一種核電站控制棒驅動機構套管軸制造工藝研究

楊大才 黃山

【摘 要】本文介紹了一種核電站控制棒驅動機構套管軸的結構特點和精度要求，分析了套管軸深孔加工、外圓面加工、對稱槽加工等主要工藝難點，提出了對應的解決措施，探索出了一套長筒類零件機械加工方法，通過試驗驗證，達到了套管軸的設計要求。

【關鍵詞】核電站；驅動機構；套管軸；制造工藝

中圖分類號： TM623；TP311.52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）05-0200-002

【Abstract】This paper introduces the control rod drive mechanism casing shaft structure features and precision requirements of one kind nuclear power plant， analyzes the deep hole processing， the cylindrical casing shaft surface machining， symmetric trough and other main technological difficulties， put forward the corresponding solutions， explore a set of tube parts machining methods， through the test， reached the telescopic shaft design requirements.

【Key words】Nuclear power plant；Drive mechanism；Casing shaft；Manufacturing process

0 引言

控制棒驅動機構（CRDM）是核電站反應堆中按照系統指令實現反應堆的安全啟動、功率調節與保持以及安全停堆等功能的關鍵設備，它是反應堆中唯一的運動部件，也是直接控制反應堆正常運行和啟停的核心部件，其核安全等級為一級，核質保等級為QA1級。套管軸是承受著整個鉤爪組件、驅動桿組件以及控制棒（約300Kg），并支撐移動銜鐵或保持銜鐵、同時起著鉤爪運動導向與定位作用，其核質保等級同屬于QA1級，其尺寸精度和形位公差要求非常高，它是實現控制棒驅動機構國產化的關鍵零件之一，因此，對套管軸的制造工藝研究具有重要意義。

1 結構及精度分析

1.1 結構分析

套管軸材料為奧氏體不銹鋼，結構為圓筒形狀（其結構見圖1），長度尺寸為975±0.50mm，最大外徑為M70，最小外徑為M60，外圓有多處涉及鉤爪運動定位用臺階，并有6鉤爪槽和2導向槽。

1.2 精度分析

1.2.1 外圓各配合面的形位公差

套管軸各臺階的外圓均有同軸度等公差要求，若偏差過大，即會對裝配帶來困難，同樣會造成提升鉤爪的銜鐵在運動時對單邊磨擦增大，既影響鉤爪的運動；同時造成單邊過度磨損，在反應堆高溫、高壓、強輻射的情況下會加快工件的變形，直接影響使用壽命。

1.2.2 螺紋精度

套管軸為驅動機構的主要受力部件，在進行壽命試驗時，右端螺紋每分鐘將受到72次沖擊載荷；而左端螺紋不僅要承受右端彈簧的反作用力，而且要承受整個鉤爪組件和驅動桿組件的重量（約300Kg），因此套管軸主要受力薄弱點在左右兩端的螺紋上，所以左右兩端的螺紋加工精度必須嚴格控制。

1.2.3 槽相對軸心的對稱度

套管軸上設計有用于鉤爪的提升和保持的兩處槽，各槽相對于其導向槽的位置度有嚴格的要求，否則會加大鉤爪與槽側壁的摩擦，進而影響鉤爪的正常運動。因此槽 相對槽 中心的位置度及槽 相對軸心的對稱度要求非常高。

2 工藝分析

2.1 深孔加工

套管軸長度975±0.50mm，孔徑為φ47.2±0.10mm，長徑比約20，粗糙度為Ra3.2，該深孔的加工難度大，主要體現在以下幾點：

（1）刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度大，造成剛性差，強度低，切削時易產生振動、波紋、錐度、偏斜等情況，從而影響深孔的形位公差和表面粗糙度。

（2）在深孔加工時，刀具需要一次裝夾完成整個內壁加工，這對刀具的耐用度要求高，若切削時冷卻潤滑液不充分，會使刀具耐用度降低甚至崩刃。

（3）在深孔的加工過程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經驗聽切削時的聲音、手摸振動與工件溫度來判斷切削過程是否正常。

（4）必須采用可靠的手段進行斷屑及排屑，防止切屑堵塞或劃傷內孔。

對此，加工深孔前，將工件夾持固定后用中心架固定中間段及末端，找正后，用定制長鉆頭粗鉆底孔，再用專用的導向工裝（參見圖2）擴孔，導向工裝主要由導向塊、刀具、套圈、錐柄刀桿等組成。調整好刀具后進行切削，刀具設計有兩個刀頭，前后錯開，前面露出的短刀頭先且削掉一部分金屬，后面的長刀頭再切削至尺寸，錯開的兩個刀頭可以平衡切削力，防止產生錐孔的可能。加工到臨近孔的另一端時，退出刀桿，去掉導向塊，在刀桿上裝上套圈，套圈直徑同樣比孔小0.3mm，這樣可以完成孔端部孔的加工。

