金属堆内构件内壁钻孔装置的设计

□秦沈杰

上海第一机床厂有限公司上海201308

金属堆内构件内壁钻孔装置的设计

□秦沈杰

上海第一机床厂有限公司上海201308

介绍了一种金属堆内构件内壁钻孔装置，针对内刀架外移的悬伸结构，利用该装置采用液压拉杆预紧、悬臂梁反变形安装的方式进行变形补偿，实现有效变形控制。利用滚柱导轨块与贴塑导轨间的接合面承受自重，使用镶装铜导轨的非承重面进行导向，可减少磨损，提高导轨的耐磨性以保持精度，最终实现金属堆内构件内壁孔的顺利加工。

1 背景及目的

高温气冷堆是我国具有完全自主知识产权的第四代先进核电技术，具有安全性高、用途多样化、模块化建造等优点。金属堆内构件是高温气冷堆核岛的关键主设备之一，主要用于支承由石墨构件、炭构件和燃料球组成的陶瓷堆芯结构，保持堆芯稳定。

高温气冷堆示范工程的金属堆内构件包括堆芯壳、石墨堆芯定位支承结构及燃料球管道系统。堆芯壳是一个圆柱形薄壁筒体，总高20 060 mm，除顶部法兰段和底座外其余部分为主体段，壁厚为40 mm。限位工字钢、防旋键用于石墨堆芯的定位，通过螺钉固定于堆芯壳的内壁，防旋键还需配装圆柱销以保证周向的定位精度。由于对应螺孔及销孔的位置遍布整个主体段（图1），标准设备的加工行程无法满足要求，因此需要设计一台筒体内壁孔加工装置。

2 总体方案

2.1 加工对象

为便于制造，将堆芯壳分为4段，其中两段焊接为上部筒体，另两段焊接为下部筒体，焊接后进行热处理，再进行机加工。采用专门的对中工装及焊接工艺，将上下部筒体焊为一体，保证最终环焊后的整体精度。由于受最终环焊的影响较小，内壁的螺孔及销孔可由所设计的装置完成加工。

内壁上需要加工的孔有3种：M24、M20螺纹底孔及φ8H7销孔。孔遍布在内径为5 360 mm的圆柱内壁上，各孔间的最大高度差为7 477 mm，筒体高度为10 200 mm。可见，内壁孔具有加工范围大、数量多的特点。

2.2 设计方案

利用已有的5#吊篮立车，进行适应性改造，如图2所示。

2.2.1 机床的整体加高

图1 堆芯壳

图2 5#吊篮立车

下部筒体高度10 200 mm，已超过回转工作台至横梁底部的高度（10 000 mm），所以机床需要整体加高。为提高外刀架所能车削的最大高度，在外立柱及辅助立柱的底部各增加一段支承件。与此同时，考虑到筒体调整垫的高度及筒体起吊空间（包括吊具高度、行车升降余量等），将机床整体加高2100mm。

2.2.2 横向滑台的设计

将筒体装夹于5#吊篮立车的回转工作台上，利用回转工作台的分度轴对防旋键及限位工字钢的中心位置进行划线。待加工的孔位于中心线的两侧，轴线方向与中心线平行。为保证待加工孔正确的轴线方向，需要设计一个横向进给的滑台。滑台安装在内刀架端面，滑台下方安装动力头，横向进给行程设计为200 mm。

2.2.3 内刀架的整体外移

内刀架设计的最大车削直径为3 930 mm，需要设计一支承件，使内立柱及内刀架固定在支承件上，进而使内刀架在安装横向滑台及动力头后能加工到内径5 360 mm内壁上的孔。支承件的高度应使内立柱上端仍可与横梁连接。外移后的内刀架端面经连接板安装焊机，可实现上部筒体或下部筒体自身的内侧对接环焊。

