核電蒸汽發生器管板深孔加工技術研究

王再山，鄭紅亮

（上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233）

1 BTA 鉆鏜聯合深孔加工

機械加工中通常將孔深與孔徑之比大于6 的孔稱為深孔，深孔加工存在排屑困難、散熱困難、刀桿細長剛度差易振動、刀具切削和磨損無法觀察、深孔容易鉆偏斜等特點。核電蒸汽發生器管板深孔長徑比通常超過45，且對加工精度有非常高的要求。BTA 鉆鏜聯合深孔加工方式具有以下特點：①孔壁與鉆桿間送入切削液，鉆桿管內排出切削液和鐵屑，鐵屑不損傷孔壁，加工精度高；②鉆頭外、中、內多刀刃切削，雙面孔排屑，無較大橫刃；③鉆頭刀刃分段交錯排列，保證斷屑和分屑可靠；④鉆頭內刃與中刃的偏移和進差形成臨時芯柱，加工中自導向；⑤各刃可選不同材料適應不同加工特性，內刃選韌性好，外刃選耐磨性好。核電蒸汽發生器管板深孔加工選用BTA 鉆鏜聯合深孔加工方式（圖1）。

圖1 BTA 鉆鏜聯合深孔加工

深孔加工時無法直接觀察刀具的切削情況，常通過聽聲音、看切屑、觀察機床負荷及切削油參數等方法來判斷排屑及刀具磨損狀況。深孔切削時散熱和排屑困難，必須選擇合適的切削用量，合適的切削油壓力、流量和溫度，保證斷屑可靠、排屑通暢，同時攜帶出鉆鏜加工產生的熱量。深孔鉆桿細長而剛性差，易產生彎曲和振動，深孔加工時孔易發生偏斜，因此必須在鉆頭刀具及進液器結構設計時考慮導向裝置與防振動措施，以保證加工精度。

2 核電蒸汽發生器管板深孔加工要求

管板外徑Φ4487.7±1.5 mm，高度1025±1 mm，本體材料為ASME Ⅲ-NB SA-508/SA-508M Grade3 Class2 低合金鋼鍛件，一次側表面堆焊SFA-5.11 ENiCrFe-7、SFA-5.14 ER/EQNiCrFe-7鎳基合金，在管板中心區域上分布著20 050 個三角形排列的管孔（圖2）。管板管孔主要加工要求：管孔內徑，共20 050 個；加工厚度798±0.38 mm，包含6.6±1.4 mm 堆焊層；孔間距24.892 mm；孔橋7.16 mm，二次側最小6.12 mm；孔位置度Φ0.25 mm；孔垂直度Φ0.48 mm；孔內表面粗糙度Ra≤6.3 μm；長徑比905/17.73≈51。

圖2 核電蒸汽發生器的管板、管孔

核電蒸汽發生器制造過程中與管板深孔加工緊密關聯的工藝流程如圖3 所示，其中管板深孔加工的質量直接影響到后續的穿管、封口焊和脹接、渦流檢測等關鍵制造工藝，是蒸汽發生器的整體制造質量和在役運行質量的決定性因素之一。

圖3 核電蒸汽發生器管板深孔加工流程

3 深孔加工評定試驗

深孔加工評定試驗的目的：①了解和掌握三軸數控深孔鉆床的加工性能；②檢驗三軸數控深孔鉆床用BTA 鉆頭的加工精度；③初步選定合乎要求的BTA 鉆頭供應商；④發現并解決BTA 鉆孔中出現的問題；⑤熟悉三軸數控深孔鉆床的編程方法；⑥檢驗操作人員對機床的掌握程度，以保證正式產品加工的質量。

3.1 鉆頭的選擇和檢查

核電管板深孔鉆加工的精度要求非常高，對BTA 鉆頭有很高的要求，對鉆頭采購應提出嚴格的技術要求并進行嚴格檢查。在采購時對TaeguTec 鉆頭和UniTec 鉆頭分別進行鉆孔試驗，通過試驗發現使用TaeguTec 鉆頭的鉆孔直徑、內表面粗糙度等均滿足要求，但鉆頭斷刃的概率較大，排屑有時不太順暢；使用UniTec 鉆頭的鉆孔直徑、內表面粗糙度等均滿足要求，鉆頭斷刃的概率相對小一些，最終從保證加工質量的角度決定采購整體質量較好的UniTec 鉆頭。

