核島反應堆支撐法蘭現場機加工方案

摘 要：核島反應堆支撐法蘭為正八邊形結構，其中四個面需要加工，表面粗糙度和平面度要求高，在現場需要使用便攜式機床進行加工，加工后進行測量并記錄，證明加工方案可行。

關鍵詞：機加工；表面粗糙度；平面度

1 概述

頂部法蘭板用來支撐RV支撐，法蘭結構為正八邊形，高大約8m，兩平行邊的距離為6096mm，其材質為A36。該法蘭分八片預制，拼焊成為一個整體后，再整體吊裝并安裝于法蘭頂部，整個結構總重約5.8t。法蘭模塊與其頂部法蘭結構如圖1所示。4個支撐面經精加工后其厚度和公差要求為38.10+6mm，同時，需要對RV支撐預埋板部分與RV支撐接觸的表面進行精加工，加工總面積達到7.0m2。詳情如圖2。

圖1 模塊與其頂部法蘭

圖2 頂部法蘭精加工區域

法蘭面的加工技術要求為：頂法蘭機加工表面標高為8090.40+3；精加工表面的粗糙度1.6？滋m；四個機加工表面的平面度公差0.127mm，且在長度304.8mm范圍內不大于0.0254mm；四個機加工表面與反應堆壓力容器支撐架至少有75%的接觸面；四個機加工面的法蘭厚度為38.10+6。

2 加工機床選用和使用調整

2.1 加工機床選擇

綜合考慮，平面法蘭加工機床選用需要考慮施工環境，整個施工環境在RV容器腔內，空間狹小，所選機床須考慮既能將表面機加工，又不會與周圍部件相干涉（需要特別注意銑床的動力頭部位）。根據需要采用便攜式機床進行現場加工。

根據現場法蘭的布局，設計人員經過多次探討，確定機床須采用便攜式機床，設計方案可大體分為兩種。一種為橫梁式平面銑削機床，一種為圓周回轉銑削機床。

兩種機床設計方案優劣點對比如表1。

表1

通過現場實際考察和廠家經驗交流后，采用方案一作為機床設計的思路。委托外單位制造橫梁式平面銑床。考慮到單個法蘭面的加工面積為3811*489mm，所以確定定制的便攜式機床的X軸行程為4000mm，Y軸行程為500mm，銑削主軸采用MDME502GCG伺服電機，配備的銑刀盤直徑為250mm。

2.2 加工機床的使用調整

將X軸導軌放在導軌安裝板上，使用緊固螺釘緊固，調整螺釘微調導軌高度，配合激光水平儀，檢測兩邊直線導軌的水平面，控制機床的單根導軌水平誤差≤0.04mm/全長，Y軸連接板平面度為0.05mm以內。

安裝Y軸導軌及主軸頭，Y軸導軌兩側有調整螺絲，可以微調主軸在左右方向上的傾角。主軸連接端面也有調整螺絲，可以微調主軸在前后方向上的傾角。調節調整螺栓，使刀盤的垂直度在0.02mm以內。

3 工裝架的設計制造

由于頂法蘭機加工表面標高為8090.40+3mm，距離地面較高，加工機床要有足夠強度的支撐，避免加工振動。同時法蘭面為八邊形，有四個邊需要加工，機床需要調換方位四次，機床需要被提供足夠的支撐。考慮現場情況，結合實際情況，提出兩種方案：（1）機床導軌直接支撐在法蘭不加工面上，靠導軌左右兩端支撐。缺點：導軌中間懸空，機床運行時不穩定，同時操作人員沒有站立位置。（2）在法蘭中搭設工裝架，為機加工機床提供更多支撐，使機床導軌與支撐有更大的接觸面積，運行更平穩。

3.1 工裝架結構設計

根據上述情況，參照鋼結構規范及AWS焊接標準，通過將型材、板材焊接或栓接成一個整體，為便攜式機床提供穩定可靠地現場支撐。

法蘭加工工裝架布置見圖3和圖4。工裝主要由牛腿、立柱、可調墊鐵、機床安裝底座、導軌安裝板等幾部分組成。

在法蘭筒體內壁上焊接8個牛腿，位置距離法蘭表面一定高度。立柱與機床安裝底座之間設立可調墊鐵，可以快速調平安裝底座。機床安裝底座在調平后通過徑向支撐和下面的焊接板（使用角焊縫與立柱連接）固定。徑向支撐在機床安裝底座的外端與法蘭筒體頂緊后，內端使用螺母緊固。機床安裝底座上面再鋪設導軌安裝板，安裝板與機床導軌通過螺栓和頂絲來連接，頂絲用來調整機床安裝水平，螺栓連接用于機床的壓緊固定。立柱與牛腿、立柱與可調墊鐵通過螺栓連接固定。同時在八根立柱之間增加斜撐，確保整體工裝的穩定性。為了現場使用方便，在設計的時候考慮使用懸臂吊，因此在機床安裝底座中間設置吊車安裝底座，使用中間立柱支撐到筒體底部，并使用工字鋼徑向支撐中間立柱。

