“華龍一號(hào)”核主泵電機(jī)薄壁長(zhǎng)軸套的滾壓工藝方法

齊淑尊,王文彬,杜 帆,劉玉國(guó),陳 迪

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司,哈爾濱 150040)

0 引言

哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司自主制造“華龍一號(hào)”軸封式主泵電機(jī)機(jī)組的技術(shù)屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。薄壁長(zhǎng)軸套安裝在下泵軸上,與反應(yīng)堆一回路約300 ℃的高溫高壓介質(zhì)接觸,該產(chǎn)品制造的完成對(duì)于三代核電的安全運(yùn)行和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)具有重要意義。

本文研究的內(nèi)容是“華龍一號(hào)”核電站軸封式核主泵機(jī)組制造過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),即薄壁長(zhǎng)軸套的滾壓技術(shù),之前國(guó)內(nèi)沒有制造先例。長(zhǎng)軸套由于壁薄,國(guó)外的滾壓技術(shù)經(jīng)常因滾壓過程中變形而導(dǎo)致報(bào)廢重制,成本浪費(fèi)并延誤交貨周期。為完成核電站軸封主泵制造技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化,迫切需要研究出一種穩(wěn)定的薄壁長(zhǎng)軸套的滾壓技術(shù)以解決制造瓶頸。

1 難點(diǎn)分析

核電站核主泵長(zhǎng)軸套的滾壓工藝方法一直是工藝難題。之所以對(duì)軸套表面進(jìn)行滾壓,是因?yàn)檩S套需裝配在主泵軸系上高速旋轉(zhuǎn),與下導(dǎo)軸承的石墨環(huán)進(jìn)行摩擦。為了提高石墨環(huán)的壽命,需要盡可能的降低軸套的粗糙度,同時(shí)也要提高軸套自身的抗疲勞強(qiáng)度。采用滾壓這種工藝可以使金屬表面產(chǎn)生塑性變形,改變表層結(jié)構(gòu),達(dá)到大幅度改善材料表面的疲勞壽命和降低表面粗糙度這兩種目的。而單獨(dú)對(duì)表面的磨削無法達(dá)到這兩種效果。國(guó)外引進(jìn)的工藝方法是長(zhǎng)軸套兩端固定端蓋穿入芯軸中,在臥式車床上進(jìn)行滾壓(如圖1所示),其缺陷在于這種方法極易導(dǎo)致長(zhǎng)軸套變形。因長(zhǎng)軸套的精度較高,要求長(zhǎng)軸套的內(nèi)外圓全跳動(dòng)為0.02 mm,同軸度0.01 mm,并且壁薄,最薄處僅為13 mm,長(zhǎng)度又長(zhǎng),達(dá)1 100 mm,故在滾壓過程中很容易產(chǎn)生變形。

圖1 軸套臥式滾壓

2 變形原因分析

第一是傳統(tǒng)的工藝方法采用臥式滾壓,需要用機(jī)床的卡盤夾住一側(cè)端蓋,頂尖在另一側(cè)頂住芯軸。而頂尖力的大小很難控制,稍大就會(huì)導(dǎo)致芯軸彎曲變形導(dǎo)致長(zhǎng)軸套變形,稍小會(huì)使?jié)L壓時(shí)產(chǎn)生的壓力使長(zhǎng)軸套產(chǎn)生徑向位置變化,無法保證滾壓成功。第二是在滾壓時(shí)由于內(nèi)部沒有支撐而導(dǎo)致薄壁的長(zhǎng)軸套在受到滾壓力作用時(shí)產(chǎn)生變形,從而導(dǎo)致工件報(bào)廢。第三是需要合適的滾壓參數(shù),否則也會(huì)導(dǎo)致壓力過大變形,或壓力過小而導(dǎo)致滾壓失效。據(jù)統(tǒng)計(jì):在前期軸套滾壓過程中,直徑方向最大變形0.08 mm,滾壓后產(chǎn)品合格率僅達(dá)到30%左右。對(duì)這種長(zhǎng)而薄的零件采用這種臥式滾壓方式,在滾壓時(shí)要受到自身的重力和徑向滾壓力的作用,對(duì)其施加較大的裝夾力就很容易導(dǎo)致其變形。所以要改變思路,研究新的工藝方法。

長(zhǎng)軸套制造流程關(guān)鍵的工藝就是磨序和滾壓序(如圖2所示)。長(zhǎng)軸套長(zhǎng)度1 116 mm,外圓與內(nèi)孔的部分同軸度要求0.01 mm,為了保證粗糙度要求和尺寸公差及形位公差等設(shè)計(jì)要求,在磨削工序就需要15天左右的時(shí)間,而且完成這個(gè)尺寸及精度對(duì)磨削設(shè)備和磨削工裝的要求也是很高的,使用的磨床小時(shí)費(fèi)用達(dá)近千元。

