加工核反應堆零件的專用數控機床

王政紅

（武重集團武漢威泰數控立車有限公司，湖北武漢 430077）

加工核反應堆零件的專用數控機床

王政紅

（武重集團武漢威泰數控立車有限公司，湖北武漢 430077）

主要介紹了CKX5363×95/160大型核電加工專用數控機床的主要結構特點，以及在核反應堆零件加工中的應用。

核反應堆 堆內構件加工 專用數控機床

核電站是利用一座或若干座動力反應堆所產生的熱能來發電或發電兼供熱的動力設施。核能發電是一種清潔、安全、經濟的新型能源，發展核電是減少環境污染，實現經濟和生態環境協調發展的有效途徑。

1 核反應堆堆內構件及加工特點

反應堆是核電站的關鍵設備，鏈式裂變反應就在其中進行。核反應堆堆內構件由上、下部構件以及壓緊彈簧組成。上部構件由熱電偶柱、控制棒導向筒、上支承板、上堆芯板等組成，總高度為4 206 mm，最大直徑為3 630 mm，總重約37.1 t；下部構件由吊籃組件、二次支承、能量吸收器等組成，總高度為10 001 mm，最大直徑3 630 mm，總重約82 t。

由于在反應堆活性區內有放射性物質，運行時有很強的中子和γ輻射，機械設備長期處于高溫、高壓、強放射性輻照以及含硼水沖刷腐蝕等條件下工作，因此為了保證反應堆裝置的安全及可靠性，對反應堆材料、加工制造和安裝均要求很高的質量。反應堆材料必須有耐輻照、抗腐蝕、耐高溫、高純度等要求，反應堆內部構件都是用奧氏體不銹鋼、因科鎳或鋯合金制造的。壓力容器的材料是低合金鋼，內襯奧氏體不銹鋼或因科鎳覆面。

壓水堆本體重型構件包括反應堆壓力容器頂蓋及其下部筒體組焊件、堆內構件中的吊籃筒體、上、下支承板等。而壓力容器殼體、蒸氣發生器殼體、穩壓器殼體等零件，基本上屬于兩端帶有封頭的圓桶類部件。目前主要生產百萬千瓦級核電設備，壓力容器的直徑5～8 m或更大，長度約20 m，分為4～5節焊接而成，材料為特種鋼。這些核反應堆零部件的特點是尺寸大、重量大，要進行鑄、鍛、焊、熱處理和機加工等工序，而且尺寸公差和形位公差要求都比較高。比如反應堆的堆芯蓋板的導向筒定位孔和堆芯測量引入孔，孔的定位精度和加工精度都很高。堆芯上柵格板上的圓孔、方孔和畸形孔特別多，加工工作量大、精度要求高。因此，核反應堆零部件結構復雜、精度要求高，這些零部件的后續切削加工，大都需要超重型數控立式車床、超重型數控臥式車床、大鏜桿多軸聯動數控鏜銑床、數控龍門鏜銑床、五軸聯動車銑中心等高精度機床設備，這些機床規格大，能加工又大又重的零件，而且機床的可靠性和穩定性要求較高。

2 國內外加工核反應堆零件的現狀

在美國或歐洲工業發達國家，是采用大型加工中心來加工核反應堆零件，特別是大型零件，如高壓容器、裝核心殼體和核心托座。核電設備制造廠的規模因其產品范圍不同而有較大差異，但總體來說都較龐大，裝備水平都較高，各工廠都采用數控聯合機床，以流水線方式進行加工。比如法國法馬通公司的沙龍·圣特工廠，可以生產核反應堆壓力殼、蒸氣發生器、穩壓器、反應堆控制棒驅動機構等重型關鍵設備，在車間有一臺數控聯合機床，加工蒸氣發生器隔板（換熱器管支撐板）。從毛坯送上床子，到出成品由一位熟練工人在計算機屏幕前操作完成，其中還包括某些檢測項目。又如日本三菱重工業株式會社神戶造船所，核電設備制造在其中幾個車間進行。主要生產PWR的蒸氣發生器、穩壓器等。加工設備先進，具有國際水平，幾乎全是數控組合機床。其工廠裝有號稱世界最大的數控三維銑床，可加工直徑10 m，高3 m的工件。

