“華龍一號”核主泵電機薄壁長軸套的滾壓工藝方法

齊淑尊,王文彬,杜 帆,劉玉國,陳 迪

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司,哈爾濱 150040)

0 引言

哈爾濱電氣動力裝備有限公司自主制造“華龍一號”軸封式主泵電機機組的技術屬于國內首創。薄壁長軸套安裝在下泵軸上,與反應堆一回路約300 ℃的高溫高壓介質接觸,該產品制造的完成對于三代核電的安全運行和自主知識產權保護具有重要意義。

本文研究的內容是“華龍一號”核電站軸封式核主泵機組制造過程中的一項關鍵技術,即薄壁長軸套的滾壓技術,之前國內沒有制造先例。長軸套由于壁薄,國外的滾壓技術經常因滾壓過程中變形而導致報廢重制,成本浪費并延誤交貨周期。為完成核電站軸封主泵制造技術的國產化,迫切需要研究出一種穩定的薄壁長軸套的滾壓技術以解決制造瓶頸。

1 難點分析

核電站核主泵長軸套的滾壓工藝方法一直是工藝難題。之所以對軸套表面進行滾壓,是因為軸套需裝配在主泵軸系上高速旋轉,與下導軸承的石墨環進行摩擦。為了提高石墨環的壽命,需要盡可能的降低軸套的粗糙度,同時也要提高軸套自身的抗疲勞強度。采用滾壓這種工藝可以使金屬表面產生塑性變形,改變表層結構,達到大幅度改善材料表面的疲勞壽命和降低表面粗糙度這兩種目的。而單獨對表面的磨削無法達到這兩種效果。國外引進的工藝方法是長軸套兩端固定端蓋穿入芯軸中,在臥式車床上進行滾壓(如圖1所示),其缺陷在于這種方法極易導致長軸套變形。因長軸套的精度較高,要求長軸套的內外圓全跳動為0.02 mm,同軸度0.01 mm,并且壁薄,最薄處僅為13 mm,長度又長,達1 100 mm,故在滾壓過程中很容易產生變形。

圖1 軸套臥式滾壓

2 變形原因分析

第一是傳統的工藝方法采用臥式滾壓,需要用機床的卡盤夾住一側端蓋,頂尖在另一側頂住芯軸。而頂尖力的大小很難控制,稍大就會導致芯軸彎曲變形導致長軸套變形,稍小會使滾壓時產生的壓力使長軸套產生徑向位置變化,無法保證滾壓成功。第二是在滾壓時由于內部沒有支撐而導致薄壁的長軸套在受到滾壓力作用時產生變形,從而導致工件報廢。第三是需要合適的滾壓參數,否則也會導致壓力過大變形,或壓力過小而導致滾壓失效。據統計:在前期軸套滾壓過程中,直徑方向最大變形0.08 mm,滾壓后產品合格率僅達到30%左右。對這種長而薄的零件采用這種臥式滾壓方式,在滾壓時要受到自身的重力和徑向滾壓力的作用,對其施加較大的裝夾力就很容易導致其變形。所以要改變思路,研究新的工藝方法。

長軸套制造流程關鍵的工藝就是磨序和滾壓序(如圖2所示)。長軸套長度1 116 mm,外圓與內孔的部分同軸度要求0.01 mm,為了保證粗糙度要求和尺寸公差及形位公差等設計要求,在磨削工序就需要15天左右的時間,而且完成這個尺寸及精度對磨削設備和磨削工裝的要求也是很高的,使用的磨床小時費用達近千元。

圖2 軸套制造流程圖

磨序后,為提高軸套表面光潔度和抗疲勞強度,須對軸套表面進行滾壓。滾壓是利用滾壓頭對工件產生的壓力來滾壓工件表面,所以加工后的表面粗糙度受加工前狀態的制約。如果加工前表面狀態粗糙,則會相應造成滾壓后的表面粗糙,一般來說滾壓可以優化至少一個等級的粗糙度。

本文滾壓軸套所使用的是流體靜力學滾壓工具,滾壓后一般不改變工件的尺寸或改變的尺寸小于0.01 mm,這種滾壓工具本身是不會使軸套變形的或者產生的變形量很小。

通過對軸套的滾壓,還可以提高下導軸承碳環的壽命,這對于核主泵的使用壽命和安全運行是至關重要的。

正常情況下只允許對軸套表面進行一次滾壓。當重復多次對軸套進行滾壓時,將會出現直徑增大及變形,伴隨這種現象將會產生表面起皮等現象。所以對表面進行滾壓時要嚴格控制滾壓次數,如發生滾壓不合格現象,最多僅可進行再次滾壓。

最后的滾壓工序常常因為變形而導致報廢,帶來了成本損失和工期延誤。沒達到設計要求的長軸套裝入核主泵會使運轉時與下導軸承石墨碳環偏磨,主泵振動過大,使下導軸承碳環損壞,嚴重時會造成核電廠事故。

3 工藝過程

針對上述分析的原因,我司研究出一套可以解決上述問題的工裝(如圖3所示),并改變了工藝方法。具體如下:

1.內支撐;2.外支撐;3.螺栓;4.軸套;5.支撐盤;6.拉桿;7.蓋板;8.螺母;9.工作臺;10.球頭滾壓工具;11.刀架;12.卡爪;13.斜面;14.內孔臺階。圖3 軸套立式滾壓工裝示意圖

(1) 內支撐與外支撐通過螺栓裝配到一起后安裝到長軸套的內孔臺階處,通過螺栓的順時針旋轉使內支撐在接觸的斜面上向外支撐的底面滑動,外支撐均布著12個開口,使外支撐向外撐緊,外支撐支撐在長軸套的內孔臺階上。

