核電蒸汽發(fā)生器管板深孔加工技術(shù)研究

王再山，鄭紅亮

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233）

1 BTA 鉆鏜聯(lián)合深孔加工

機(jī)械加工中通常將孔深與孔徑之比大于6 的孔稱為深孔，深孔加工存在排屑困難、散熱困難、刀桿細(xì)長(zhǎng)剛度差易振動(dòng)、刀具切削和磨損無(wú)法觀察、深孔容易鉆偏斜等特點(diǎn)。核電蒸汽發(fā)生器管板深孔長(zhǎng)徑比通常超過(guò)45，且對(duì)加工精度有非常高的要求。BTA 鉆鏜聯(lián)合深孔加工方式具有以下特點(diǎn)：①孔壁與鉆桿間送入切削液，鉆桿管內(nèi)排出切削液和鐵屑，鐵屑不損傷孔壁，加工精度高；②鉆頭外、中、內(nèi)多刀刃切削，雙面孔排屑，無(wú)較大橫刃；③鉆頭刀刃分段交錯(cuò)排列，保證斷屑和分屑可靠；④鉆頭內(nèi)刃與中刃的偏移和進(jìn)差形成臨時(shí)芯柱，加工中自導(dǎo)向；⑤各刃可選不同材料適應(yīng)不同加工特性，內(nèi)刃選韌性好，外刃選耐磨性好。核電蒸汽發(fā)生器管板深孔加工選用BTA 鉆鏜聯(lián)合深孔加工方式（圖1）。

圖1 BTA 鉆鏜聯(lián)合深孔加工

深孔加工時(shí)無(wú)法直接觀察刀具的切削情況，常通過(guò)聽聲音、看切屑、觀察機(jī)床負(fù)荷及切削油參數(shù)等方法來(lái)判斷排屑及刀具磨損狀況。深孔切削時(shí)散熱和排屑困難，必須選擇合適的切削用量，合適的切削油壓力、流量和溫度，保證斷屑可靠、排屑通暢，同時(shí)攜帶出鉆鏜加工產(chǎn)生的熱量。深孔鉆桿細(xì)長(zhǎng)而剛性差，易產(chǎn)生彎曲和振動(dòng)，深孔加工時(shí)孔易發(fā)生偏斜，因此必須在鉆頭刀具及進(jìn)液器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮導(dǎo)向裝置與防振動(dòng)措施，以保證加工精度。

2 核電蒸汽發(fā)生器管板深孔加工要求

管板外徑Φ4487.7±1.5 mm，高度1025±1 mm，本體材料為ASME Ⅲ-NB SA-508/SA-508M Grade3 Class2 低合金鋼鍛件，一次側(cè)表面堆焊SFA-5.11 ENiCrFe-7、SFA-5.14 ER/EQNiCrFe-7鎳基合金，在管板中心區(qū)域上分布著20 050 個(gè)三角形排列的管孔（圖2）。管板管孔主要加工要求：管孔內(nèi)徑，共20 050 個(gè)；加工厚度798±0.38 mm，包含6.6±1.4 mm 堆焊層；孔間距24.892 mm；孔橋7.16 mm，二次側(cè)最小6.12 mm；孔位置度Φ0.25 mm；孔垂直度Φ0.48 mm；孔內(nèi)表面粗糙度Ra≤6.3 μm；長(zhǎng)徑比905/17.73≈51。

圖2 核電蒸汽發(fā)生器的管板、管孔

核電蒸汽發(fā)生器制造過(guò)程中與管板深孔加工緊密關(guān)聯(lián)的工藝流程如圖3 所示，其中管板深孔加工的質(zhì)量直接影響到后續(xù)的穿管、封口焊和脹接、渦流檢測(cè)等關(guān)鍵制造工藝，是蒸汽發(fā)生器的整體制造質(zhì)量和在役運(yùn)行質(zhì)量的決定性因素之一。

圖3 核電蒸汽發(fā)生器管板深孔加工流程

3 深孔加工評(píng)定試驗(yàn)