在反應堆制造廠中，采用數控復合機床加工核反應堆零件，在數控機床上可進行銑、鉆、擴、鉸、鏜和切削螺紋等工序，減少了工件裝卸、更換和調整刀具的輔助時間以及中間過程中產生的誤差，提高了零件加工精度，縮短了產品制造周期。還可以顯著減少廢品的數量和技術檢查的工作量，并提高機床的利用率。對于生產核反應堆的大型企業來說，由于大多數生產的反應堆比較固定，反應堆零件的設計與制造有著連續性，因此，應用專用數控復合機床或專門加工中心，可以提高企業制造水平和零件產品質量。

在國外，也有部分機床制造廠，研制生產核反應堆零件加工的專用大型數控機床。比如德國SCHIESSFRORIEP公司，己經生產出80DV單柱立式車鏜銑復合加工機床，該機床最大車削直徑16 m，最大工件重量315 t，最大車削高度10 m，用于加工核反應堆壓力容器等大型零件。

國內企業參與核電設備制造起步較晚，主要設備的制造能力與供貨質量與國外企業相比有較大的差距。針對核反應堆大型零件加工制造，還沒有適宜的加工設備，尤其缺少重型、復合、多功能的數控加工設備。比如，上海第一機床廠和法馬通公司合作生產的中國廣東嶺澳核電站1 000 MW壓水堆堆內構件，是國內首次生產的百萬千瓦級堆內構件。該反應堆堆內構件是核電站的心臟部件，高11 m、直徑4 m、重127 t。產品不但大而且精度高，制造難度很大，國外公司都在數控機床上加工。由于條件限制，上海第一機床廠只能在國產普通機床上加工。因此，研制和生產加工核反應堆零件的專用數控機床，可以滿足我國核工業吊籃等相關反應堆堆內構件的加工需求，提高我國核反應堆制造企業的技術裝備水平和反應堆零部件的加工質量，降低成本，促進核電的國產化建設。

武漢重型機床集團公司在核電加工設備方面，先后為一重、東電集團等企業提供了CK53160十六米數控單柱立式車床、FB200數控銑鏜床等多臺大型裝備。這些設備為大亞灣核電站、秦嶺核電站的建設發揮了重要作用，積累了較為豐富的核電加工設備制造經驗。武重為武漢鍋爐廠設計制造的大型核電加工專用數控機床，數控單柱移動立式車銑復合機床（CKX5363×95/160），系我國首臺用于加工核反應堆內構件的超大型專用設備。

3 CKX5363×95/160核電加工專用數控機床的結構

本機床是為了解決我國核電站吊籃部件加工所設計開發的專用數控機床產品。它結合了超重型數控落地鏜銑床和超重型數控立式車床的功能特點，不僅具有精密鏜銑車鉆復合加工的能力，而且利用數控環形工作臺中央大孔中安裝內立柱，加工大型反應堆堆內構件內環槽，實現大型反應堆堆內構件的一次裝夾多工序的加工。如堆內構件內環槽，安裝封頭面的車削及分度鉆孔等的加工。機床除車削外，還可實現鉆、鉸、銑、鏜、磨等功能，工作臺可實現360°精密分度，三軸聯動，且為全閉環控制，具有恒線速度車削功能。工作臺直徑6 300 mm，最大加工高度9 500 mm，最大加工直徑6 300 mm，工作臺最大承載160 t。由圓形工作臺、工作臺驅動及分度機構、外立柱、外立柱滑座、床身、橫梁、垂直刀架、內立柱、內立柱刀架、側刀架、銑頭附件、電磨頭等部件組成。

圓形工作臺車削最高轉速20 r/min，主電動機功率143 kW，工作臺齒圈采用雙齒輪驅動，在銑削進給時，采用機械傳動間隙消除和傳動誤差補償技術，工作臺分度定位精度可達到±5″。橫梁上有水平移動的刀架滑座，刀架水平行程3 500 mm，滑枕垂直行程3 150 mm。刀架滑枕內裝有銑主軸，可與工作臺實現三軸聯動。橫梁沿外立柱導軌升降移動，外立柱可在床身導軌上沿工作臺切線方向移動。升降采用靜壓卸荷絲杠－螺母副。并配有直角銑頭，工作臺分度后，具有鉆、鉸、銑、鏜功能，裝電動磨頭后，有磨內、外圓柱面和平面的功能。

