控制棒驅動機構棒行程殼體加工工藝研究*

□ 王肅鵬

上海第一機床廠有限公司 上海 201306

1 研究背景

為提高反應堆的運行安全性和使用壽命，第三代大型先進壓水堆核電站相對于二代加核電站在結構上有諸多改進，其中，作為壓力邊界的控制棒驅動機構關鍵零件——棒行程殼體的精度和可靠性要求高、制造難度大，因此需要專門對其加工工藝難點進行研究。

如圖1所示，控制棒驅動機構耐壓殼體由棒行程殼體和鉤爪殼體兩部分組成。其中，棒行程殼體為長徑比達54、總長超5 m的細長桿，內孔為盲孔結構，屬于耐壓殼體部件壓力邊界的一部分，為核1級零件。為了提高產品合格率，工藝方面需要解決細長桿加工中盲孔和外圓的位置度問題。

通常，細長桿零件采用跟刀架車削法、反向車削法等加工方法。李曉舟等[1-2]采用磁力跟刀架進行車削試驗，并指出磁力跟刀架能增大工藝系統的剛度，提高加工效率和精度。武文革等[3]建立了細長桿彎曲變形模型，用以研究正向和逆向切削的變形情況，發現在同等工況下，逆向車削時的變形及加工誤差遠小于正向車削時的變形及加工誤差。馬文彪[4]建立了細長桿加工誤差理論模型，分析加工過程中誤差形成的原因，發現可伸縮頂尖和反向車削工藝能減小由于桿伸長而附加的軸向力，進而減小變形，但對于盲孔結構的細長桿加工，則需要進一步研究。

圖1 控制棒驅動機構耐壓殼體示意圖

2 棒行程殼體加工方法

如圖2所示，由于細長桿在加工時極易變形，且盲孔結構的位置度要求為φ0.5 mm，因此加工難度大。通常細長桿外圓有三種加工方法：跟刀架輔助支撐加工、添加中心架輔助支撐加工和無支撐加工。跟刀架輔助支撐加工如圖3所示，添加中心架輔助支撐加工如圖4所示。

圖2 棒行程殼體示意圖

圖3 跟刀架輔助支撐加工示意圖

圖4 添加中心架輔助支撐加工示意圖

研究加工工藝時，輔助支撐與零件的配合及位置情況是零件受力的影響因素之一，零件加工中的受力情況則是影響加工精度的主要因素。在實際操作中，操作人員往往依據經驗決定輔助支撐安裝位置和數量，對操作人員的技能要求較高，不利于批量生產?？梢?，需要對各類加工方法建立力學模型進行分析、對比。

3 細長桿加工受力模型

3.1 無支撐卡盤-頂尖裝夾

如圖5所示，細長桿采用卡盤-頂尖裝夾，A端為卡盤，B端為頂尖，E點為車刀切削點。車削方向為從尾架到卡盤方向，工件受到的三向切削力為Fc、Fp、Ff。LB為工件的長度，ZE為卡盤到切削點的距離，FA為XZ平面A點處支撐反力，FB為XZ平面B點處支撐反力，FZ為Z軸方向支撐反力，Fa為YZ平面A點處支撐反力，Fb為YZ平面B點處支撐反力。

圖5 無支撐卡盤-頂尖裝夾受力示意圖

X軸是切削點偏移量的方向,根據材料力學理論，右端B點處支撐反力為：

X軸方向合力為0，有FA=Fp-FB，可得出A點處支撐反力為:

E點受到徑向切削力Fp作用，切削位置X軸方向變形量為：

式中：E為彈性模量；J為截面矩。

3.2 跟刀架輔助支撐卡盤-頂尖裝夾

如圖6所示，在切削點E，由于桿件受到跟刀架和刀具的約束，當跟刀架剛度足夠時，零件理論上撓度為0，因此采用跟刀架支撐，加工軸的理論變形量為0。Fc'、Fp'為E點與切削力對應的支撐反力。

圖6 跟刀架輔助支撐卡盤-頂尖裝夾受力示意圖

3.3 中心架輔助支撐

如圖7所示，A端卡盤夾緊，C端頂尖支承，中間B點添加中心架支撐，Lb為卡盤到中心架的距離。

圖7 中心架輔助支撐受力示意圖

式中：C為取決于被加工材料和切削條件的切削力因數；K為修正因數；x、y、n 為指數；aP為背吃切量；f為進給量；vc為切削速度，vc=πdn1，n1為車床主軸轉速，d=97 mm。

