核主泵叶轮数控加工轨迹与应力腐蚀关系研究*

邓 帆 张德清 罗 磊 胡 俊

(上海交通大学 机械与动力工程学院 上海 200240)

核主泵叶轮长期处于高温高压高腐蚀的恶劣工况之下，在实际工作中常常会发生腐蚀性应力开裂，给核电站的安全运行造成了巨大的影响[1]。核主泵叶轮通常是用奥氏体不锈钢材料，通过数控加工而成。由于核主泵叶轮的工作性能和复杂的空间结构要求，要得到很好的表面加工质量，数控加工工艺的合理规划至关重要。以核主泵叶轮最容易发生腐蚀开裂的根部作为研究对象，通过选用UG里面的七种基本加工轨迹，对于七个不同叶片的根部进行最终的精加工。比较最终的加工表面质量并制备U型弯件进行应力腐蚀试验，发现了不同加工轨迹与应力腐蚀裂纹产生与扩张的内在联系。

1 叶轮数控加工工艺规划

对于UG中建好的叶轮模型(如图1所示)，划分为粗加工、半精加工和精加工三个加工阶段。

图1 叶轮模型

在叶轮流道的粗加工中，考虑到去除量大等原因，选用了 D10的平底铣刀，采用型腔铣的方法进行开槽。对叶轮流道的半精加工，主要是为精加工做好铺垫。而在对叶轮流道和叶片的精加工中需要尽可能地保证表面加工质量，因此选用了D6R3球头铣刀，采用可变轮廓铣中的曲面驱动方式进行加工。

叶轮流道的清根处理需要采用较小直径的球头铣刀对过渡区域进行单独加工，以清除根部的残余余量。同样选用6R3球头铣刀，对于七个不同叶片的根部，采用了七种不同的基本加工轨迹进行刀具轨迹的规划，见表 1。由于加工不锈钢存在着切削力大、切削温度高、加工硬化严重、容易粘刀和刀具磨损快等特点，于是选取了加含氯成分高的切削液[2]。精加工阶段的每个加工区域要用一把新的刀具进行加工，以避免因刀具磨损后影响加工质量和试验结果。

表1 叶轮根部刀具轨迹

2 叶轮数控加工试验

叶轮数控加工试验是在DMU50五轴立式加工中心上进行的。粗加工时采用的主轴转速为4000 r/min，进给速度为 280mm/min；半精加工和精加工时采用的主轴转速为3500 r/min，进给速度减小为250mm/min[3]。加工完成后观察工件表面的加工质量(如图2所示)，可以得到在留取相同加工余量的情况下，采用两种不同的跟随周边方法的轨迹5和轨迹6后，工件表面存在着相对更多的变向，加工后的表面质量相对较差。而轨迹5相对于轨迹6的横向变向少，其加工后表面质量相对要好一些。轨迹1采用的是横向的往复式刀具轨迹，由于横向行程短，也存在着很多变向，其加工后的表面质量相对其他选取竖向为主方向的刀具轨迹差，其余的刀具轨迹加工的表面均较为光滑。

图2 叶轮数控加工效果

3 应力腐蚀试验

为了探究刀具轨迹对于叶轮表面裂纹生成的影响，选取了同样材料的316L不锈钢薄板作为研究对象。采用相同的加工流程，选择相同的加工参数，最终对应七种 UG基本刀具轨迹编号对核主泵叶片根部的薄板进行精加工，选择浓度为42%的沸腾氯化镁溶液作为试验介质[4]，并按照国标GB4334.8-84《不锈钢42%氯化镁应力腐蚀试验方法》制备U型弯试样进行试验。

在核主泵叶轮数控加工中，先选用相同的加工余量和加工参数对5mm厚的316L不锈钢薄板进行粗加工和精加工，最后的精加工分别采用叶轮根部精加工的七种刀具轨迹，用D6R3的球头铣刀加工而成。在加工完成后采用对材质影响较小的线切割方法把薄板切割成75mm×15mm×3mm的试样，采用金相试样研磨抛光机对试样剪切的断口进行打磨，并用适当的溶剂进行清理。分别以试样两侧距离侧边10mm处为中心，钻取直径为4mm的小孔。用直径为 16mm的压头在滚柱压模上将试样弯曲成U型并使其两臂平行，采用螺栓和螺母对试样的两臂施加一定的作用力，使其紧固(紧固夹具与试样之间垫有绝缘材料)。对制备的U型试样进行对应编号，每个编号都有三个平行试样。试验时的试样如图3所示。

图3 U型弯试样

对制备完成的U型试样进行应力腐蚀试验，试验介质使用的是氯化镁溶液，由分析纯氯化镁加蒸馏水配制而成，浓度为42%的氯化镁溶液保持沸腾，通过内部和外部双重温度传感器进行温度控制，保证在整个试验过程中温度保持在 155℃左右，以保证试验条件的一致性[5，6]。

在试验中，不同的编号对应七种不同的刀具轨迹。每个编号具有三个平行试样，将处理好的试样放入试验容器中，每隔2 h利用高倍光学显微镜取样观察一次，检测试样表面的开裂情况，记录宏观裂纹产生的时间和裂纹贯穿的时间，分析 316L不锈钢经过不同加工轨迹加工后的应力腐蚀性[7]。