3 结构设计

3.1 整体刚度

机床刚度是机床的基本性能之一，指机床在外加载荷下抵抗被迫变形的能力，它影响到机床工作时能否达到预定加工精度的要求。摇臂钻床最大钻孔直径为25 mm时，刚度参考值为0.6～1.2 N/μm，这样，所设计装置的刚度值可取1.2 N/μm。参照摇臂钻床床身、立柱的变形量占比为0.6～0.75[1]，则主要支承件的初定刚度值取1.2/0.6=2 N/μm。

3.2 内刀架外移的支承结构

支承座、中央垫座固定于地基上。内刀架外移的支承结构只能安装于不随回转工作台旋转的支承座上。设计一个圆柱形的垫座，穿过下部筒体底座的φ1 300 mm孔，下端与支承座固定。再设计一个悬伸结构的支承件（即图2中的悬臂梁），下端与垫座固定，其上端安装内立柱及内刀架。

3.2.1 悬臂梁的刚度

内立柱与横梁连接的螺栓为横向受载，内立柱的安装方法是先固定底部后连接横梁，预紧产生的摩擦力因无法承受整个内立柱的质量而使螺栓在孔内滑动。内刀架与内立柱质量之和为25 t，主要由悬臂梁承受。

钻孔轴向力按较大切削参数估算为2 260 N，主切削力为6 000 N,所以悬臂梁竖直方向载荷取25 000×9.8+6 000=251 000 N，内刀架至顶部时距悬臂梁9 000 mm，轴向力产生的最大力矩为2 260×9 =20 340 N·m，径向最大力矩为6 000×9=54 000 N·m。

通过Inventor软件对悬臂梁进行建模并创建分析，与垫座连接的圆面添加固定约束，与内立柱连接的区域施加251 000 N负荷，以及54 000 N·m、20 340 N·m力矩，材料取低合金钢，计算得最大形变0.052 9 mm，主要是竖直方向的形变，另外两个方向的形变量均＜0.015 mm，如图3所示。

形变为0.052 9 mm时，竖直方向受弯的刚度为245/0.052 9=4 631 N/μm，远大于主要支承件的初定刚度值，其它方向的刚度也能满足钻削要求。

图3 悬臂梁的有限元计算

3.2.2 垫座的初始设计

垫座只受翻转力矩，一侧受压、一侧受拉。由于截面积较大，且垫座纵筋的布置与悬臂梁纵筋相对应，因此不需考虑整体和局部的变形，只需要校核连接螺栓。

内刀架整体移动后的质心与垫座的中心相距1 135 mm。按受翻转力矩螺栓组的螺栓受力计算公式，螺栓组中心为垫座中心，则所受翻转力矩Mx=245×1 135=278 075 N·m。Li为各螺栓与螺栓组中心的距离，Lmax为螺栓与螺栓组中心的最远距离。经计算，连接用8.8级（屈服强度640 MPa）的M30螺栓，FD最大值为141 kN。

[3]，拉力P=141 kN，杆长L=100 mm，A为杆截面积，取螺纹中径面积，弹性模量E按碳钢取206 GPa，计算得Δl=0.12 mm。可见，变形量较大，影响精度。

3.2.3 形变的补偿及操作

形变补偿的常用方法包括平衡法、测量补偿法、反形变法。平衡法通过施加外力抵消或减小支承件的形变，其实质是将影响转移至刚性高的其它支承件。测量补偿法由传感器测出形变量，进而控制调整机构作出补偿。例如，为了补偿磨削产生的热形变，SK7420型磨床在尾架内安装了高精度长度计，用以测量滚珠丝杠由于磨削热而产生的伸长量[4]。反形变法是通过制造工艺实现的，如龙门铣的横梁，使横梁导轨面的几何形状成为横梁弹性位移的倒影线，从而补偿横梁及其导轨因受自身重力及滑鞍主轴系统重力而产生的弹性形变[5]。