深孔加工評(píng)定試驗(yàn)的目的：①了解和掌握三軸數(shù)控深孔鉆床的加工性能；②檢驗(yàn)三軸數(shù)控深孔鉆床用BTA 鉆頭的加工精度；③初步選定合乎要求的BTA 鉆頭供應(yīng)商；④發(fā)現(xiàn)并解決BTA 鉆孔中出現(xiàn)的問題；⑤熟悉三軸數(shù)控深孔鉆床的編程方法；⑥檢驗(yàn)操作人員對(duì)機(jī)床的掌握程度，以保證正式產(chǎn)品加工的質(zhì)量。

3.1 鉆頭的選擇和檢查

核電管板深孔鉆加工的精度要求非常高，對(duì)BTA 鉆頭有很高的要求，對(duì)鉆頭采購(gòu)應(yīng)提出嚴(yán)格的技術(shù)要求并進(jìn)行嚴(yán)格檢查。在采購(gòu)時(shí)對(duì)TaeguTec 鉆頭和UniTec 鉆頭分別進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用TaeguTec 鉆頭的鉆孔直徑、內(nèi)表面粗糙度等均滿足要求，但鉆頭斷刃的概率較大，排屑有時(shí)不太順暢；使用UniTec 鉆頭的鉆孔直徑、內(nèi)表面粗糙度等均滿足要求，鉆頭斷刃的概率相對(duì)小一些，最終從保證加工質(zhì)量的角度決定采購(gòu)整體質(zhì)量較好的UniTec 鉆頭。

鉆頭采購(gòu)需進(jìn)行嚴(yán)格控制，按照?qǐng)D4 對(duì)每個(gè)鉆頭都進(jìn)行檢查并記錄如下：①目視檢查鉆頭標(biāo)識(shí)、檢驗(yàn)編號(hào)、切削刃缺口、焊接質(zhì)量、研磨質(zhì)量等；②檢查鉆孔直徑D，由邊緣刀片外刃、側(cè)墊板導(dǎo)向面、背墊板導(dǎo)向面3 點(diǎn)構(gòu)成；③檢查鉆頭上、下連接支承面直徑D1、D2；④圓錐度檢查，即側(cè)墊板、背墊板導(dǎo)向面在鉆頭軸線上的徑向偏差值；⑤同軸度檢查，即側(cè)墊板、背墊板導(dǎo)向面相對(duì)于邊緣刀片外刃的徑向偏差值；⑥垂直度檢查，即鉆頭軸線相對(duì)于連接支承底面A 的垂直度。

圖4 BTA 深孔鉆頭

3.2 切削參數(shù)和報(bào)警參數(shù)

根據(jù)管板本體材料和堆焊層材料的不同，鉆頭鉆入一次側(cè)表面和鉆出二次側(cè)表面時(shí)的加工條件不同，對(duì)切削參數(shù)在不同鉆深處設(shè)定不同的參數(shù)，修改數(shù)控加工子程序中的對(duì)應(yīng)參數(shù)（表1）。選擇不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量分別進(jìn)行深孔鉆加工試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定合適的切削參數(shù)，同時(shí)根據(jù)深孔鉆加工時(shí)機(jī)床運(yùn)行情況設(shè)定合理的報(bào)警極限值（表2）。

表1 不同鉆深處深孔鉆加工參數(shù)設(shè)定

表2 深孔鉆加工切削參數(shù)及報(bào)警極限試驗(yàn)

根據(jù)以上深孔加工試驗(yàn)情況和深孔加工質(zhì)量結(jié)果，初步選定第3 組參數(shù)，既能保證深孔加工的質(zhì)量，又能縮短加工時(shí)間，提高加工效率。

3.3 鉆頭壽命的確定

深孔切削時(shí)散熱和排屑困難，切削油壓力和流量的不穩(wěn)定波動(dòng)，鉆桿進(jìn)給過(guò)程中的彎曲和振動(dòng)，管板材料的局部不均勻等，都會(huì)造成鉆頭切削刃甚至結(jié)構(gòu)的損壞，從而嚴(yán)重影響深孔加工精度，因此需對(duì)每個(gè)鉆頭的加工孔數(shù)進(jìn)行限制。

