核燃料組件中軸肩螺釘加工工藝研究

盛國福，蔡權，王惠生，佘桂鋒，蔡貴川

（中廣核鈾業發展有限公司，中廣核先進燃料工程試驗中心，廣東 陽江529500）

1 引言

核燃料組件由燃料棒和骨架組成，骨架中零部件組裝過程中常采用薄壁脹接與螺紋連接的方式。如圖1 所示，導向管部件（導向管與導向管端塞）與下管座的組裝主要是通過軸肩螺釘螺紋段旋合與薄壁段脹接。核燃料組件工作在高溫、高壓、高輻射循環水中，隨著輻照時間的增加以及裝配應力、熱應力等因素的影響，燃料棒、導向管以及格架等部件會產生變形[1]。因此，軸肩螺釘等連接件的加工質量是核反應堆穩定運行的重要保障。

圖1 軸肩螺釘裝配圖

2 零件結構及加工問題

2.1 零件結構

如圖2 所示，軸肩螺釘內有長度約為30mm 的φ1mm 孔，外有長度超過20mm 的M6 螺紋，端部有長6.5mm，厚0.25mm的薄壁，此類零件屬于薄壁零件，又是深小孔零件，在加工過程中存在諸多難點。

圖2 軸肩螺釘平面圖

2.2 加工問題

薄壁零件在車削加工過程中由于切削力、切削熱、殘余應力及裝夾力等因素的作用，極易發生加工變形和切削振動，導致加工誤差，從而難以保證零件的加工精度和表面質量[2，3]。因此，合理地選擇工裝夾具、刀具以及切削用量是減小零件變形的有效方法。深小孔加工一直是機械加工的難點之一，目前加工方法主要分為機械加工和特種加工2 類[4]：機械加工主要為機械鉆削；特種加工主要包括電火花加工、激光加工等。機械加工效率高，但存在熱變形、材料難加工等問題，造成刀刃的損壞或者折斷；特種加工不存在鉆頭斷裂和磨損問題，但加工精度低，表面質量一般，往往需借助專用夾具保證產品質量。

因此，合理選擇加工工藝方法能有效保證產品加工質量，本文采用機械加工與電火花加工的方式對軸肩螺釘的加工工藝進行研究。

3 原材料與加工設備

3.1 不銹鋼棒

核反應堆中，不銹鋼零件原材料均選用鉻鎳奧氏體不銹鋼和具有奧氏體組織的少量高鎳耐蝕合金。原材料選用國產AISI 316Lφ12 冷作態不銹鋼棒，其拉伸性能為極限抗拉強度Rm=634MPa；0.2%屈服強度Rp0.2=479MPa；50mm 延伸率A50=47.0%；面積收縮百分率Z=80%，化學元素含量如表1 所示。此類不銹鋼在機械加工中存在諸多難點，如切削力大、加工硬化嚴重、不易斷屑、刀具易磨損等[5]。

表1 各化學元素含量

3.2 加工設備

3.2.1 機械加工設備

高速切削加工以其加工效率高、切削力小、切削溫度低、工藝系統變形小、薄壁零件加工變形小、加工精度和表面質量高等優點，在薄壁回轉體零件的加工中得到了廣泛的應用[6]。為了保證產品的加工精度和表面質量，采用津上精密數控縱切車床BO206-III 進行加工，如圖3 所示。縱切數控車床又稱走心機，刀具在固定的位置，通過主軸的移動和旋轉對產品進行加工。走心機車削時，棒料軸向進給通過中心導套，刀具切削點緊靠導套口端，剛性好，消除了棒料在刀具切削壓力作用下的變形，保證了零件的精度，加工細長軸類零件尤其有優勢。BO206-III 在無導套模式下最大加工長度為45mm，旋轉導套模式下最大加工長度為80mm。

3.2.2 電火花加工設備

電火花加工是利用兩極間脈沖放電時產生的電腐蝕現象對材料進行加工的方法。電火花加工與材料的機械性質無關，僅取決于材料的熱學性質，并且不存在切削力的影響，因此，特別適合于機械方法難加工材料的加工、復雜零件加工和微細孔加工等[7]。如圖4 所示，采用瑞士阿奇夏米爾生產的電火花穿孔機DRILL 20 進行電火花穿孔加工，設備帶有智能專家數據庫，可根據加工條件自動選擇放電參數，加工時，只需要確認電極銅管的直徑和加工深度。

圖3 津上雙主軸數控縱切車床BO206-I I I

圖4 電火花穿孔機DRI LL 20

4 關鍵特征加工工藝試驗

4.1 薄壁段加工

薄壁段加工分為外徑和內壁的加工，由于薄壁段壁厚與外徑之比高達1∶44，在加工過程中極易發生變形。不銹鋼精密車削時，切削參數對已加工表面加工硬化程度具有重要的影響，加工硬化層可達數百微米[8，9]，而加工硬化對薄壁件的影響十分嚴重。為了減少加工車削力對薄壁質量的影響，應采用外徑粗加工后再對內壁加工，最后完成外徑的精加工。如表2 和圖5 所示，薄壁加工分為3 部分：第1 步，由主軸進行外徑的粗加工，留0.15mm 的加工余量；第2 步，先采用φ9.0mm 的鉆頭進行粗加工鉆孔，再用內孔刀進行多次的粗加工并逐漸減少切削深度，最后進行內壁精車；第3 步，進行外徑的精加工。

表2 薄壁段加工刀具與切削參數

圖5 薄壁段加工示意圖

采用上述加工方法，連續加工15 個軸肩螺釘，并對薄壁段尺寸進行檢測，檢測結果如圖6 所示。15 個樣品壁厚尺寸平均值為0.2495mm，最大值為0.252mm，最小值為0.246mm；15個樣品外徑尺寸平均值為11.0491mm，最大值為11.057mm，最小值為11.042mm，均在公差范圍內。

圖6 薄壁段尺寸檢測結果

4.2 深小孔加工

采用單因素變量確認銅管直徑和加工深度，銅管加工深度設定為90mm，分別采用直徑為0.8mm、0.9mm、1.0mm 的電極銅管進行軸肩螺釘的電火花穿孔加工。每種直徑的銅管加工3 個軸肩螺釘，對φ1mm 流水孔進行測量，結果如圖7a 所示。采用φ0.8mm 的銅管加工的流水孔直徑的測量值在公差范圍內，但是偏下限值；采用φ0.9mm 的銅管加工的流水孔直徑測量值在公差范圍內，且接近標稱值；采用φ1.0mm 的銅管加工的流水孔直徑已經超差。因此，加工φ1mm 細長流水孔采用φ0.9mm 的銅管是最合適的。

采用0.9mm 的銅管進行加工，加工深度分別設置為70mm 、80mm、90mm 行工藝試驗。對加工后的軸肩螺釘進行測量，結果如圖7b 所示，孔徑均在公差范圍內，但加工深度為80mm 時，加工質量更加穩定。

因此，軸肩螺釘點火花穿孔應采用0.9mm 的銅管，加工深度為80mm。

圖7 加工后的流水孔尺寸

5 結論

薄壁加工應選擇合適機械加工工藝，先進行外徑粗加工后進行內壁加工，最后對外徑進行精加工，同時，要采用較小的車削深度以及小車削力的加工方式加工；電火花穿孔對深小孔加工效果較好，通過工藝試驗得出加工的工藝參數應選為外徑0.9mm 的銅管，加工深度為80mm。