反應堆壓力容器出口接管雙馬鞍型曲面加工研究

吳澤波,朱殿瑞,胡瑞斌

(1太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024；2太原重工股份有限公司 冶金設備分公司，山西 太原 030024；)

0 前言

進出口接管作為核電壓力容器與外界唯一的連接口，其運行期間受高溫、高壓、中子輻照及高低溫疲勞載荷作用，安全性能要求極高，是核電站中關鍵零部件[1-5]。進出口接管與壓力容器連接部分為馬鞍型雙曲面結構，屬于復雜自由空間曲面。同時，根據核電標準ISO-9000要求，進出口接管加工表面不允許存在加工硬化、補焊等現象，對零件的表面質量要求非常嚴格，這導致零件加工制造難度大，廢品率高。

由于國外對核電關鍵零部件的加工制造技術對我國實行嚴格技術封鎖，難以查到核電進出口接管數控加工規劃方面的相關外文文獻。

關于核電核心零部件異形曲面的加工，國內華東理工大學的張振中[6]等人在NURBS方法基礎上建立環形銑刀加工曲面的局部運動幾何學模型，并采用加工域并行規劃法進行刀具軌跡規劃。上海電機學院的歐陽華兵[7]等人提出了針對不同的加工區域分別采用不同的加工路線，并采用插銑策略進行加工。燕山大學的張志良[8]研究了太重集團內部科研立項：海洋核動力平臺反應堆壓力容器開發項目(20141003)電封頭半精加工及精加工階段刀具路徑規劃問題，通過對孤島及曲面邊界位置的處理，給出了基于適應性空間填充曲線法的刀具路徑生成算法。綜上所述，目前關于核電設備異形曲面的加工研究，主要集中在刀具軌跡生成策略上，對切削軌跡對零件質量影響提及的較少。

本文以該項目海洋核動力平臺示范工程項目為依托，對進出口接管的加工制造進行了分析研究[9-15]。

1 工藝難點分析

雙馬鞍型曲面結構特殊，如圖1所示，圖中R20內圓弧與外徑夾角呈銳角，影響加工刀具的選用及進給切削。由于空間狹小，造成排屑困難，散熱效果差等不利因素[16-18]。極易形成加工硬化等表面缺陷。

圖1 核電雙馬鞍型曲面出口接管

如圖2所示為在XOY馬鞍型拋物線中，R20圓弧根部高低點的最大偏差為33.2 mm，在刀具半徑和切削參數不變的情況下，加工過程中存在過切現象。

為保證加工質量，根據零件結構及要求，需合理分析工件材質，建立合理的加工工藝方案。

圖2 雙馬鞍型曲面粗加工UG仿真走刀

2 工藝方案建立

2.1 材料分析

根據ASME鍋爐及壓力容器規范要求規定[19-20]，SA-508 Gr.3 Cl.1材料含碳量不大于0.25%，屬于低碳鋼。力學性能要求：抗拉強度550～725 MPa，屈服強度345 MPa，伸長率18%，斷面收縮率38%。材料含碳量較低，調質處理后硬度按抗拉強度計算為165～212 HBW。

從力學性能角度分析，SA-508 Gr.3 Cl.1的材質硬度低，塑性大。根據加工硬化定理，工件的加工硬化是加工過程中工件塑性變形造成晶格畸變而硬度提高的表現，塑性越大，形成加工硬化的可能性越高。可以判斷該SA-508 Gr.3 Cl.1在加工時容易產生加工硬化。

切削力是影響加工硬化的關鍵因素之一，切削力的大小直接決定了材料的塑性變形量，塑性變形量越大，表面硬化程度越嚴重。另外提高切削過程中的溫度，可有效降低加工硬化產生。這是因為在一定條件下，切削熱會軟化加工硬化層。

按切削性能分析，為確定合理的切削參數。以材料硬度作為對比依據，根據重型機械標準手冊，將SA-508 Gr.3 Cl.1與35鋼、20Cr進行比較，見表1。

表1 切削性能對比

通過表1對比分析，SA-508 Gr.3 Cl.1材質的單位切削力為35鋼和20Cr鋼之間。因此在加工過程中，其進給量相對于20Cr應適當降低，初步確定為0.35 mm/z，并適當減小刀具前角。

對比SA-508 Gr.3 Cl.1導熱率情況，可以看出，SA-508Gr.3.Cl.1切削熱明顯低高于35鋼，為防止切削溫度過高而導致工件表面材料性能發生變化，需要通過調整加工參數，以降低加工時切削溫度。

已知影響切削溫度的主要因素包括切削速度和進給量：切削速度越快，單位時間內參與變形的金屬量增加而使消耗的功率增大，切削溫度升高。但過高的切削溫度會造成工件表面材料性能的變化，造成工件表面出現燒傷現象。因此，應將切削速度提升并控制在規定切削速度的120%左右。35鋼的切削速度通常為200 r/min，結合表1熱導率對比，暫定SA-508 Gr.3 Cl.1雙曲面的切削速度為230 r/min。

