核電穩(wěn)壓器上封頭加工工藝與加工質(zhì)量控制

魏巍

摘 要：核電是一個(gè)國(guó)家科技、工業(yè)實(shí)力的重要體現(xiàn)?，F(xiàn)今在世界上能夠自主設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)核電項(xiàng)目的國(guó)家屈指可數(shù)，我國(guó)的核電項(xiàng)目立足于自主開發(fā)現(xiàn)今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一代和第二代核電的建設(shè)布局，并通過“華龍一號(hào)”積極參與國(guó)際市場(chǎng)的核電競(jìng)標(biāo)。核電工程項(xiàng)目是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，其設(shè)計(jì)、加工制造難度極大。尤其是以核島為代表的設(shè)備更是加工制造的難點(diǎn)。核島壓力容器中的穩(wěn)壓器上封頭屬異型件，其尺寸大、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、硬度高、尺寸公差小，為完成對(duì)于封頭的制造應(yīng)當(dāng)對(duì)其加工難點(diǎn)進(jìn)行梳理、分析，并找出相應(yīng)的加工工藝方案。在完成加工工藝方案制定的同時(shí)，為確保加工工藝的可行性需要通過模擬仿真的方式來對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓器上封頭；加工工藝；加工質(zhì)量

前言

核電與高鐵是我國(guó)高技術(shù)裝備的重要標(biāo)簽，同時(shí)我國(guó)在國(guó)際上所著重推出的中國(guó)制造的名片。通過做好核電和高鐵的技術(shù)和裝備的出口從而帶動(dòng)一大批我國(guó)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的出口。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了加強(qiáng)核電設(shè)計(jì)技術(shù)水平外，做好核電設(shè)備的加工制造工作也是極為重要的。穩(wěn)壓器上封頭是核電壓力容器中極為重要的組成部分，由于其需要在高溫、高壓以及腐蝕的環(huán)境下進(jìn)行工作，為確保核電壓力容器的正常工作需要對(duì)上封頭進(jìn)行高精度的加工?，F(xiàn)今核電穩(wěn)壓器上封頭的毛坯件采用的是整體鍛造所加工成的毛坯鍛件，由于國(guó)內(nèi)在大型鍛件制造能力上的不足，使得所生產(chǎn)出來的上封頭毛坯件重達(dá)32t，而加工完成后的上封頭則僅僅有7.8t左右，封頭加工制造所需要切削的量極大，為做好對(duì)于上封頭的加工需要做好上封頭加工工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，從而最大限度的確保封頭加工的質(zhì)量和效率。

1 穩(wěn)壓器上封頭結(jié)構(gòu)分析

穩(wěn)壓器上封頭整體結(jié)構(gòu)形如一個(gè)半球體上接一個(gè)直管嘴和兩個(gè)斜管嘴，其是一個(gè)異型件，由于球面上所存在的一定角度的管嘴和相關(guān)面的存在使其的加工難度極大。穩(wěn)壓器封頭完成加工后的高度為1408.7mm，球面外半徑為1455mm，內(nèi)球半徑為1375mm，對(duì)于外管嘴部分的尺寸精度要求較高，斜管嘴在平面內(nèi)的27°位置，管嘴角度偏差為±0.1°。對(duì)于內(nèi)外球面、管嘴的加工屬于回轉(zhuǎn)體加工，加工精度要求將誤差控制在0.3mm的區(qū)間范圍內(nèi)。此外，為了滿足無損探傷要求，封頭加工完成后表面的粗糙度需要控制在Ra3.2以內(nèi)。在封頭的加工過程中其難點(diǎn)是做好對(duì)于封頭內(nèi)外球面以及輪廓的精度控制、外管嘴的中心與球體回轉(zhuǎn)中心的同軸度、外管嘴在投影平面內(nèi)27°角度以及管嘴尺寸精度等。在封頭的加工過程中，需要經(jīng)過多道工序，加之封頭的工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工精度高從而使得封頭的加工難度極大。在封頭的加工過程中由于封頭的異型結(jié)構(gòu)會(huì)使得其質(zhì)心不穩(wěn)，這就為封頭裝夾的穩(wěn)定性提出了不小的挑戰(zhàn)。在封頭的加工過程中，對(duì)于封頭的內(nèi)球面及外球面的部分區(qū)域要采用車削加工技術(shù)，剩下的部分采用的是仿形加工技術(shù)，這兩種加工方式中如何做好基準(zhǔn)的精確定位十分困難。

2 封頭加工方案設(shè)計(jì)

