需要額外的動(dòng)力，通用性較強(qiáng)，只需制作不同定位工裝胎具即可實(shí)現(xiàn)不同尺寸導(dǎo)葉的加工。另外，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心A銑軸轉(zhuǎn)速很高，可達(dá)5000~7000r/min，可采用高速銑削刀具，生產(chǎn)效率高，減少工件的加工周期。同時(shí)由于A軸可擺角度，再加之使用球形銑刀，這樣可加工到導(dǎo)葉翼型的任意部位。從編程上說，編程相對(duì)臥式要簡(jiǎn)單，即每次重上另一工件時(shí)不用修改程序。

缺點(diǎn)是從圖5加工裝卡上看，擺軸A要升到較高位置，床身、立柱、擺軸A等件顯得其剛度要差些，這樣會(huì)造成加工導(dǎo)葉，尤其是加工比較高的導(dǎo)葉時(shí)，其機(jī)床的剛性、穩(wěn)定性要差。采用這種方案，盡量減少刀具的長(zhǎng)度，因此將減少由于刀具長(zhǎng)度增加所造成的振動(dòng)。A軸外輪廓及設(shè)備立式床身離導(dǎo)葉和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)很近，常常達(dá)到10mm，有時(shí)比10mm還小，這樣會(huì)使導(dǎo)葉與設(shè)備產(chǎn)生干涉，一旦某個(gè)加工程序點(diǎn)出現(xiàn)控制誤差，將使設(shè)備與工件產(chǎn)生碰撞。

圖5 導(dǎo)葉立式加工圖

3 方案實(shí)施過程

根據(jù)以上加工方案及設(shè)備的選擇，綜合考慮決定采用立式加工方案優(yōu)于臥式加工方案，主要采用的加工設(shè)備：數(shù)控立式加工機(jī)床及具有X、Y、Z、A、C軸五軸聯(lián)動(dòng)加工中心。

3.1 在數(shù)控立式加工機(jī)床上加工

如圖6所示，除采用一般粗精加工刀具外，在加工導(dǎo)葉過流表面時(shí)需制作安裝刀具的專用加工刀桿，主要用于切除導(dǎo)葉出水端的鐵屑。

圖6 在數(shù)控立式加工機(jī)床上加工圖

3.2 在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上加工

在數(shù)控立式加工機(jī)床上完成加工后，導(dǎo)葉的主要加工量應(yīng)是在五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上完成的，加工也是最復(fù)雜的，所用到的刀具及刀桿也多種多樣。主要加工步驟與刀具選用如下：

（1）選用粗加工端面銑刀，按葉片的傾斜角度粗銑出一個(gè)垂直于與葉片切線的斜面，轉(zhuǎn)速800r/min，每齒進(jìn)給量0.6mm，目的是便于下一步鉆削，不會(huì)產(chǎn)生讓刀，由于切削量較大，而且是偏銑，在開始進(jìn)行粗切削的時(shí)候需要設(shè)計(jì)強(qiáng)度大的刀柄；

（2）設(shè)計(jì)選用已設(shè)計(jì)好的鉆頭，在垂直于斜面的角度上鉆通型腔通孔，轉(zhuǎn)速500 r/min，每齒進(jìn)給量0.1 mm，同時(shí)注意觀察上述兩步設(shè)備的運(yùn)行是否有異常情況；

（3）用D43L400的面銑刀將鉆好的通孔擴(kuò)大直徑，轉(zhuǎn)速1200r/min，每齒進(jìn)給量0.45 mm，這樣可以 增加加工效率，也有利于更好地排削；

（4）用D63L210的面銑刀進(jìn)行兩個(gè)葉片間的型腔銑削，轉(zhuǎn)速900r/min，每齒進(jìn)給量0.5 mm；

（5）用D63L260的面銑刀加深兩個(gè)葉片間的型腔銑削，轉(zhuǎn)速900r/min，每齒進(jìn)給量0.5 mm；

（6）用D40L350的面銑刀對(duì)導(dǎo)葉葉片進(jìn)口端其中一側(cè)形狀有凹面的葉片倒角進(jìn)行銑削，轉(zhuǎn)速1500 r/min，每齒進(jìn)給量0.5 mm；

