GPS1500-35核主泵導葉體數控加工工藝研究

張艷梅

（沈陽鼓風機集團沈陽透平股份有限公司， 遼寧 沈陽 110869）

反應堆冷卻劑循環泵（簡稱“核主泵”）是核島一回路系統中唯一高速旋轉的設備，長期工作于高溫、高壓、強輻射環境中，其性能和可靠性直接影響核電站的安全正常工作[1-2]。核主泵的過流部件主要由泵殼、葉輪和導葉三部分組成。泵殼設計成環形結構，其結構簡單、緊湊；葉輪采用混流式葉輪；導葉主要用來消除從葉輪流出液體的速度環量，并將這部分動能轉換為壓力能，從而減小泵殼內的流動損失[3-4]。同時，導葉在提高核主泵水力性能方面也發揮著重要作用。經過相關研究表明，導葉體的振動對核主泵的工作性能影響較大，為了減震降噪，滿足用戶要求，提出一種核主泵導葉體加工新型工藝，以提升主泵的工作性能[5]。

1 核主泵導葉體加工工藝

核主泵導葉體加工工藝的研究主要分為如下幾個步驟進行，首先制定前后蓋板及組焊的工藝路線，然后使用CAMAND通用編程軟件，對模型進行轉換、整理，進一步確定加工方案，明確裝卡方式，選用加工用刀具，編制及后處理加工程序，最后利用數控機床進行加工，驗證數控加工的可行性，并對主泵的工作性能進行檢驗。

1.1 加工工藝路線的制定

根據導葉體結構特點，將其分成前、后蓋板兩部分分別加工，可以訂制如下工藝路線。

1.1.1 前蓋板

鍛造→車→檢查→鋸切→車→檢查→去應力→檢查→銑→鉗→檢查→鉗→鉚（組焊）。

1.1.2 后蓋板

鍛造→車→車→五座標粗銑工件各部→檢查→去應力→檢查→五座標精銑葉片各部→檢查→打光→鉗→車→檢查→鉗→檢查→鉚（組焊）。

1.1.3 導葉體（組焊后）

劃線→車粗→半精車→銑→打磨→焊→去應力→檢查→劃線→鉆孔→精車→鉗→檢查→鉗→檢查→裝。

1.2 零件三維模型數據轉換

利用三維造型軟件，按照零件型面坐標點及各部尺寸可以造出如圖1、圖2所示三維模型。

圖1 前蓋板三維模型

圖2 后蓋板三維模型

根據三維模型可以分析出，后蓋板上葉片形狀扭曲比較大，三個葉片薄厚不均、形狀各異，流道較深、較長，葉片根部存在加工不到的地方。前蓋板形狀比較簡單，但其上凹槽加工將要產生過切現象，并且加工后兩件相配難度較大。由于該導葉體前、后蓋板結構比較復雜，需在五軸聯動設備上加工，并且需要用通用的CAM編程軟件編制加工程序[6]。我們使用的是CAMAND通用編程軟件，需要對模型進行轉換、整理，制定加工方案，確定裝卡方式，選用加工用刀具，編制及后處理加工程序，數控加工界面如圖3所示。

圖3 數控加工界面

1.3 主泵導體葉的加工過程

按照現有五坐標STORM1100機床結構，將工件按卡、壓方式裝卡好，如圖4示，此方式裝夾使工件牢固，加工時不易產生干涉現象。

圖4 導葉體后蓋板裝卡圖

導葉體材料為1Cr18Ni9Ti，特點是硬度低、黏性大容易黏刀，適合用硬質合金刀具以較高轉速、較大進給量進行加工。

目前國際上高效去除銑削加工余量的較先進的方法有兩種，一是采用小切深、高轉速、大進給的方法—高速銑，另一種是采用刀具走刀方向與刀軸方向相同的方法—插銑[7-8]。由于導葉體后蓋板流道較深、較窄，刀具懸臂很長（長徑比大于6倍），不宜選用高速銑[9]，故我們選用了插銑加工方式，如圖5所示。大量去除毛坯余量粗加工時采用Φ40 mm插銑刀加工，提高了加工效率，節省了刀具費用，減小了設備的磨損。在加工葉片外側扭曲部位時，采用了Φ25 mm插銑刀加工，去除較大余量。插銑加工不能產生頂刀現象，否則容易損壞刀具，以至于無法進行正常加工。如何解決加工中頂刀問題，我們認為在不產生過切等干涉情況下，應該使后續的每一次走刀加工深度，不要大于其前一次走刀所加工的深度。由于該工件三個葉片形狀各異，加工葉片曲面時，我們選用了不同尺寸的硬質合金球頭銑刀、高速鋼球頭銑刀進行各型面半精加工、精加工，保證了加工精度。

圖5 流道插銑粗加工

根據實際加工情況可以得出如下切削參數，見表1。

表1 切削參數

根據工件的葉片結構，在做程序時將所要加工的部位分成了若干部分，按照既滿足加工質量要求，又要保證所用刀具加工剛性的原則，決定不同的位置采用不同的刀具，合理地確定刀具加工路徑，提高生產效率。例如葉片表面加工可以采用如圖6、下頁圖7所示走刀方式。

圖6 葉片內測模擬加工

經過大量地、細致地對加工刀具軌跡進行修正，然后生成加工程序，并且在模擬軟件VERICUT上進行加工軌跡仿真模擬，如果存在問題再用CAMAND編程軟件進行修正，直至準確無誤。

為了使所編制的加工程序能夠適應相應的數控設備，這就需要編制相應的后置處理程序，對其進行后處理，最后生成數控設備所需要的加工程序（G代碼程序）。

圖7 葉片外測模擬加工

前、后蓋板加工完畢后，需進行鉗工打磨、組焊、熱處理、車加工外形等工序。由于銑削加工的葉片與前蓋板上的槽很難配合完好，故需要進行鉗工修磨，前蓋板加工后如圖8所示。

圖8 前蓋板加工后圖

2 結論

本次實驗核主泵導葉體前、后蓋板加工，由于零件形狀特殊，為避免干涉，犧牲了一些加工所用的刀具剛性，某種程度上影響了工件的加工效率，即使這樣還有一些像葉片頭部扭曲的背面部位，無法通過數控設備加工實現，需要鉗工手工打磨來完成。

根據實驗結果可驗證該核主泵導葉體采用鍛焊結構形式，前、后蓋板分別在數控設備上進行加工是可行的，但是如果我公司要批量加工該導葉體，在可能的情況下，對后蓋板進行先鑄造成型，留一定的加工余量后，再進行數控五軸加工，這樣在保證加工質量的前提下，可以很大程度地提高生產效率。