通過(guò)鉆頭最大加工孔數(shù)試驗(yàn)，大多數(shù)鉆頭在加工40～50 個(gè)深孔后加工質(zhì)量明顯下降，因此為保證管板深孔加工精度，規(guī)定每個(gè)鉆頭最多鉆15 個(gè)孔。

4 深孔鉆機(jī)床的準(zhǔn)備和加工工件的裝夾及調(diào)整

4.1 深孔鉆機(jī)床的準(zhǔn)備和調(diào)整

深孔鉆機(jī)床為德國(guó)TBT 三軸數(shù)控深孔鉆，主要技術(shù)參數(shù)為：最大水平行程（X 軸）6000 mm，最大垂直行程（Y 軸）4500 mm，最大鉆軸行程（Z 軸）1800 mm，主軸數(shù)3個(gè)，BTA 鉆孔直徑Φ13～Φ65 mm，最大有效鉆孔深度1100 mm，主軸箱行程（U 軸）600 mm，主軸間距250～400 mm，主軸轉(zhuǎn)速40～5000 r/min，主軸最大進(jìn)給力20 000 N，切削油最大壓強(qiáng)10 MPa，切削油流量7～260 L/min，切削油PETROFER（ISOCUT T400）。

安裝CAP1000SG 管板專用接長(zhǎng)套于深孔鉆床主軸箱前座上，調(diào)整3 個(gè)接長(zhǎng)套位置的并使用光學(xué)裝置檢測(cè)3 個(gè)接長(zhǎng)套的垂直度，3 個(gè)接長(zhǎng)套與主軸的同心度滿足要求。

安裝鉆頭、鉆桿和鉆頭導(dǎo)套、鉆桿導(dǎo)套，檢測(cè)3 個(gè)鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)滿足要求。選擇合適的鉆頭、鉆頭導(dǎo)套間隙和鉆桿、鉆桿導(dǎo)套間隙，以對(duì)鉆頭鉆入時(shí)進(jìn)行導(dǎo)向，防止鉆桿彎曲和振動(dòng)，保證鉆孔的直線度。

4.2 管板下筒體組件及深孔熱機(jī)試板裝夾

在落地鋼平臺(tái)上安裝前座固定V 形鐵支撐、后座可調(diào)V 形鐵支撐、工件防退支撐、試板裝夾支架及附件等。吊裝管板下筒體組件于兩V 形鐵上，管板一次側(cè)坡口端面與設(shè)備主軸端處的工作臺(tái)前端邊緣基本齊平，進(jìn)出位置控制在±10 mm 范圍內(nèi)。安裝熱機(jī)及調(diào)試用試板，試板平面位置與管板平面基本齊平（圖5）。