（7）用第六步的方法沿著葉片進(jìn)一步加深第六步位置葉片型腔的銑削，參數(shù)相同；

（8）用D63L200的面銑刀對(duì)導(dǎo)葉型腔內(nèi)另一側(cè)形狀有凸起面的葉片靠近外側(cè)圓角進(jìn)行銑削加工；

（9）用D63L200的面銑刀加工導(dǎo)葉型腔內(nèi)第八步加工靠近內(nèi)圓倒角的位置，參數(shù)相同；

（10）用D40L350的面銑刀進(jìn)一步加深第七步銑削，參數(shù)相同；

（11）用D40L350加深第九步位置的銑削，參數(shù)相同；

（12）用D40L350繼續(xù)加深第八步位置的銑削，參數(shù)相同；

（13）用D63L310的面銑刀加深兩個(gè)葉片間的型腔銑，參數(shù)相同；

（14）用D63L350的面銑刀將型腔加工到相通，即到最下部位置；

（15）變換角度，用D40L400的面銑刀加工葉片曲線凹進(jìn)去的中部和下部，直到銑通到底部；

（16）用R8L230的球頭銑刀進(jìn)行葉片邊緣的倒角粗銑；

（17）用R8L230的球頭銑刀進(jìn)行葉片表面的半精銑；

（18）用R8L400對(duì)型腔的中部和底部進(jìn)行五軸半精銑，通過以上十八步對(duì)型腔流道各個(gè)方向的半精銑削，為下一步精銑做好準(zhǔn)備；

（19）用采用安裝在特殊接長(zhǎng)刀桿上的球頭銑刀進(jìn)行五軸五聯(lián)動(dòng)輪廓精銑，轉(zhuǎn)速5000r/min，每齒進(jìn)給量0.15 mm，所用刀桿刀具為專用設(shè)計(jì)的錐形刀柄及可換球頭銑刀，通過五軸聯(lián)動(dòng)精加工葉片型腔和邊緣倒角，沿型腔流道的邊緣走螺旋類似矩形的曲線，從上部到中部再到下部，加工時(shí)五軸五聯(lián)動(dòng)，主軸不斷變換各種角度，同時(shí)工件也在跟隨旋轉(zhuǎn)，按這種方法循環(huán)加工每個(gè)型腔，即加工出完整的導(dǎo)葉翼型及型腔流道；

（20）按照設(shè)計(jì)要求加工所有的孔和槽；

（21）進(jìn)行葉片的打磨，利用轉(zhuǎn)速18000r/min的氣動(dòng)磨機(jī)，分別安裝上千葉輪、纖維碟、纖維輪和羊毛碟對(duì)葉片翼型高點(diǎn)進(jìn)行手工打磨，打磨只去除導(dǎo)葉表面局部有高點(diǎn)的部位，表面粗糙度可以達(dá)到Ra0.8以上，打磨不改變?nèi)~片的形狀和尺寸，只是打磨掉精加工時(shí)的預(yù)留余量。

3.3 采用軟件及編程

軟件采用OPEN MIND公司開發(fā)的HyperMILL軟件，編程是將導(dǎo)葉的三維模型輸入HyperMILL軟件[1]，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上自行開發(fā)葉片編程模塊來編程，利用RCS軟件的后處理模塊對(duì)程序進(jìn)行后處理，后處理后機(jī)床可以對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行識(shí)別。利用CGTECH公司開發(fā)的VERICUT數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，可以真實(shí)的模仿出刀具參數(shù)和NC加工程序?qū)ぜ庸で闆r[2]，是否與設(shè)備碰撞干涉等，可有效地增加工作效率并避免機(jī)床碰撞等事故的發(fā)生。利用上述軟件和五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的設(shè)備及相關(guān)的胎具和各種刀具完整地加工葉片。