圖2 軸套制造流程圖

磨序后,為提高軸套表面光潔度和抗疲勞強(qiáng)度,須對(duì)軸套表面進(jìn)行滾壓。滾壓是利用滾壓頭對(duì)工件產(chǎn)生的壓力來滾壓工件表面,所以加工后的表面粗糙度受加工前狀態(tài)的制約。如果加工前表面狀態(tài)粗糙,則會(huì)相應(yīng)造成滾壓后的表面粗糙,一般來說滾壓可以優(yōu)化至少一個(gè)等級(jí)的粗糙度。

本文滾壓軸套所使用的是流體靜力學(xué)滾壓工具,滾壓后一般不改變工件的尺寸或改變的尺寸小于0.01 mm,這種滾壓工具本身是不會(huì)使軸套變形的或者產(chǎn)生的變形量很小。

通過對(duì)軸套的滾壓,還可以提高下導(dǎo)軸承碳環(huán)的壽命,這對(duì)于核主泵的使用壽命和安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。

正常情況下只允許對(duì)軸套表面進(jìn)行一次滾壓。當(dāng)重復(fù)多次對(duì)軸套進(jìn)行滾壓時(shí),將會(huì)出現(xiàn)直徑增大及變形,伴隨這種現(xiàn)象將會(huì)產(chǎn)生表面起皮等現(xiàn)象。所以對(duì)表面進(jìn)行滾壓時(shí)要嚴(yán)格控制滾壓次數(shù),如發(fā)生滾壓不合格現(xiàn)象,最多僅可進(jìn)行再次滾壓。

最后的滾壓工序常常因?yàn)樽冃味鴮?dǎo)致報(bào)廢,帶來了成本損失和工期延誤。沒達(dá)到設(shè)計(jì)要求的長(zhǎng)軸套裝入核主泵會(huì)使運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與下導(dǎo)軸承石墨碳環(huán)偏磨,主泵振動(dòng)過大,使下導(dǎo)軸承碳環(huán)損壞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成核電廠事故。

3 工藝過程

針對(duì)上述分析的原因,我司研究出一套可以解決上述問題的工裝(如圖3所示),并改變了工藝方法。具體如下:

1.內(nèi)支撐;2.外支撐;3.螺栓;4.軸套;5.支撐盤;6.拉桿;7.蓋板;8.螺母;9.工作臺(tái);10.球頭滾壓工具;11.刀架;12.卡爪;13.斜面;14.內(nèi)孔臺(tái)階。圖3 軸套立式滾壓工裝示意圖

(1) 內(nèi)支撐與外支撐通過螺栓裝配到一起后安裝到長(zhǎng)軸套的內(nèi)孔臺(tái)階處,通過螺栓的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)使內(nèi)支撐在接觸的斜面上向外支撐的底面滑動(dòng),外支撐均布著12個(gè)開口,使外支撐向外撐緊,外支撐支撐在長(zhǎng)軸套的內(nèi)孔臺(tái)階上。

(2) 滾壓下部支撐盤安裝到立式車床工作臺(tái)上。

(3) 長(zhǎng)軸套的下部臺(tái)階安裝到滾壓下部支撐盤的上部臺(tái)階上,兩個(gè)位置的配合間隙J1滿足J1≤0.01 mm。

(4) 4個(gè)M20拉桿螺紋旋進(jìn)滾壓下部支撐盤的M20螺紋孔上,裝入帶有止口的上部蓋板,裝配4個(gè)螺母到4個(gè)M20拉桿上,4個(gè)螺母壓緊上部蓋板,上部蓋板的止口與長(zhǎng)軸套的上部臺(tái)階的間隙J2滿足J2≤0.01 mm。

(5) 通過加墊片的方式調(diào)整長(zhǎng)軸套在立式車床工作臺(tái)的跳動(dòng)T,滿足T≤0.01 mm。

滾壓后仍做跳動(dòng)檢查,并做好記錄(如表1所示),調(diào)整后鎖緊立式車床工作臺(tái)的卡爪。

表1 軸套立式滾壓跳動(dòng)記錄

(6) 球頭滾壓工具固定到立式車床的刀架上,旋轉(zhuǎn)立式車床工作臺(tái),使用球頭滾壓工具從長(zhǎng)軸套底部向上進(jìn)行滾壓,滾壓區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)軸套的底部到內(nèi)孔臺(tái)階處即完成長(zhǎng)軸套滾壓,滾壓的線速度S、進(jìn)給量f和滾壓壓力P分別滿足:

75 m/min≤S≤85 m/min

0．08 mm/rev≤f≤0．12 mm/rev

140 bar≤P≤160 bar

經(jīng)統(tǒng)計(jì),采用此工藝方法的滾壓合格率大大增加,三坐標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果和合格率(如表2所示)。表中為兩個(gè)核電站項(xiàng)目,項(xiàng)目1的三臺(tái)采用了原工藝,項(xiàng)目2的三臺(tái)為“華龍一號(hào)”采用的新工藝。

表2 新舊工藝檢測(cè)結(jié)果及合格率統(tǒng)計(jì)