4 试验结果及分析

表2记录了在不同观察时间里、不同编号的试样表面产生裂纹的个数和出现裂纹贯穿现象的个数。

表2 试验记录

由于运用不同刀具轨迹加工的奥氏体不锈钢薄板在腐蚀试验中表现出了不同的抗腐蚀性能，说明不同的加工轨迹对于薄板表面裂纹的生成具有不同的影响。

编号1的试样在第一次取样观察时率先出现腐蚀裂纹，并在之后的观察中裂纹滋生速度最快。在第三次取样观察时，裂纹最先出现贯穿现象以致最后出现了断裂。裂纹在肉眼下可以明显观察到，其抗应力腐蚀性能最差[8-10]，如图4所示。

图4 编号1试样试验情况

其余编号的试样在第一次取样观察的时候均没有出现腐蚀裂纹，但在第二次取样观察的时候，编号3，5，6的试样开始出现了不同程度的腐蚀裂纹，在第三次取样观察的时候，全部编号的试样都出现了不同程度的腐蚀。

编号4的试样抗应力腐蚀能力最好。在第三次观察取样的时候，有2个试样边缘开始出现细小的裂纹，在之后的观察中裂纹由边缘向中间延伸，裂纹生长速率很慢。在试验结束的时候，3个试样中仍然有1个试样没有出现裂纹贯穿现象，压紧的螺母仍然紧固，试验情况如图5所示。

图5 编号4试样试验情况

在试验中，编号4的试样具有最好的抗腐蚀性，裂纹的出现最少，而且生长得最慢，其对应的是螺旋的加工轨迹。在加工过程中只有一次进退刀，在变向时采用平滑过渡的方式，说明在加工的时候因进退刀次数较少，在平滑方向的变化可以带来较好的抗腐蚀性，从而可以减少裂纹的产生，放慢裂纹的生长速度。

在编号1的试样中，第一次观察到最先出现的裂纹，且裂纹在随后试验中的生长速率最快，最后试样几近断裂。其对应的是以水平方向为主方向的往复式加工轨迹，虽然只有一次进退刀，但是却有最多的变向，说明在一次进退刀中变向过多会使表面的抗腐蚀性下降，加速裂纹的生长。

在编号2的试样中，采用了单向式的加工方式，抗腐蚀性能较好。虽然在加工过程中存在着多次进退刀，但在一次进退刀时没有切削方向的改变，说明在一次进退刀中有较少的变向，其对应的抗应力腐蚀性能好。

在编号5和6的试样中，采用了跟随周边的方法，不同的是其关于水平方向和竖直方向的限制不一样，试件5是竖直方向设定的刀路多，而试样6正好相反。在四次观察中，试样5的裂纹生长情况较试样6好，说明在变向次数相同的情况下，在较长的路径上变向比在较短的路径上变向多，这有利于表面的抗腐蚀性能，且腐蚀裂纹的生长状况好，如图6所示。

图6 试验结束后编号5,6试样的裂纹情况

在编号2的试样中，裂纹产生和生成的情况相对较好，其对应的加工轨迹的进退刀次数相同，且在加工表面没有变向现象。但编号2试样对应的加工轨迹每次进刀和退刀的方向都相同，而在编号3试样对应的加工轨迹中，上一步进刀的方向与下一步的退刀方向相同，说明在进退刀次数和变向次数相同的情况下，进退刀的方向一致可以带来更好的抗应力腐蚀性。

在编号7试样中，裂纹生长状况更加理想，其对应的是以竖直方向为主方向的往复式加工轨迹，编号3试样对应的是以竖直方向为主方向的往复上升的加工轨迹，其主要区别在于往复上升的加工方法是在走完竖直方向的行程后要进行一次抬刀，然后再进刀，变向在远离工件表面的地方完成；往复式加工轨迹则是只有一次进退刀，在走完主方向行程后直接在工件表面变换切削方向，往复上升刀具轨迹进退刀的次数等于往复式刀具轨迹变向的次数加 1，说明进退刀次数相比变向切削对于抗应力腐蚀性能的影响要大。

编号4试样的抗腐蚀性能略好于编号7试样，编号4试样采用了螺旋的加工轨迹，其和往复式加工轨迹的主要区别在于，往复式加工轨迹是直接变向的，而螺旋式加工轨迹的变向是有圆弧进行过渡的，在相同变向次数下，相同进退刀次数变向过渡平滑可以带来加工后更好的抗腐蚀性，使加工表面裂纹的生长速度变缓。

5 结语

较少的进退刀次数、较小的进退刀方向变化和较少的变向及平滑的变向均可以使加工表面具有更好的抗腐蚀性，使其表面裂纹的生成时间和生长速率变缓。核主泵叶轮是以安全性为首要保障条件的产品，在实际加工中需要按照较少的进退刀次数、较小的进退刀方向变化和较少的变向及平滑的变向等因素优化加工路径，可以实现平衡效率和质量的要求。核主泵叶轮数控加工方法对叶轮表面应力腐蚀裂纹的产生与扩展的影响规律还有待研究。

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