另外，進給量越大，鐵屑帶有的熱量也多，同樣會影響切削溫度，應適當降低進給量。

2.2 走刀方式

接管結構相對復雜，粗加工時，在防止過切的情況下，需反復空走刀。同時由于切削環境較封閉，宜選取銑刀直徑相對大一點，適當降低主軸轉速。

由于切削余量不均勻，粗加工的走刀方式可通過對部件幾何體偏置來產生一系列仿形的刀軌，如圖3所示，以防止切削時因吃刀深度變化而產生的缺陷。

圖3 雙馬鞍型曲面精加工UG仿真走刀

在精加工時，為避免過切現象的發生，走刀方式如圖3所示。從圖3中可以看出，由于出口接管馬鞍形面粗加工無法對其根部圓弧角清根，精加工時，在增加相關約束后，利用球頭銑刀沿著馬鞍形面軸向走刀，以中心孔為基點360°旋轉加工。在滿足加工要求的同時，增加走刀量以提高表面切削熱，從而降低了加工硬化。

2.3 刀具選擇

SA-508 Gr.3 Cl.1的切削性能與35鋼很相似，切屑力相對較低，塑性高，不宜選取硬度過高的刀具。刀具的選擇應具備良好的韌性和耐熱耐磨性。高速鋼刀具韌性較好但耐磨性差，鎢鈷類硬質合金耐磨性強但耐熱性較差，因此建議選用鎢鈦類硬質合金刀具。

在加工SA-508 Gr.3 Cl.1時，由于塑性變形量大，零件結構封閉，切削溫度較高。鎢鈦鈷類硬質合金有較高的硬度，特別是具有很高的耐熱性，抗粘結能力和抗氧化能力均較好，故刀具磨損小，耐用度高。

根據本文已確定的走刀方式，在粗加工時，選擇含鈷量較高含碳化鈦較少的鎢鈦類刀具，這類刀具抗彎強度較高，比較能承受沖擊；在精加工時，選擇含鈷量較少含碳化鈦較多的鎢鈦類刀具，具有優良的耐磨耐熱性能。

3 加工實驗

為驗證本文工藝方案的可行性，在廠內按照1∶1比例鍛焊了雙曲面馬鞍型接口，分別進行了粗、精加工實驗。

試驗件粗加工時采用硬質合金立銑刀，刀具回轉半徑為25 mm，切削轉速230 r/min，背吃刀量4 mm，進給量0.35 mm/z；精加工時采用硬質合金球頭銑刀，刀具回轉半徑為15 mm。切削轉速230 r/min，背吃刀量4.5 mm，進給量0.3 mm/z；實驗結果如圖4、圖5 所示。

圖4 馬鞍形雙曲面粗加工實驗成品圖

圖5 馬鞍形雙曲面精加工實驗成品圖

實驗后對馬鞍形表面質量進行了檢測，結果見表2。

表2 實驗結果檢測

從實驗結果看出，本文工藝方案能夠有效保證反應堆壓力容器進出口接管雙馬鞍型曲面的表面精度要求，總體上實驗是成功的。

(1)在粗加工時，由于馬鞍面與工件外圓成一個漸變的小于90°，加工程序在圓周方向走刀時，刀具磨損嚴重，因此在加工過程中，應增加一個理論的切削邊際，以減小切削時出現殘留等現象。

(2)雙馬鞍形面在精加工后，局部出現了刀紋。經過分析，主要是由于加工行程過長，刀具中途刀具崩刃產生，原因是SA-508 Gr.3 Cl.1材質相對于35鋼材質比較，材料屈服強度較低，材質膠黏，精加工刀具碳化鈦含量過高，切削轉速與其不匹配，導致刀具表面產生了積屑瘤，從而降低了表面粗糙度。為解決該問題，相應提高了切削轉速至250 r/min。重新實驗后，刀紋消失，保證了表面粗糙度的要求。

4 結論

進出口接管為整體鍛件，鍛件材質為SA-508 Gr.3 Cl.1，結構相對復雜。根據零件材質特性合理的選擇加工參數顯得尤為重要。通過工藝性分析以及現場試驗，得到本文結論。

(1)結合進出口接管材質及切削參數，刀具材質應選擇鎢鈦類硬質合金。

(2)SA-508 Gr.3 Cl.1材料塑性高，硬度低。通過工藝分析，為防止加工硬化的產生，進給量應選擇0.35 mm/z，切削轉速在230 r/min以上。

(3)進出口接管管口的結構特殊，無法對其根部圓弧角清根，精加工時要以中心孔為基點360°旋轉，沿軸向加工。結合工件材質，工件轉速應達到250 r/min。