核主泵導葉制造工藝研究

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

本文通過對某核電站主泵導葉結構分析，合理選用導葉的加工設備、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，同時對加工工藝方案、程序進行了優化，最終確定了導葉三維流道、導葉翼型的最優加工方法。

核主泵；導葉；翼型；過流面；球形刀；特殊接長刀桿

0 前言

反應堆冷卻劑泵（簡稱核主泵）是壓水堆電站一回路系統的重要設備之一，其主要作用是驅動冷卻劑在一回路系統內循環流動。軸封式核主泵導葉是核主泵組成的重要部件之一，如圖1所示為導葉加工時的裝卡的狀態，與其工作狀態相反。上端為進水端，下端為出水端。導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軸承、隔熱體及形成水力流道。導葉主要由外環1、輪轂2、導葉翼型3及流道4組成。為保證關鍵零部件的使用壽命和安全性，導葉是由整體鍛件經金加工而成，圖示2為導葉訂貨狀態。

目前，按照核主泵導葉制造工藝研究的成果，我公司先后創造了巴基斯坦恰西瑪300MW核電站核主泵導葉及福清、方家山1000MW核電站項目核主泵導葉，具有很高制造精度，與導葉的理論輪廓度比較，加工時可留有任何尺寸的余量，并具有生產效率高，對同類產品通用性好等特點，此研究成果已成功申請國家發明專利。

1 導葉的主要加工部位及難點描述

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

2 加工方案及設備選擇

制定導葉加工方案時，國內外還沒有比較好的最優成型方法可參考，根據導葉圖紙及其三維圖的分析，對于導葉翼型加工來說主要可有兩種方案，一個是臥式加工方案，一個是立式加工方案，無論哪種方案都需要一個五軸鏜銑設備才能完成導葉翼型及其流道的加工。

圖1 導葉加工圖

圖2 導葉毛坯圖

圖3 導葉翼型剖面圖

2.1 臥式加工方案

采用臥式加工方案就是將導葉臥式裝卡，可選擇在帶有回轉工作臺（B軸）的四軸聯動鏜銑床上，再在回轉工作臺上增加一個可聯動的回轉裝置（C軸），這樣形成一個具有三個線性軸分別為X、Y、Z軸和兩個回轉軸B、C軸共計5個軸聯動的加工中心。

2.2 立式加工方案

采用立式加工方案就是將導葉立式裝卡，需選用帶有回轉工作臺（B軸）和具有擺角（回轉）A軸的鏜銑加工設備，同時設備應具有X、Y、Z軸，這樣形成一個具有三個線性軸分別為X、Y、Z軸和兩個回轉軸A、B軸共計5個軸聯動的加工中心。

2.3 兩種加工方案優缺點比較

采用臥式加工方案，如圖4所示，優點是可采用傳統鏜銑床，導葉臥式裝卡，安裝加工重心低，可直接采用鏜床的Z軸進行導葉的銑削，且鏜床的Y軸處于較低工位，鏜桿Z軸剛性好，可進行大加工量的去除鐵屑。

圖4 導葉臥式加工圖

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

采用立式加工方案，如圖5所示，優點是可采用帶A軸的五軸聯動加工中心，只需要制作回轉定位工裝胎具，將其安裝在五軸聯動加工中心的回轉工作臺上，定位工裝不需要額外的動力，通用性較強，只需制作不同定位工裝胎具即可實現不同尺寸導葉的加工。另外，五軸聯動加工中心A銑軸轉速很高，可達5000~7000r/min，可采用高速銑削刀具，生產效率高，減少工件的加工周期。同時由于A軸可擺角度，再加之使用球形銑刀，這樣可加工到導葉翼型的任意部位。從編程上說，編程相對臥式要簡單，即每次重上另一工件時不用修改程序。

缺點是從圖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，這樣會造成加工導葉，尤其是加工比較高的導葉時，其機床的剛性、穩定性要差。采用這種方案，盡量減少刀具的長度，因此將減少由于刀具長度增加所造成的振動。A軸外輪廓及設備立式床身離導葉和回轉工作臺很近，常常達到10mm，有時比10mm還小，這樣會使導葉與設備產生干涉，一旦某個加工程序點出現控制誤差，將使設備與工件產生碰撞。

圖5 導葉立式加工圖

3 方案實施過程

根據以上加工方案及設備的選擇，綜合考慮決定采用立式加工方案優于臥式加工方案，主要采用的加工設備：數控立式加工機床及具有X、Y、Z、A、C軸五軸聯動加工中心。

3.1 在數控立式加工機床上加工

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

圖6 在數控立式加工機床上加工圖

3.2 在五軸聯動加工中心上加工

在數控立式加工機床上完成加工后，導葉的主要加工量應是在五軸聯動加工中心上完成的，加工也是最復雜的，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垂直于與葉片切線的斜面，轉速800r/min，每齒進給量0.6mm，目的是便于下一步鉆削，不會產生讓刀，由于切削量較大，而且是偏銑，在開始進行粗切削的時候需要設計強度大的刀柄；