封頭屬于異型件，且加工的尺寸、加工的質(zhì)量都較大，為確保封頭的加工質(zhì)量應(yīng)當(dāng)做好封頭加工工藝的設(shè)計(jì)。加工方案的設(shè)計(jì)需要遵循先銑削定位基準(zhǔn)-粗加工-精加工的加工順序，先對(duì)封頭表面進(jìn)行加工后對(duì)管嘴等進(jìn)行加工。在粗加工后需要對(duì)封頭進(jìn)行熱處理，為確保后續(xù)精加工具有足夠的余量，應(yīng)當(dāng)對(duì)封頭先進(jìn)行半精加工，以釋放封頭熱處理所存在的內(nèi)應(yīng)力，避免精加工后因熱應(yīng)力而導(dǎo)致加工變形。綜合封頭的全部加工需求及注意要點(diǎn)后封頭的加工工藝設(shè)計(jì)如下：毛坯件鑄鍛-外形粗車-粗銑-探傷檢測(cè)-熱處理-半精加工-精加工-探傷。粗加工和半精加工時(shí)要對(duì)加工余量進(jìn)行合理的設(shè)置，其關(guān)系到后續(xù)加工的加工效率和加工精度，在封頭毛坯件的粗加工階段，毛坯件的剛性大、余量大，因此無需額外考慮毛坯件加工變形等的因素，采用大切削量進(jìn)行加工即可。在半精加工階段其主要目的是為了消除熱處理，是工件所產(chǎn)生的變形且是后續(xù)精加工的先導(dǎo)，在半精加工時(shí)要為精加工做好裝夾和測(cè)量基準(zhǔn)，因此在加工余量的留取方面要適宜。在精加工階段要做好加工進(jìn)給量的控制，防止加工變形。封頭裝夾方案的設(shè)計(jì)，在外球面的加工中封頭剛性好便于裝夾加工，在精加工階段，封頭的外球面所帶的管嘴將會(huì)對(duì)裝夾帶來極大的困擾，因此，在外球面上設(shè)計(jì)留出高約50mm的裝夾工藝段，此工藝段保留至最后進(jìn)行去除。

在封頭加工工藝的設(shè)計(jì)上，需要根據(jù)不同的加工階段來對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，在粗加工階段由于去除量大且后續(xù)需要進(jìn)行熱處理，因此，對(duì)加工精度不做太多要求。封頭工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何在封頭精加工階段時(shí)確保封頭內(nèi)外球面、直管嘴和斜管嘴圓柱表面、過渡圓弧之間的良好銜接。在封頭精加工階段需要采用先車后銑的加工工序。車削工藝如下：首先將封頭的內(nèi)圓口朝上，使用車削完成對(duì)于封頭內(nèi)球面和端面的車削，在車削中需要注意的是在50mm工藝段外圓處留一段基準(zhǔn)。完成對(duì)于內(nèi)圓面和端面的車削后對(duì)工件進(jìn)行翻身，而后以翻身前所留下的基準(zhǔn)來對(duì)封頭外圓面進(jìn)行找正，在封頭外圓面的車削中首先車削到外球面管嘴的下端區(qū)域。在這一工藝設(shè)計(jì)時(shí)要注意做好封頭外球面、直管嘴圓柱表面、端面以及總高尺寸的留取，各加工尺寸應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格保證滿足封頭設(shè)計(jì)所要求的工藝尺寸和幾何精度要求，這些車削完成的加工尺寸將作為后續(xù)銑削加工的定位和測(cè)量基準(zhǔn)。因此在封頭車削工藝的編制時(shí)要引起足夠的重視。

在封頭外球體的銑削加工工藝中，由于其主要采用的是仿形加工，因此，需要對(duì)封頭外球體按照三個(gè)工位進(jìn)行加工工藝的設(shè)計(jì)。在第一工位，在主銑頭上加裝直角銑頭，用以對(duì)封頭外球面上與車削表面銜接處的銑削加工，銑削尺寸為從封頭斜管嘴圓柱表面與球面交點(diǎn)之間的區(qū)間范圍。在第二工位，在主銑頭上加裝萬能角銑頭，通過使用萬能角銑頭對(duì)封頭球面27°斜管嘴端面、管嘴外圓柱面以及斜管嘴與封頭半球面之間的過渡圓弧及封頭球面一部分的銑削加工，完成了對(duì)于封頭一側(cè)斜管嘴的加工后，需要將工件反轉(zhuǎn)至另一側(cè)重復(fù)上述加工工藝完成對(duì)于封頭上另一斜管嘴的加工。在第三工位，通過在機(jī)床銑頭上加裝延伸銑頭對(duì)封頭上的直管嘴端面、圓柱表面、過渡圓弧以及封頭中的一部分外球面進(jìn)行加工。在封頭精加工工藝的編制上需要通過UGCAM對(duì)加工時(shí)刀軌跡進(jìn)行模擬，以確保封頭精加工時(shí)不會(huì)受到周邊管嘴等的干涉。在封頭精加工時(shí)為確保封頭的加工質(zhì)量，需要采用邊加工、邊測(cè)量的方式，以確保封頭的加工質(zhì)量。在精加工階段除了需要滿足工件所標(biāo)注的設(shè)計(jì)精度尺寸及表面質(zhì)量外，還需要注意防止加工變形，在加工時(shí)采取小銑削量的加工方式，特別是在封頭銑削加工的最后光刀時(shí)要加強(qiáng)對(duì)于封頭加工質(zhì)量的控制。

3 結(jié)束語

穩(wěn)壓器上封頭是核電壓力容器設(shè)備中的重要組成部分。其具有重量大、銑削量多、加工精度要求高等的特點(diǎn)，為做好對(duì)于封頭的精密加工，除了做好對(duì)于封頭加工工藝的設(shè)計(jì)外，在封頭的加工過程中需要注意采取合理的措施，加強(qiáng)對(duì)于封頭加工質(zhì)量的控制。在封頭加工裝夾環(huán)節(jié)，由于封頭外球面上所存在的直管嘴和斜管嘴的影響，需要在封頭外球面上留有加工環(huán)直至最后。此外，在封頭加工的過程中會(huì)經(jīng)歷車、銑、鏜等多道加工工序，為保證各工序之間的有序銜接及加工精度，在封頭加工的過程中應(yīng)當(dāng)留好相應(yīng)的加工基準(zhǔn)面，各道加工工序要以基準(zhǔn)面為基礎(chǔ)完成后續(xù)加工，以確保封頭的加工質(zhì)量。

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