3.4 導(dǎo)葉的最終拋光

導(dǎo)葉的葉片加工打磨后，需要進(jìn)行手工拋光。這需要手工操作者具有很高的操作技能。拋光過程中要做到拋光力度均勻，按順序在各個(gè)位置進(jìn)行有序拋光，在葉片表面要做出網(wǎng)狀線條標(biāo)記以作為是否拋光到該位置的控制，拋光時(shí)首先用相應(yīng)粒度的千葉輪及氧化鋁磨碟去除刀痕，去除量在0.10~0.15mm左右，然后用軟質(zhì)非織物磨碟進(jìn)行初拋光，為達(dá)到更加良好的效果最終可用拋光布輪及CD羊毛碟進(jìn)行精拋。

3.5 導(dǎo)葉的測(cè)量

為了判定拋光后的葉片是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可通過關(guān)節(jié)臂等檢測(cè)設(shè)備的掃描與三維模型進(jìn)行比對(duì)，如圖7所示。通過軟件對(duì)比，可以顯示出三維模型與實(shí)際葉片的制造差別，根據(jù)測(cè)量結(jié)果并通過幾次打磨拋光檢測(cè)，最終滿足設(shè)計(jì)要求，拋光檢測(cè)合格后即完成核主泵導(dǎo)葉的加工。

3.6 導(dǎo)葉的滾壓與噴丸

作為一個(gè)完整的導(dǎo)葉加工，在完成導(dǎo)葉的全部金加工序后，還需進(jìn)行滾壓與噴丸，滾壓與噴丸過程需用專用滾壓與噴丸設(shè)備，須嚴(yán)格按照滾壓與噴丸參數(shù)進(jìn)行。

圖7 導(dǎo)葉翼型測(cè)量圖

4 結(jié)論

隨著核主泵導(dǎo)葉檢驗(yàn)測(cè)量最后一序的完成，由我公司獨(dú)立完成設(shè)計(jì)編程和制造工藝的導(dǎo)葉加工圓滿完成，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求。核主泵導(dǎo)葉制造的成功，國(guó)內(nèi)屬首次，同時(shí)也在制造工藝和制造周期上優(yōu)于國(guó)外同行。

目前，按照核主泵導(dǎo)葉制造工藝研究的成果，我公司先后創(chuàng)造了巴基斯坦恰西瑪300MW核電站核主泵導(dǎo)葉及1000MW核電站項(xiàng)目核主泵導(dǎo)葉的制造業(yè)績(jī)，并已在現(xiàn)場(chǎng)投入運(yùn)行，為此積累了一定的加工經(jīng)驗(yàn)，也產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為我國(guó)核主泵國(guó)產(chǎn)化奠定了重要的基礎(chǔ)，促進(jìn)了我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展。

本文介紹了一種軸封式核主泵導(dǎo)葉的加工方法，分析了導(dǎo)葉采用臥式和采用立式加工方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并描述了最終采用立式方案的加工方法更具優(yōu)勢(shì)，可以為核主泵制造廠、為今后類似產(chǎn)品加工提供參考和借鑒。

[1] 張文祥, 韓江. 基于HyperMILL的整體葉輪五軸數(shù)控加工[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2012(6):125-128.

[2] 張?jiān)屏? 基于HYPERMILL葉輪模具母輪加工方法的研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2013(5):34-35.

Analysis and Solving on the Manufacturing Technology of Reactor Coolant Pump Diffuser

YANG Lifeng, ZHANG Yunzeng, WANG Wenbin, LI Yingqi, LI Cong

(1. Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150066, China;2. Engineering Research Center of RCP Heilongjiang Province, Harbin 150066, China)

Through the analysis of diffuser which is used in a nuclear power plant, this article elaborate on the best processing program of diffuser by reasonably choosing the diffuser processing equipment, installed method, programming software, special tools and cutting tool. In order to get best machining method of the diffuser three-dimensional flow-path and the airfoil profiles, the author of this article optimizes the machining process plans and procedures sufficiently.

nuclear reactor coolant pump; diffuser; airfoil profiles; flow-passing surface; sphere-headed cutter; special extension cutter bar

TM623

A

1000-3983(2017)02-0038-04

2016-12-01

楊立峰（1963-），1986年7月畢業(yè)于江蘇大學(xué)水力機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，一直從事小水輪發(fā)電機(jī)組、交直流電機(jī)、核主泵電機(jī)組等產(chǎn)品的制造技術(shù)工作，高級(jí)工程師。

審稿人：鄭時(shí)剛