圖5 管板下筒體組件的裝夾和調(diào)整

4.3 管板位置的調(diào)整

（1）調(diào)整管板圓周方向位置，相對(duì)于0°～180°兩個(gè)手孔所確定的中心線位置誤差≤0.5 mm。

（2）調(diào)整管板一次側(cè)端面90°～270°軸線位置和設(shè)備X 軸平行，校正誤差≤0.2 mm/全長(zhǎng)。

（3）調(diào)整管板一次側(cè)端面0°～180°軸線位置和設(shè)備Y 軸平行，校正誤差≤0.2 mm/全長(zhǎng)。

（4）調(diào)整試板的水平和垂直方向位置和設(shè)備X、Y 軸平行，校正誤差與管板相同（同比例縮小）。

4.4 調(diào)整后檢查、緊固及記錄

（1）檢查和記錄管板下筒體組件校正后各部位的實(shí)測(cè)尺寸。

（2）使用防退支撐裝置頂緊下筒體，在臨時(shí)吊耳處頂緊管板，在前座和后座支撐處用鋼帶綁緊管板和下筒體，鎖定管板下筒體組件位置。

（3）復(fù)核和記錄管板下筒體組件緊固后各部位的實(shí)測(cè)尺寸。

（4）在管板X、Y 軸方向適當(dāng)部位放置數(shù)只百分表，檢測(cè)管板下筒體組件裝夾后及管板加工過(guò)程中的位置變化情況。

（5）管板裝夾工位靜置3 d 并定時(shí)用深孔鉆床接長(zhǎng)套加力頂緊，復(fù)核和記錄管板下筒體組件裝夾后各部位的實(shí)測(cè)尺寸。

5 蒸汽發(fā)生器管板深孔加工

5.1 深孔加工程序編制及模擬驗(yàn)證

（1）由于管孔數(shù)量超過(guò)20 050 個(gè)，將管板所有孔位用C語(yǔ)言二維矩陣數(shù)組表示，使用數(shù)組遍歷算法生成優(yōu)化的3 軸、2 軸、1 軸加工程序，然后用LISP 語(yǔ)言在AutoCAD 模擬繪圖演示驗(yàn)證，以優(yōu)化鉆孔次數(shù)、提高鉆孔效率、預(yù)防邊緣孔位碰撞等。

（2）深孔鉆機(jī)床上輸入和復(fù)核管板深孔加工程序，掛放管板深孔鉆加工模擬圖，檢查邊緣孔位程序的接長(zhǎng)套與管板是否發(fā)生干涉碰撞。模擬圖也用于記錄鉆頭、導(dǎo)套等磨損件更換孔位。

（3）運(yùn)行復(fù)核后的管板深孔加工程序，用接長(zhǎng)套頂針在管板待加工面壓孔，檢查壓孔是否符合掛放模擬圖，壓孔是否重復(fù)等。

5.2 蒸汽發(fā)生器管板深孔加工

（1）記錄管板深孔加工中心坐標(biāo)和管板邊緣內(nèi)側(cè)0°、180°、90°、270°位置，設(shè)定接長(zhǎng)套端面零位于管板一次側(cè)端面約10 mm處，鉆軸進(jìn)給深度于鉆頭伸出管板二次側(cè)平面2～2.5 mm 處等。

（2）機(jī)床預(yù)熱后加工試板，切削油溫度保持在28～35 ℃，試加工孔尺寸精度都滿足要求后可加工工件。

（3）選擇90°/-270°方向的高低2 孔作為管板基準(zhǔn)孔加工，記錄基準(zhǔn)孔位置，再加工其余孔。

（4）鉆孔過(guò)程中每隔一定數(shù)量鉆孔后，檢查所有磨損件狀況，包括鉆桿、鉆頭導(dǎo)套、鉆桿導(dǎo)套、壓板等，若磨損量超過(guò)允許值，應(yīng)立即更換。

（5）鉆孔中斷時(shí)間大于30 min 時(shí)，需先在試板上熱機(jī)檢查試鉆孔質(zhì)量，復(fù)核工件基準(zhǔn)孔偏差后，再重新啟動(dòng)工件鉆孔。若基準(zhǔn)孔位置超差±0.1 mm 需重新設(shè)定機(jī)床零位以避免累積公差。

5.3 深孔加工過(guò)程的控制與檢測(cè)

核電管板對(duì)深孔鉆加工的精度要求非常高，因此需在深孔加工過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制，規(guī)定具體詳細(xì)的檢查措施、檢查項(xiàng)目、檢查方法、檢查頻率及合格要求（表3）。

表3 鉆孔過(guò)程的控制與檢測(cè)

6 管板深孔加工研究結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究并經(jīng)過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證，證明本文所述深孔加工工藝是一套高質(zhì)量、高效率的深孔加工技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)。

（1）深孔加工尺寸超差率控制在0.1‰以內(nèi)。

（2）孔壁螺旋線的出現(xiàn)率控制在0.1‰以內(nèi)。

（3）20 050 個(gè)管孔加工時(shí)間控制在50 d 以內(nèi)，隨著工藝及檢查的成熟，加工時(shí)間將更短。

（4）管板深孔加工超差導(dǎo)致的堵管為0。