基于石墨電極的防異物板孔系電火花成型工藝

周 琦

（中核龍安有限公司，浙江臺州 318000）

0 引言

防異物板作為核燃料組件不可或缺的重要組成部件，是保障堆內安全的重要一環。目前國內尚未實現自主生產，長期依賴進口[1-2]，相關工藝也成為制約我國組件制造的少數瓶頸之一。為實現防異物板的自主化生產，國內元件制造廠相繼開展了大量研究。嘗試國外廠商采用的電解加工、1/8 黃銅電極電火花成型、激光切割、3D 打印等多種方式，但由于加工機床與電極設計驗證困難、高損低效、指標不良、成本高昂以及存在技術壁壘與國外戰略封鎖等多重因素，始終未取得理想效果和實質進展。本文研究采用自行設計的整體石墨電極電火花成型方式加工防異物板孔系的可行性，旨在打破制約補齊短板，開展防異物板國產化的探索。

1 研究對象特征

核燃料組件通常由壓緊系統、上管座、導向管、定位格架、儀表管、帶繞絲的燃料棒和帶防異物板的下管座等部分組成。防異物板通過銷釘固定在下管座的上端，主要作用是燃料組件在堆內運行時降低冷卻水中異物進入組件內部造成燃料棒包殼破損的幾率，并防范燃料棒下落竄出組件。

為使冷卻水低阻力通過并減小壓降損失，防異物板的水流孔道被設計成矩形通孔，面積需滿足熱工水力學要求，同時保證各局部位置的機械強度和防止異物通過的作用。不同型號燃料組件采用的防異物板類型存在較大差異，表1 給出了某典型防異物板的孔系平面結構數據。其中，1*孔道夾角R 不超過0.5 mm；2*韌帶在橫向寬度一致，在縱向每間隔4 個孔道時的寬度是0.65 mm。

表1 典型防異物板孔系平面結構與基礎數據

該防異物板是厚度3±0.1 mm、邊長206 mm×206 mm 的中心軸對稱正四邊形板件，包括2 個銷釘孔、1 個中心儀表管孔、24 個導向管孔、邊緣部位等部分，管孔呈規律性排布于邊緣部內側，孔道離散分布在邊緣部與管孔之間構成矩陣孔系（圖2）。

圖2 防異物板排布方式

該孔系的技術指標：板件平面度≤0.2 mm；孔道位置度≤0.5 mm；孔道工作面粗糙度Ra≤3.2 μm；孔道面積＜1 mm2。

2 技術難點及可行性分析

圖1 單個水流孔道設計尺寸

防異物板孔系的加工具有結構復雜、數量繁多、分布密集、型腔深微、間距狹窄、工作面要求高等多重困難。原料板件材料為AISI660 時效可硬化奧氏體不銹鋼，是含有大量鉻、鎳、鉬、鈦等穩定化元素的高溫合金。基于板件材料的性能特點，采用銑削、鉆削、沖壓等傳統方式加工孔系極易發生形變且效率低下難以實現，電火花成型方法是少數可選項。

電火花成型適用于各類復雜曲面、深孔、薄壁零部件以及高硬度材料的加工，不依賴機械能量和相對運動切削力去除材料，加工時電極與板件無直接接觸，保持一定間隙，具有不受材料硬度與強度等力學性能限制、無宏觀切削力、可加工任意導電性材料的特點。板件的可加工性主要取決于導電性與熱學特性，能夠采用簡單工具電極利用數控技術實現防異物板孔系的自動化加工。

3 防異物板孔系加工工藝試驗

本研究的方法是設計與防異物板形狀相同的整體石墨工具電極，通過在工作液中與原料板件之間的高壓脈沖性火花放電對材料進行放電腐蝕的電火花成型加工試驗。

3.1 電火花成型加工原理

電火花加工防異物板孔系是在循環過濾的高純高閃點煤油中進行的，煤油充當放電介質起著排屑和冷卻的作用。電極和板件分別接脈沖電源的陰陽兩極，通過伺服系統自動調節進給保持適當距離，脈沖電源將設備電源提供的工頻正弦交流電流轉變成頻率較高的單向脈沖電流施加在兩極之間。極間放電的臨界距離稱為放電間隙，由極間負載電壓、放電面積、噴流狀態和電極尺寸減少量共同決定。

如圖3 所示，當電極與板件達到放電間隙時，兩極間施加的脈沖電壓擊穿工作液產生火花放電。由于放電時間極短，放電的微細通道能量高度集中，放電區壓力急劇變化，瞬時產生溫度高達10 000～12 000 ℃的大量熱能[3]。板件該處表面局部微量的金屬材料立刻熔化甚至汽化蒸發，爆炸式地飛濺到工作液中被迅速冷凝形成固態微粒沖離工作區，板件表面形成一個微小的凹坑。完成一次放電后工作液的絕緣強度恢復，等待緊接著下一次放電。隨著電極不斷向板件進給，反復進行該動作使得板件表面不斷被蝕除，板件上復制出與電極相同的幾何形狀，達到成型加工的目的。