內立柱呈半圓形，這樣能夠較好地利用工件內部的空間。內立柱置于圓形工作臺中心的支承面上，且可方便地拆卸。內立柱上有刀架和滑座，內立柱最大車削直徑4 200 mm，最大加工高度6 580 mm。內立柱刀架滑枕作垂直移動，刀架作水平進給移動，可與工作臺實現三軸聯動。內立柱刀架滑枕端面帶有定位接口，可分別裝夾車刀夾、電動直銑頭等。具有鉆、鉸、銑、鏜功能，裝上電動磨頭后，可對內圓進行磨削。

側刀架沿外立柱導軌垂直移動，刀架滑枕可水平移動，與工作臺實現三軸聯動。刀架滑枕內有臥式布置的銑軸，配有專用的鏜刀桿，用于鏜φ1 000 mm的孔。工作臺分度后，具有鉆、鉸、銑、鏜功能，裝上電動磨頭后，可對外圓進行磨削。

4 核電加工專用數控機床的應用

絕大部分核反應堆的零件，都可以用此類專用數控機床加工，比如反應堆壓力容器筒體、上柵格板和上、下支承板、吊籃筒體等。

圖2為在專用數控機床上加工反應堆壓力容器的例子。壓力容器筒體的加工部位有上部法蘭端面、懸掛吊籃筒體用的臺肩面、內圓柱面和上端面的盲螺紋孔等。可利用移動橫梁上的刀架車削法蘭端面、臺肩面、內圓柱面。由于壓力容器筒體和頂蓋靠螺栓聯接，壓力容器內承受很高的壓力，且要求連接面絕對密封，故螺栓直徑很大，上端面的盲螺紋孔直徑達100 mm以上。可利用橫梁上的車銑復合刀架，在刀架銑軸上安裝銑刀和絲錐進行螺紋孔的加工，靠工作臺帶動工件進行分度運動。

對底座的內外面的加工可利用立柱上的側刀架和工作臺來完成。側刀架帶有銑軸，并配有專用的鏜刀盤，可加工接盤的同軸孔或銑削矩形輪廓。

圖3為在專用數控機床上對吊籃筒體進行綜合加工的例子。吊籃筒體是一件大型薄殼圓筒，其上的法蘭臺肩平面、內外圓柱面、內環槽及孔組等都需加工，這些加工部位的加工質量要求很嚴。工件在一次裝卡定位后，可完成內環槽、徑向孔組和上部法蘭平面上的孔組等的加工。法蘭臺肩平面、內圓柱面，可利用移動橫梁上的刀架進行車削。上部法蘭平面上的孔組，可利用刀架上的銑軸安裝銑刀、鉆頭等進行加工。內立柱裝在吊籃筒體內部對工件進行加工。內立柱置于圓形工作臺中心的支承面上，且固定不動，吊籃筒體與圓形工作臺一起旋轉，利用內立柱的刀架加工吊籃筒體內環槽，利用側刀架的銑軸與圓形工作臺的回轉分度，加工徑向孔組。也可利用側刀架的銑頭或鏜刀桿，加工吊籃筒體的出水管座的孔等。依靠側刀架沿立柱垂直導軌的升降和床身沿水平導軌的平移，完成雙坐標定位分度，使各種孔組加工達到設計精度和形位公差的要求。

CKX5363×95/160核電加工專用數控機床，可以一次裝卡完成以往需多臺機床才能完成的復雜零件的加工。根據需要配備直角銑頭、專用鏜刀盤、電主軸磨頭等附件來完成復合加工。該設備基本可以滿足用戶加工核電零件的要求，能提高我國核電設備制造廠的加工制造能力和產品質量，使我國核電逐步實現設計自主化，設備制造國產化。

1 朱齊榮.核電廠機械設備及其設計.北京：原子能出版社，1991.

2 （蘇）B.C.科爾薩科夫，B.ф.維戈夫斯基，B.и.朱哈恩.核反應堆制造工藝.北京：原子能出版社，1981.

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Appropriative CNC Machine For Process Nuclear Reactor Part

WANG Zhenghong
（Wuzhong Group Wuhan Victory Time CNC Vertical Turning Machine Co.，Ltd.，Wuhan 430077，CHN）

（編輯 孫德茂） （

2009－06－16）

10117