切削參數 aP=1.2 mm，f=0.3 mm/r，n1=195 r/min，根據參考文獻[6-7]，切削參數選擇時應避開工藝系統固有頻率，此處不再詳述。查機械工藝手冊，得C=94，x=0.9，y=0.75，n=0，K=1，將以上參數代入式（4），得：

Fp=440 N

圓環形截面矩為：

式中：D為外圓直徑；α=d/D，d為內徑。

將Fp、J和材料的彈性模量E=195 GPa代入式（3），LB為5 250 mm，計算無支撐情況下的各點加工變形量，列于表1數據第一行，計算得出在無支撐時零件的受力最大變形量達1.524 mm，變形量范圍為0.032 8～1.524 mm，呈現中間變形大、兩頭變形小，這會導致加工出的零件呈現腰鼓形，即參考文獻[8]中的情況。

在距離端面1 800 mm和3 400 mm處設置中心架，并將E、Fp和J代入式（3），計算中心架輔助支撐時的加工變形量，列于表1數據第二行。計算得出中心架輔助支撐加工時零件的變形量范圍為0.009 6～0.064 3 mm。添加中心架輔助支撐與無支撐比較，中心架輔助支撐極大地改善了零件的最大變形量。

根據跟刀架輔助支撐的受力分析，假設跟刀架和刀具裝夾剛度足夠，那么零件加工變形量理論值為0。

根據式（3），增加中心架后，將參與計算的距離從LB變為中心架到卡盤的距離Lb，使加工時零件剛度得到增大，中心架為零件提供額外的約束。

3.4 變形量理論計算

[5]可知，FP經驗公式為：

表1 不同支撐情況下變形量計算值mm

4 有限元分析

對于三種加工方法，在無支撐和中心架輔助支撐兩種情況下，理論計算結果均有變形量。使用ANSYS軟件建立受力有限元分析模型[9]，模擬無支撐和中心架輔助支撐兩種情況下各設定點的變形量。

4.1 無支撐

仿真模擬無支撐情況下細長桿加工，得到各設定點的變形量，并同理論計算值進行對比，見表2?？梢姡谥饕冃螀^域，有限元模擬值與理論計算值接近，結果可以作為細長桿加工中分析受力及變形的依據。圖8為有限元仿真分析輸出的無支撐情況下零件變形云圖。

表2 無支撐變形量對比mm

圖8 無支撐零件變形云圖

4.2 中心架輔助支撐

仿真模擬在1 800 mm和3 400 mm兩處添加中心架輔助支撐進行細長桿加工，得到設定點的變形量，并同各點理論計算的變形量進行對比，見表3。

對比表3，變形量的理論計算值和模擬數據接近，結果可以作為細長桿加工中分析受力及變形的依據。圖9為有限元仿真分析輸出的中心架輔助支撐情況下零件變形云圖。

表3 中心架輔助支撐變形量對比mm

圖9 中心架輔助支撐零件變形云圖

5 受力對比小結

根據細長桿受力分析，對比跟刀架輔助支撐、添加中心架輔助支撐和無支撐三種情況下加工細長桿外圓。

采用跟刀架輔助支撐，跟刀架在切削點采用三爪定位，零件由于受到跟刀架的約束，理論上撓度為0。工件受力引起的位移理論上可以控制為0，因此使用跟刀架輔助支撐的方法能控制細長桿加工變形，但無法進行毛坯件盲孔位置度誤差的糾偏。

無支撐情況下，雖然在兩端裝夾時可以預先設定一個糾偏量，但由于毛坯狀態壁厚差和細長桿受力位移量大，因此不僅無法校正毛坯件盲孔位置度的誤差，而且加工過程中會引起更大的變形，無法滿足零件圖紙的精度要求。

采用中心架輔助支撐，可根據中心架跨距計算得到各點的受力位移量，因此可利用計算得到的受力位移量進行裝夾和毛坯誤差校正，加工細長桿各分段定位基準，以保證基準處盲孔位置度誤差符合要求。