（2）設計選用已設計好的鉆頭，在垂直于斜面的角度上鉆通型腔通孔，轉速500 r/min，每齒進給量0.1 mm，同時注意觀察上述兩步設備的運行是否有異常情況；

（3）用D43L400的面銑刀將鉆好的通孔擴大直徑，轉速1200r/min，每齒進給量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的面銑刀進行兩個葉片間的型腔銑削，轉速900r/min，每齒進給量0.5 mm；

（5）用D63L260的面銑刀加深兩個葉片間的型腔銑削，轉速900r/min，每齒進給量0.5 mm；

（6）用D40L350的面銑刀對導葉葉片進口端其中一側形狀有凹面的葉片倒角進行銑削，轉速1500 r/min，每齒進給量0.5 mm；

（7）用第六步的方法沿著葉片進一步加深第六步位置葉片型腔的銑削，參數相同；

（8）用D63L200的面銑刀對導葉型腔內另一側形狀有凸起面的葉片靠近外側圓角進行銑削加工；

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

（10）用D40L350的面銑刀進一步加深第七步銑削，參數相同；

（11）用D40L350加深第九步位置的銑削，參數相同；

（12）用D40L350繼續加深第八步位置的銑削，參數相同；

（13）用D63L310的面銑刀加深兩個葉片間的型腔銑，參數相同；

（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去的中部和下部，直到銑通到底部；

（16）用R8L230的球頭銑刀進行葉片邊緣的倒角粗銑；

（17）用R8L230的球頭銑刀進行葉片表面的半精銑；

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

（19）用采用安裝在特殊接長刀桿上的球頭銑刀進行五軸五聯動輪廓精銑，轉速5000r/min，每齒進給量0.15 mm，所用刀桿刀具為專用設計的錐形刀柄及可換球頭銑刀，通過五軸聯動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，加工時五軸五聯動，主軸不斷變換各種角度，同時工件也在跟隨旋轉，按這種方法循環加工每個型腔，即加工出完整的導葉翼型及型腔流道；

（20）按照設計要求加工所有的孔和槽；

（21）進行葉片的打磨，利用轉速18000r/min的氣動磨機，分別安裝上千葉輪、纖維碟、纖維輪和羊毛碟對葉片翼型高點進行手工打磨，打磨只去除導葉表面局部有高點的部位，表面粗糙度可以達到Ra0.8以上，打磨不改變葉片的形狀和尺寸，只是打磨掉精加工時的預留余量。

3.3 采用軟件及編程

軟件采用OPEN MIND公司開發的HyperMILL軟件，編程是將導葉的三維模型輸入HyperMILL軟件[1]，我們在此基礎上自行開發葉片編程模塊來編程，利用RCS軟件的后處理模塊對程序進行后處理，后處理后機床可以對數控程序進行識別。利用CGTECH公司開發的VERICUT數控加工仿真系統，可以真實的模仿出刀具參數和NC加工程序對工件加工情況[2]，是否與設備碰撞干涉等，可有效地增加工作效率并避免機床碰撞等事故的發生。利用上述軟件和五軸聯動加工中心的設備及相關的胎具和各種刀具完整地加工葉片。

3.4 導葉的最終拋光

導葉的葉片加工打磨后，需要進行手工拋光。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，按順序在各個位置進行有序拋光，在葉片表面要做出網狀線條標記以作為是否拋光到該位置的控制，拋光時首先用相應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，然后用軟質非織物磨碟進行初拋光，為達到更加良好的效果最終可用拋光布輪及CD羊毛碟進行精拋。

3.5 導葉的測量

為了判定拋光后的葉片是否達到設計要求，可通過關節臂等檢測設備的掃描與三維模型進行比對，如圖7所示。通過軟件對比，可以顯示出三維模型與實際葉片的制造差別，根據測量結果并通過幾次打磨拋光檢測，最終滿足設計要求，拋光檢測合格后即完成核主泵導葉的加工。

3.6 導葉的滾壓與噴丸

作為一個完整的導葉加工，在完成導葉的全部金加工序后，還需進行滾壓與噴丸，滾壓與噴丸過程需用專用滾壓與噴丸設備，須嚴格按照滾壓與噴丸參數進行。

圖7 導葉翼型測量圖

4 結論

隨著核主泵導葉檢驗測量最后一序的完成，由我公司獨立完成設計編程和制造工藝的導葉加工圓滿完成，完全達到了設計技術要求。核主泵導葉制造的成功，國內屬首次，同時也在制造工藝和制造周期上優于國外同行。

目前，按照核主泵導葉制造工藝研究的成果，我公司先后創造了巴基斯坦恰西瑪300MW核電站核主泵導葉及1000MW核電站項目核主泵導葉的制造業績，并已在現場投入運行，為此積累了一定的加工經驗，也產生了巨大的經濟價值。為我國核主泵國產化奠定了重要的基礎，促進了我國核電事業的發展。

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

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

[2] 張云玲. 基于HYPERMILL葉輪模具母輪加工方法的研究[J]. 組合機床與自動化加工技術, 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月畢業于江蘇大學水力機械設計與制造專業，一直從事小水輪發電機組、交直流電機、核主泵電機組等產品的制造技術工作，高級工程師。

審稿人：鄭時剛