圖3 電火花成型加工原理

3.2 工具電極選擇

為保證防異物板孔系加工的位置度和精度，不宜采用局部電極分步加工。銅電極材質穩固不易損耗掉屑，但相同形態重量遠大于石墨，且黃銅屬于核燃料組件制造適用材料清單中明確禁用的材質。與銅電極與相比，石墨電極具有重量輕易成型、熱學性能穩定、可重復降面使用等優點，符合本試驗工具電極選用準則。

單元電極的實際尺寸應小于孔道的設計尺寸，兩者的差值為電極尺寸的減少量。加工時選擇脈沖能量的大小與該量正相關，量值越大加工效率越高，量值越小加工精度越高，通過多次試驗確定加工效率與加工精度平衡的量值大小。為了避讓裝夾時固定板件的螺母位置，電極相應部位采用通孔設計，有利于加工過程中加工屑、工作液和產生氣泡的排除與流通。

3.3 電規準選擇

脈沖電源提供的整齊高頻方波的峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔3 個電參數組成了電火花加工的電規準，是十分重要的量，選擇不當容易引起極間放電異常。

在與加工特性相關的要素中，工作面粗糙度、加工間隙、加工效率是與單次脈沖能量正相關的，而電極消耗量和加工余量與單次脈沖能量負相關，電規準的選擇與轉換是平衡幾者的決定性因素。本試驗通過大量前序試驗選定了合適的電規準，再據此確定了影響加工過程穩定性的其他工藝參數。

3.4 試驗過程

粗加工階段為了防止開孔與收尾時加工屑飛濺炸傷孔道端口或燒灼板件表面，采用“小—大—小”三段電流進行。搖動加工時工具電極上的每一點都具有相同的運動形式，根據孔道形狀和尺寸精度選擇四角直搖，搖動半徑由單元電極單邊尺寸減少量和粗工工序單邊余量共同決定。

在試驗過程中，隨著孔系加工的進行，累積的電蝕產物逐步增多造成作業環境惡化，放電間隙微細雜質排出受限多次發生不良放電現象，嚴重威脅加工的效率和質量。根據電火花的明亮程度判斷是否發生短路、電弧放電、二次放電等不良現象，針對性調整電規準以維持放電穩定性。隨著加工深度的增加，調節沖液方式促進工作液流通，逐步縮短跳躍時間并增加跳躍高度與跳躍速度，利用電極快速高頻抬升的抽吸作用加速加工間隙電蝕產物的排除。

由于電火花加工的工作面是由很多雜亂無方向性的凹坑與硬凸起組成的，表層在瞬時高溫高壓下滲入的雜質受急劇反復熱脹冷縮形成的應力形變影響產生變質，容易與基體結合不牢固局部脫落。為保證防異物板孔系的加工質量與堆內可靠性，電火花成型加工的板件還需進行草酸侵蝕和拋光打磨處理。

3.5 試驗結果

本試驗可視為正交試驗，具有“均勻分散，齊整可比”的特點，采用5 點取樣法從樣品孔系的每個樣區隨機選取5 個相互獨立的孔道，通過檢測這些具有代表性的孔的特征，判斷整體板件的加工狀況，進而能夠評價工藝方法的可行性。

樣品表面無灼傷、炭黑、變形等外形缺陷，孔道型腔方正，韌帶寬度和工作面均勻，端口部位平滑無突出毛刺和炸傷。使用千分表測出板件平面度為0.13 mm，利用超高精度CCD 檢測儀測得出25 個樣本孔道位置度的均值為0.27 且全部小于0.5，從視覺和觸覺方面與標準樣塊比對得出孔道工作面粗糙度小于3.2 μm，全部符合技術指標。

韌帶寬度是影響型腔尺寸和水流面積的關鍵性指標，以選取孔道的橫縱向單側韌帶的測量值為輸入建立平面坐標系，得出樣品韌帶寬度的尺寸分布如圖4 所示。在該散點分布圖中，代表被選取孔道的韌帶寬度的藍色點全部位于合格區域內且歸聚程度較高，表明樣品的韌帶寬度滿足設計要求。

圖4 樣區孔道韌帶寬度尺寸分布

4 結論

通過分析防異物板的結構特征、材料性能與技術指標等要素，確認傳統機械切削無法完成孔系的加工，提出了石墨電極電火花成型加工防異物板孔系的新方法。通過多次試驗，得出結論：①樣品的各項指標全部符合技術和設計要求；②自行設計的整體石墨電極滿足電火花成型加工防異物板孔系的工藝要求；③采用整體石墨電極電火花成型方式加工防異物板孔系的工藝方法是可行的。