3.2 工裝架與筒體焊接部位載荷計算

由工裝架結構看，工裝架與筒體焊接部位（牛腿）主要受彎剪作用，與法蘭筒體內壁的焊接的牛腿上的焊接板的厚度為30mm，焊腳高度為6mm，焊縫有效長度至少為4200mm，工裝設計總重小于5噸，機床重量約為3噸，經計算，焊縫受力情況滿足強度設計要求。

4 法蘭面機加工流程概述

4.1 機加工流程概述

頂部法蘭機加工流程如下：（1）焊接或者栓接固定工裝架；（2）初步調平校正工裝臺架；（3）吊裝、安放、緊固機床安裝板；（4）將X軸導軌放在機床安裝板上，使用緊固螺釘緊固，調整螺釘微調導軌高度，控制導軌平面度；（5）安裝機床Y軸導軌與主軸頭，調節調整螺栓，使主軸的垂直度在0.02mm以內；（6）粗、精銑削第一個面，檢測各項指標直至合格；（7）加工完成第一個面之后，將機床吊起并旋轉90°，重新安裝調整機床，對第二個面進行加工。

4.2 加工工作描述

表面加工之前檢測各片法蘭面頂部標高，根據最終加工之后的標高值計算得到各片法蘭面加工余量，同時保證最小板厚為38.1mm。法蘭面的整個銑削過程粗、精加工分開，合理確定粗、精加工的背吃刀量，精加工進給量為0.05～0.20mm，分多次進給實現.銑削時大電機轉速：1000-1600轉/分鐘、小電機轉速：100-300轉/分鐘。

粗加工時需檢測法蘭頂部的標高，精加工時需檢測表面平面度及標高，確保法蘭表面精加工要求。平面度的測量采用激光測平儀，選擇155個點來采集數據，數據經儀器自帶軟件處理后得到法蘭板的平面度。

加工過程中，不更換刀盤，只更換銑削刀片。更換刀片一次，銑削整個鋼板表面。更換刀片前，記錄光柵顯示屏上顯示的數字，然后提升刀盤高度，更換好刀片后，按照記錄的數字下調刀盤高度。

5 現場加工

機床采購后，經過廠內初步調試后運輸到現場，在工裝安裝調試平面度后，將機床吊裝到工裝上進行安裝調平，在各項文件及工機具準備充分的情況下進行法蘭的現場機加工。經過實際試用，現有機床加工能力滿足法蘭加工要求，加工出來的法蘭面各項參數均達到指標，為現場加工獲取了寶貴的經驗，大大提高后期工作的效率。選取一個法蘭加工面精銑后（選取155個點使用激光水平儀進行測量）測量數據如表2和圖5。

6 結束語

根據激光水平儀測量結果，可以看出精加工后法蘭面的平面度為0.116mm，達到了平面度0.127mm的要求。加工面的表面粗糙度在精加工后使用對比塊對比，得出粗糙度值可以達到1.6？滋m，局部位置可以達到0.8？滋m，證明該加工方案可以應用于大型法蘭的現場機加工。實踐中發現存在的問題和可改進提升的地方如下：（1）機床導軌調平難：機床X軸導軌放在機床安裝板上，使用緊固螺釘緊固，調整螺釘微調導軌高度，控制Y軸連接塊平面度在0.05mm以內；這些工作需要使用扳手配合激光水平儀進行手動調節，調節耗時較長，需反復進行才能達到要求。（2）機床重心前移：機床在加工法蘭時，按照從內到外分三刀加工，機床重心逐步向外移動，Z方向吃刀量逐步增大，加工后的鋼板有一定的傾斜度。即便在Y軸刀臂后追加6個配重塊，還是存在重心前移的問題，需要在加工時適當減小Z方向吃刀量。（3）機床手動進給：機床Y方向進給為手動進給，操作不便，致使沿止擋塊方向進刀痕跡明顯，最后局部需要進行手工打磨。

作者簡介：李方（1981-），男，遼寧大連人，學士，研究方向為機械制造及自動化。