4 技術(shù)方法分析

這種技術(shù)方法的工作過程及原理是,采用長(zhǎng)軸套立式滾壓。可以使長(zhǎng)軸套不受徑向的裝卡力,通過自身的重量及上部蓋板壓緊即可固定到立式車床工作臺(tái)上(如圖4所示),從而不會(huì)使長(zhǎng)軸套因受裝卡力而變形。通過內(nèi)部支撐工具對(duì)內(nèi)孔臺(tái)階的支撐可以使長(zhǎng)軸套的外圓,不會(huì)因受到滾壓力而產(chǎn)生長(zhǎng)軸套變形。

圖4 軸套立式滾壓

滾壓是利用金屬在常溫狀態(tài)的冷塑性特點(diǎn),利用球頭滾壓工具對(duì)工件表面施加一定的壓力,使工件表層金屬產(chǎn)生塑性流動(dòng),填入到原始?xì)埩舻牡桶疾ü戎?而達(dá)到工件表面粗糙值降低。由于被滾壓的表層金屬塑性變形,使表層組織冷硬化和晶粒變細(xì),形成致密的纖維狀,并形成殘余應(yīng)力層,硬度和強(qiáng)度提高,從而改善了工件表面的耐磨性、耐蝕性和配合性,增加了長(zhǎng)軸套的使用壽命。同時(shí)由于優(yōu)化了表面光潔度,也提高了下導(dǎo)軸承的壽命。

我司這種創(chuàng)造性地采用一套支撐內(nèi)孔的工裝工具,結(jié)合在立式車床上立式滾壓的工藝方法,使用流體靜力學(xué)滾壓工具,從而保證了長(zhǎng)軸套滾壓后的尺寸,這種方法的優(yōu)點(diǎn)如下:

(1) 立式滾壓因不使用機(jī)床頂尖,可以避免頂尖力導(dǎo)致工具芯軸變形及后續(xù)的長(zhǎng)軸套變形。

(2) 立式放置利用工件自重并用上部蓋板和拉桿及螺母將長(zhǎng)軸套固定到滾壓下部支撐盤上,長(zhǎng)軸套并沒有受到自重變形及可導(dǎo)致長(zhǎng)軸套變形的徑向裝卡力。

(3) 滾壓下部支撐盤采用三段式,第一段用于立式車床工作臺(tái)裝卡,第二段用于長(zhǎng)軸套軸向支撐,第三段用于長(zhǎng)軸套徑向支撐且配合間隙為小于等于0.01 mm。第一段的裝卡力產(chǎn)生的變形傳導(dǎo)到第三段很微小,不會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)軸套變形。第二段可以起到長(zhǎng)軸套軸向支撐及留出球頭滾壓工具的進(jìn)入位置并且起到緩沖第一段裝卡力的作用。第三段可以起到支撐長(zhǎng)軸套下部?jī)?nèi)孔的作用,由于間隙J1滿足小于等于0.01 mm,可以有效起到支撐滾壓受力作用。

(4) 本工藝方法采用內(nèi)孔三段支撐。第一段為滾壓下部支撐盤的第三段臺(tái)階起到支撐長(zhǎng)軸套下部?jī)?nèi)孔的作用。第二段為工具內(nèi)支撐與外支撐通過螺栓裝配到一起,外支撐均布著12個(gè)開口,通過螺栓的拉緊,內(nèi)支撐與外支撐的斜面相互作用,內(nèi)支撐將外支撐直徑撐大,從而支撐長(zhǎng)軸套內(nèi)壁的內(nèi)孔臺(tái)階,并且無間隙,有效的抵抗外部的滾壓力的作用。第三段為長(zhǎng)軸套軸套的上部蓋板,上部蓋板與長(zhǎng)軸套通過止口配合,止口間隙小于0.01 mm,止口對(duì)長(zhǎng)軸套上部?jī)?nèi)孔進(jìn)行支撐。這三段支撐對(duì)長(zhǎng)軸套內(nèi)孔形成強(qiáng)有力的支撐,在滾壓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)軸套變形。

(5) 滾壓區(qū)域放置在下部,相對(duì)于在長(zhǎng)軸套上部可有效避免滾壓長(zhǎng)軸套時(shí)滾壓位置距離立式車床工作臺(tái)位置距離過遠(yuǎn)而產(chǎn)生的長(zhǎng)軸套的振動(dòng)。

另外,本技術(shù)采用的是流體靜力學(xué)滾壓工具,使用的技術(shù)參數(shù)經(jīng)過模擬驗(yàn)證,可有效提高表面的抗疲勞強(qiáng)度和光潔度。

5 結(jié)論

本文論述的自主開發(fā)的薄壁長(zhǎng)軸套滾壓技術(shù)成功完成了薄壁長(zhǎng)軸套的滾壓,滾壓結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求,解決了變形的問題。經(jīng)過多臺(tái)驗(yàn)證,該技術(shù)成熟可靠,并已獲國(guó)家發(fā)明專利授權(quán),成功應(yīng)用于華龍一號(hào)的福清5&6核電站和海外巴基斯坦卡拉奇核電站等項(xiàng)目的核主泵制造,主泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定并已投入商運(yùn)。該技術(shù)滿足核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化,對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)核電市場(chǎng)開發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化具有深遠(yuǎn)意義。