鉆頭采購需進行嚴格控制，按照圖4 對每個鉆頭都進行檢查并記錄如下：①目視檢查鉆頭標識、檢驗編號、切削刃缺口、焊接質量、研磨質量等；②檢查鉆孔直徑D，由邊緣刀片外刃、側墊板導向面、背墊板導向面3 點構成；③檢查鉆頭上、下連接支承面直徑D1、D2；④圓錐度檢查，即側墊板、背墊板導向面在鉆頭軸線上的徑向偏差值；⑤同軸度檢查，即側墊板、背墊板導向面相對于邊緣刀片外刃的徑向偏差值；⑥垂直度檢查，即鉆頭軸線相對于連接支承底面A 的垂直度。

圖4 BTA 深孔鉆頭

3.2 切削參數和報警參數

根據管板本體材料和堆焊層材料的不同，鉆頭鉆入一次側表面和鉆出二次側表面時的加工條件不同，對切削參數在不同鉆深處設定不同的參數，修改數控加工子程序中的對應參數（表1）。選擇不同的主軸轉速和進給量分別進行深孔鉆加工試驗，根據試驗結果確定合適的切削參數，同時根據深孔鉆加工時機床運行情況設定合理的報警極限值（表2）。

表1 不同鉆深處深孔鉆加工參數設定

表2 深孔鉆加工切削參數及報警極限試驗

根據以上深孔加工試驗情況和深孔加工質量結果，初步選定第3 組參數，既能保證深孔加工的質量，又能縮短加工時間，提高加工效率。

3.3 鉆頭壽命的確定

深孔切削時散熱和排屑困難，切削油壓力和流量的不穩定波動，鉆桿進給過程中的彎曲和振動，管板材料的局部不均勻等，都會造成鉆頭切削刃甚至結構的損壞，從而嚴重影響深孔加工精度，因此需對每個鉆頭的加工孔數進行限制。

通過鉆頭最大加工孔數試驗，大多數鉆頭在加工40～50 個深孔后加工質量明顯下降，因此為保證管板深孔加工精度，規定每個鉆頭最多鉆15 個孔。

4 深孔鉆機床的準備和加工工件的裝夾及調整

4.1 深孔鉆機床的準備和調整

深孔鉆機床為德國TBT 三軸數控深孔鉆，主要技術參數為：最大水平行程（X 軸）6000 mm，最大垂直行程（Y 軸）4500 mm，最大鉆軸行程（Z 軸）1800 mm，主軸數3個，BTA 鉆孔直徑Φ13～Φ65 mm，最大有效鉆孔深度1100 mm，主軸箱行程（U 軸）600 mm，主軸間距250～400 mm，主軸轉速40～5000 r/min，主軸最大進給力20 000 N，切削油最大壓強10 MPa，切削油流量7～260 L/min，切削油PETROFER（ISOCUT T400）。

安裝CAP1000SG 管板專用接長套于深孔鉆床主軸箱前座上，調整3 個接長套位置的并使用光學裝置檢測3 個接長套的垂直度，3 個接長套與主軸的同心度滿足要求。

安裝鉆頭、鉆桿和鉆頭導套、鉆桿導套，檢測3 個鉆桿旋轉時的徑向跳動和軸向跳動滿足要求。選擇合適的鉆頭、鉆頭導套間隙和鉆桿、鉆桿導套間隙，以對鉆頭鉆入時進行導向，防止鉆桿彎曲和振動，保證鉆孔的直線度。

4.2 管板下筒體組件及深孔熱機試板裝夾

在落地鋼平臺上安裝前座固定V 形鐵支撐、后座可調V 形鐵支撐、工件防退支撐、試板裝夾支架及附件等。吊裝管板下筒體組件于兩V 形鐵上，管板一次側坡口端面與設備主軸端處的工作臺前端邊緣基本齊平，進出位置控制在±10 mm 范圍內。安裝熱機及調試用試板，試板平面位置與管板平面基本齊平（圖5）。