(2) 滾壓下部支撐盤安裝到立式車床工作臺上。

(3) 長軸套的下部臺階安裝到滾壓下部支撐盤的上部臺階上,兩個位置的配合間隙J1滿足J1≤0.01 mm。

(4) 4個M20拉桿螺紋旋進滾壓下部支撐盤的M20螺紋孔上,裝入帶有止口的上部蓋板,裝配4個螺母到4個M20拉桿上,4個螺母壓緊上部蓋板,上部蓋板的止口與長軸套的上部臺階的間隙J2滿足J2≤0.01 mm。

(5) 通過加墊片的方式調整長軸套在立式車床工作臺的跳動T,滿足T≤0.01 mm。

滾壓后仍做跳動檢查,并做好記錄(如表1所示),調整后鎖緊立式車床工作臺的卡爪。

表1 軸套立式滾壓跳動記錄

(6) 球頭滾壓工具固定到立式車床的刀架上,旋轉立式車床工作臺,使用球頭滾壓工具從長軸套底部向上進行滾壓,滾壓區域為長軸套的底部到內孔臺階處即完成長軸套滾壓,滾壓的線速度S、進給量f和滾壓壓力P分別滿足:

75 m/min≤S≤85 m/min

0．08 mm/rev≤f≤0．12 mm/rev

140 bar≤P≤160 bar

經統計,采用此工藝方法的滾壓合格率大大增加,三坐標的檢測結果和合格率(如表2所示)。表中為兩個核電站項目,項目1的三臺采用了原工藝,項目2的三臺為“華龍一號”采用的新工藝。

表2 新舊工藝檢測結果及合格率統計

4 技術方法分析

這種技術方法的工作過程及原理是,采用長軸套立式滾壓。可以使長軸套不受徑向的裝卡力,通過自身的重量及上部蓋板壓緊即可固定到立式車床工作臺上(如圖4所示),從而不會使長軸套因受裝卡力而變形。通過內部支撐工具對內孔臺階的支撐可以使長軸套的外圓,不會因受到滾壓力而產生長軸套變形。

圖4 軸套立式滾壓

滾壓是利用金屬在常溫狀態的冷塑性特點,利用球頭滾壓工具對工件表面施加一定的壓力,使工件表層金屬產生塑性流動,填入到原始殘留的低凹波谷中,而達到工件表面粗糙值降低。由于被滾壓的表層金屬塑性變形,使表層組織冷硬化和晶粒變細,形成致密的纖維狀,并形成殘余應力層,硬度和強度提高,從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性,增加了長軸套的使用壽命。同時由于優化了表面光潔度,也提高了下導軸承的壽命。

我司這種創造性地采用一套支撐內孔的工裝工具,結合在立式車床上立式滾壓的工藝方法,使用流體靜力學滾壓工具,從而保證了長軸套滾壓后的尺寸,這種方法的優點如下:

(1) 立式滾壓因不使用機床頂尖,可以避免頂尖力導致工具芯軸變形及后續的長軸套變形。

(2) 立式放置利用工件自重并用上部蓋板和拉桿及螺母將長軸套固定到滾壓下部支撐盤上,長軸套并沒有受到自重變形及可導致長軸套變形的徑向裝卡力。

(3) 滾壓下部支撐盤采用三段式,第一段用于立式車床工作臺裝卡,第二段用于長軸套軸向支撐,第三段用于長軸套徑向支撐且配合間隙為小于等于0.01 mm。第一段的裝卡力產生的變形傳導到第三段很微小,不會導致長軸套變形。第二段可以起到長軸套軸向支撐及留出球頭滾壓工具的進入位置并且起到緩沖第一段裝卡力的作用。第三段可以起到支撐長軸套下部內孔的作用,由于間隙J1滿足小于等于0.01 mm,可以有效起到支撐滾壓受力作用。

(4) 本工藝方法采用內孔三段支撐。第一段為滾壓下部支撐盤的第三段臺階起到支撐長軸套下部內孔的作用。第二段為工具內支撐與外支撐通過螺栓裝配到一起,外支撐均布著12個開口,通過螺栓的拉緊,內支撐與外支撐的斜面相互作用,內支撐將外支撐直徑撐大,從而支撐長軸套內壁的內孔臺階,并且無間隙,有效的抵抗外部的滾壓力的作用。第三段為長軸套軸套的上部蓋板,上部蓋板與長軸套通過止口配合,止口間隙小于0.01 mm,止口對長軸套上部內孔進行支撐。這三段支撐對長軸套內孔形成強有力的支撐,在滾壓時不會產生長軸套變形。

(5) 滾壓區域放置在下部,相對于在長軸套上部可有效避免滾壓長軸套時滾壓位置距離立式車床工作臺位置距離過遠而產生的長軸套的振動。

另外,本技術采用的是流體靜力學滾壓工具,使用的技術參數經過模擬驗證,可有效提高表面的抗疲勞強度和光潔度。

5 結論

本文論述的自主開發的薄壁長軸套滾壓技術成功完成了薄壁長軸套的滾壓,滾壓結果符合設計要求,解決了變形的問題。經過多臺驗證,該技術成熟可靠,并已獲國家發明專利授權,成功應用于華龍一號的福清5&6核電站和海外巴基斯坦卡拉奇核電站等項目的核主泵制造,主泵機組運行穩定并已投入商運。該技術滿足核電設備國產化,對推動國內核電市場開發和關鍵技術國產化具有深遠意義。