6 工藝方案

6.1 毛坯偏差數據統計

圖10 盲孔位置度測量示意圖

棒行程殼體盲孔位置度測量如圖10所示，沿Z軸方向布置間隔800 mm的7個測量截面，每個截面上布置4個測點，測點間隔90°均布。

精加工前測量盲孔在XZ平面和YZ平面中的各壁厚差，統計結果如圖11所示。在XZ平面和YZ平面中坐標軸的正負值代表壁厚差的方向，可見毛坯件的內外圓位置度誤差呈單向分布，需通過精加工外圓過程進行校正[10]。

圖11 零件壁厚差

6.2 偏差值估算

棒行程殼體加工中需要校正毛坯盲孔偏差，并控制加工中產生的新變形?；谶@兩點，根據細長桿受力分析結果，采用中心架輔助支撐之間的跨距進行分段校正，根據對各分段原始壁厚差和受力位移量，確定不同的裝夾校正量，并加工細長桿各分段定位基準，以校正基準處位置度誤差。加工中采用跟刀架輔助支撐控制加工變形量，偏差估算如下。

（1）中心架輔助支撐校正偏差估算。中心架輔助支撐與機床卡盤組合進行毛坯內外圓位置度偏差分段校正。設置中心架輔助支撐在1 800 mm、3 400 mm處，根據各分段中工件原始最大壁厚差Δ1和受力變形引起基準位移Δ3，分別調整1 800 mm、3 400 mm處的中心架、卡盤、頂尖，進行裝夾校正，校正值為Δ2。0～1 800 mm跨距間各Δ2呈現線性關系，其它兩跨距同理。對校正值Δ2不斷進行迭代計算，使各測點誤差均校正到工藝要求范圍內，即估算壁厚差小于0.4 mm。校正估算結果列于表4，可見，以壁厚差估算加工偏差，所估算的偏差小于圖紙要求。

表4 誤差校正估算結果mm

（2）跟刀架輔助支撐加工偏差估算。跟刀架在切削點采用三爪定位，零件受到跟刀架的約束，因此不考慮刀具受力變化及跟刀架自身的變形量，理論上撓度為0，則工件受力引起的位移理論上控制為0。

（3）工藝方案偏差估算。結合跟刀架和中心架輔助支撐加工的理論偏差，估算結果見表5。與圖紙位置度φ0.5 mm要求比較，可知采用中心架輔助支撐進行校正，并采用跟刀架輔助支撐控制加工變形的工藝方法在理論上可行。

表5 工藝方案偏差估算結果mm

6.3 實測數據

加工中均使用跟刀架輔助支撐，比較有中心架和無中心架輔助支撐情況下的位置度偏差，加工前后的位置度實測數據見表6。

表6 加工前后位置度實測數據mm

分析表6，采用跟刀架輔助支撐，而無中心架輔助支撐的加工方法，加工前后位置度變化不大，說明加工中變形量接近于0，此結果與表5中跟刀架輔助支撐加工偏差估算值近似。

采用跟刀架輔助支撐，且有中心架輔助支撐進行分段校正的加工方法，位置度實測值為0.155～0.268 mm，說明加工后零件位置度誤差均小于φ0.5 mm，且各測點數據較平均，加工精度高，此結果同樣與表5中對應估算值接近。

可見，表6中實測結果與表5中偏差估算結果基本一致，添加中心架輔助支撐可以有效校正零件的位置度誤差，而且添加跟刀架輔助支撐能控制加工過程中的變形量。因此，使用中心架輔助支撐進行校正，加工分段基準，并結合跟刀架輔助支撐，控制外圓加工的變形量，是較好的工藝方案。

7 結論

以第三代核電控制棒驅動機構的關鍵零件棒行程殼體為研究對象，分析棒行程殼體盲孔的位置度要求，針對細長桿加工中易彎曲變形的特點[11]，通過建立細長桿受力模型和ANSYS有限元分析模型，模擬分析中心架輔助支撐、跟刀架輔助支撐和無支撐加工方法的零件受力變形規律。根據受力分析結果進行了加工方法的誤差估算，并將估算結果和加工實測值進行對比、分析，得出以下結論。

（1）采用跟刀架輔助支撐的方法能控制細長桿的加工變形量。

（2）采用中心架輔助支撐，可調節中心架跨距，校正加工細長桿各分段的定位基準，達到校正盲孔位置度的目的。

（3）采用中心架輔助支撐進行校正，再結合跟刀架輔助支撐進行加工，可以控制工件變形的分段校正和分段加工，最終能使棒行程殼體的精度滿足要求。

參考文獻

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