工藝路線：三爪固定毛坯件→架好中心架→找正→用定制鉆頭鉆底孔至φ42→粗擴孔至φ46.8→初絞孔至φ47→精絞孔φ47.2±0.10。

設備：車床

工裝：導向工裝、中心架

刀具：1）群鉆 2）雙頭刀

切削參數：見表1

2.2 外圓各配合面加工

加工外圓時，為保證各段同軸度形位公差，需在一次裝夾得情況下完成外圓的車削加工，因此設計專用堵頭與內孔配合采用雙頂車方式加工外圓，考慮到中心孔已加工導致套管軸剛性相對減弱，在切削過程中需采用跟刀架抵消切削力，從而保證尺寸和形位公差。

工藝路線：a）工件加裝堵頭→一端用卡盤固定→另一端頂錐頂緊并找正外圓→粗作外圓→精車外圓（含螺紋外徑）

設備：車床

工裝：導向工裝 （見圖3）、中心架

切削參數：見表2

2.3 螺紋加工

螺紋加工為外圓車削加工的下一工步，不能拆卸工件或換裝夾方式，以保證形位公差要求。由于在車削過程中螺紋牙在擠壓作用下會使外圓增大，在加工時先根據螺紋精度等級算出螺紋外徑公差范圍，按下差加工螺紋外徑；同時，應嚴格控制刀具的切削深度及刀具的高度，刀具高度應在工件中心到高出中心d1%的范圍內，防止啃刀現象的產生。

工藝路線：按照螺紋公差精度下差車螺紋外徑→按要求調整刀具高度→車螺紋

設備：車床

工裝：雙頂車用堵頭、中心架

刀具：螺紋刀

切削參數：見表3

2.4 槽加工

槽與槽 均有位置度要求，為保證精度，將工件一端裝夾在分度頭上，另一端加堵頭用分度頭尾座頂緊，在工件中間段架設中心架以防止工件在銑削中彎曲。采用工裝尋邊器找正，銑削各槽。

工藝路線：分度頭裝夾工件→中心架輔助→并用尋邊器找正工件軸心線與機床主軸軸心線→銑削各槽。

設備：立銑

工裝：分度頭、尋邊器、中心架

刀具：銑刀

切削參數：見表4

2.5 切削液的選擇

根據RCC—M標準中的防污染要求，使用的冷卻切削液不能有鹵族元素及鐵素體等成分。為此，據市場調研，目前國內有BP集團生產的嘉實多HYSOL系列優質水溶性金屬加工液和Francool公司生產的SYNCOOL系列全合成切磨濃縮液，考慮到套管軸加工時的特點，采用嘉實多HYSOL R優質水溶性金屬加工液，該冷卻切削液不含有氯、活性硫、亞硝酸鹽和氟及重金屬成分，完全滿足其加工要求。

3 樣件試制

工件所使用材料為0Cr19Ni9，在樣件試制時，我們選用了φ80長1m的0Cr18Ni9棒材。制造過程嚴格按照以上工藝步驟進行，樣件試制完成后，其尺寸精度及形位公差要求能夠滿足要求，但存在以下問題：

a）中心孔內壁存在刀具的劃傷痕跡；

b）當加工孔的刀具進給到一定深度后，切削液供給不足或無法供給到位。

4 分析改進

4.1 中心孔內壁存在刀具的劃傷痕跡

由于作中心孔時，存在引偏，所以實際中心孔與理論中心孔存在不同軸現象，刀桿存在一定的繞度，刀具和已經加工出的孔壁存在抗力，而用導向裝置加工到接近末端時需退刀加裝套圈，因此使刀具劃傷孔壁。

取消原導向裝置的套圈，不退刀直接完成加工，工藝上適當加長毛坯工件的長度，并在末端增加一套筒，使導向塊露出工件時仍有導向路徑，但由于末端增加的套筒與中心孔同軸度有誤差，會使工件末端孔也出現誤差，所以適當加長毛坯工件長度，該工序完成后切削掉多余段。

4.2 切削液供給

原加工方案無特殊的切削液供給裝置，從切削中心孔的進刀端供給，當切削到一定深度時，機床自身供給系統的壓力有限，刀桿和孔壁的間隙不大，使切削液很難到達切削位置，且切削液體的流向和排屑方向相反，不利于排屑。

對此，設計專用的切削液供給系統，在導向塊上作流液槽，輸液管穿過機床主軸從進刀的相反方向供給切削液體。該方法即保證了切削液的供給，又使液體的流向和排屑方向相同，有利于排屑，見下圖3所示。

5 結論

我們利用完善后的制造工藝，試制了兩件套管軸，經檢測其尺寸精度和形位公差等均達到圖紙要求，并在我院完成了900余萬步的性能和壽命試驗，性能和壽命試驗完全滿足設計規范要求，為核電站控制棒驅動機構套管軸的國產化提供了行之有效的工藝方法。

【參考文獻】

[1]聞邦椿.機械設計手冊（第5版）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]曾志新，李勇，劉旺玉.機械制造技術基礎（第2版） 北京：國防工業出版社，2014