圖5 管板下筒體組件的裝夾和調整

4.3 管板位置的調整

（1）調整管板圓周方向位置，相對于0°～180°兩個手孔所確定的中心線位置誤差≤0.5 mm。

（2）調整管板一次側端面90°～270°軸線位置和設備X 軸平行，校正誤差≤0.2 mm/全長。

（3）調整管板一次側端面0°～180°軸線位置和設備Y 軸平行，校正誤差≤0.2 mm/全長。

（4）調整試板的水平和垂直方向位置和設備X、Y 軸平行，校正誤差與管板相同（同比例縮小）。

4.4 調整后檢查、緊固及記錄

（1）檢查和記錄管板下筒體組件校正后各部位的實測尺寸。

（2）使用防退支撐裝置頂緊下筒體，在臨時吊耳處頂緊管板，在前座和后座支撐處用鋼帶綁緊管板和下筒體，鎖定管板下筒體組件位置。

（3）復核和記錄管板下筒體組件緊固后各部位的實測尺寸。

（4）在管板X、Y 軸方向適當部位放置數只百分表，檢測管板下筒體組件裝夾后及管板加工過程中的位置變化情況。

（5）管板裝夾工位靜置3 d 并定時用深孔鉆床接長套加力頂緊，復核和記錄管板下筒體組件裝夾后各部位的實測尺寸。

5 蒸汽發生器管板深孔加工

5.1 深孔加工程序編制及模擬驗證

（1）由于管孔數量超過20 050 個，將管板所有孔位用C語言二維矩陣數組表示，使用數組遍歷算法生成優化的3 軸、2 軸、1 軸加工程序，然后用LISP 語言在AutoCAD 模擬繪圖演示驗證，以優化鉆孔次數、提高鉆孔效率、預防邊緣孔位碰撞等。

（2）深孔鉆機床上輸入和復核管板深孔加工程序，掛放管板深孔鉆加工模擬圖，檢查邊緣孔位程序的接長套與管板是否發生干涉碰撞。模擬圖也用于記錄鉆頭、導套等磨損件更換孔位。

（3）運行復核后的管板深孔加工程序，用接長套頂針在管板待加工面壓孔，檢查壓孔是否符合掛放模擬圖，壓孔是否重復等。

5.2 蒸汽發生器管板深孔加工

（1）記錄管板深孔加工中心坐標和管板邊緣內側0°、180°、90°、270°位置，設定接長套端面零位于管板一次側端面約10 mm處，鉆軸進給深度于鉆頭伸出管板二次側平面2～2.5 mm 處等。

（2）機床預熱后加工試板，切削油溫度保持在28～35 ℃，試加工孔尺寸精度都滿足要求后可加工工件。

（3）選擇90°/-270°方向的高低2 孔作為管板基準孔加工，記錄基準孔位置，再加工其余孔。

（4）鉆孔過程中每隔一定數量鉆孔后，檢查所有磨損件狀況，包括鉆桿、鉆頭導套、鉆桿導套、壓板等，若磨損量超過允許值，應立即更換。

（5）鉆孔中斷時間大于30 min 時，需先在試板上熱機檢查試鉆孔質量，復核工件基準孔偏差后，再重新啟動工件鉆孔。若基準孔位置超差±0.1 mm 需重新設定機床零位以避免累積公差。

5.3 深孔加工過程的控制與檢測

核電管板對深孔鉆加工的精度要求非常高，因此需在深孔加工過程進行嚴格控制，規定具體詳細的檢查措施、檢查項目、檢查方法、檢查頻率及合格要求（表3）。

表3 鉆孔過程的控制與檢測

6 管板深孔加工研究結論

通過試驗研究并經過實際加工驗證，證明本文所述深孔加工工藝是一套高質量、高效率的深孔加工技術，并實現了以下目標。

（1）深孔加工尺寸超差率控制在0.1‰以內。

（2）孔壁螺旋線的出現率控制在0.1‰以內。

（3）20 050 個管孔加工時間控制在50 d 以內，隨著工藝及檢查的成熟，加工時間將更短。

（4）管板深孔加工超差導致的堵管為0。