内刀架外移所带来的翻转力矩会使悬臂梁与垫座，以及垫座与支承座间都产生较大的连接形变，难以满足装置的精度要求，同时连接螺栓的强度安全因数也不足。

对此，采用平衡法与反形变法相结合的方式，改善支承条件。具体方法为：在横梁顶端安装一个支架，支架与悬臂梁间通过一根拉杆进行预紧，这样做实际是将悬臂梁下弯的形变量转移至刚性高且不影响精度的横梁上。安装时，先调整悬臂梁的水平度，并允许其最大上翘0.05 mm；再吊装内立柱于悬臂梁上，因螺栓受载后的形变量大，悬臂梁会在抵消上翘的形变量后继续下弯；此时提升拉杆使悬臂梁重新调至水平。拉杆的预紧采用M48液压螺栓拉伸器，其最大拉力可达900 kN，超过内刀架与内立柱重力之和，且操作方便，并可记录压力值作为下一次安装的参考值。

3.3 横向进给结构

拆除内刀架端面的车刀架，横向滑台的支承角架（图4）以车刀架的定位孔为定位基准，通过螺栓固定。

3.3.1 导轨的布置

导轨主要用于支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。对于一个运动部件的导向而言，需要组合应用两条导轨副[6]，才能可靠地限制运动部件。动力头加工孔时，导轨处于锁紧状态，不必考虑低速爬行的问题，可采用矩形与矩形组合的两条滑动导轨。

3.3.2 导轨耐磨性

耐磨性直接影响机床的精度保持性，是导轨设计制造的关键，也是衡量机床质量优劣的重要标志[7]。为提高导轨耐磨性，采取以下措施。

（1）矩形导轨面。考虑滑板及动力头的重力较大，选择支承角架非承重的底面及外侧面作为矩形导轨面，只起导向作用，这样可以减少磨损，利于精度保持。滑板的导轨面镶装锡青铜板，支承角架采用灰铸铁，匹配硬度差，可以防止啮合磨损，提高了运动平稳性。机械加工表面质量决定了工件的使用寿命，直接影响工件的耐磨性[8]。导轨面采用刮研方式，保证良好的表面粗糙度及接触精度。

（2）滚柱导轨块+塑料导轨。滚柱导轨块是一种精密的直线运动滚动元件，在重载或变载的情况下，弹性形变小，且能获得平稳的直线运动，不产生爬行[9]。滑板及动力头的重力依靠滚柱导轨块支承，相应的导轨面贴改性聚四氟乙烯-青铜-钢背三层复合自润滑板。自润滑及滚动摩擦使摩擦因数变小，减小了磨损及导轨移动的驱动力。

3.3.3 导轨间隙的调整

导轨接合面配合的间隙对机床的工作性能有较大影响。配合过紧不仅操作费力，还会加快磨损；配合过松则将影响运动精度，甚至产生振动[10]。

图4 横向滑台

导轨水平方向间隙通过修配两侧压板调整。因自重形变，导轨竖直方向的间隙需要调整的次数较多，通过设计支承刚度高的斜楔机构进行调整。

3.3.4 丝杠

丝杠选用梯形螺纹，采用一端固定一端铰支形式。利用双螺母轴向消隙，手轮驱动，根据丝杠螺距设计旋转刻度盘。

3.4 垫高体

垫高体上端与外立柱、辅助立柱通过螺栓连接，下端固定于地脚螺栓。其截面、连接方式均按照外立柱、辅助立柱的结构。

4 结论

通过外移已有立车的内刀架、整体加高已有立车，设计出可安装已有动力头的横向滑台，固定于内刀架端面，使加工行程满足要求。针对内刀架外移的悬伸结构，采用液压拉杆预紧、悬臂梁反形变安装方式进行形变补偿，实现有效的形变控制，为大行程加工装置的支承件设计提供了借鉴。同时通过内刀架安装焊机，也实现了上部筒体或下部筒体自身的内侧对接环焊。

利用滚柱导轨块与贴塑导轨间的接合面承受自身重力，使用镶装铜导轨的非承重面进行导向，可减小磨损，提高横向导轨的耐磨性以保持精度，这样最终解决了金属堆内构件内壁孔加工的难题。

[1]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]机械设计手册编委会.机械设计手册：新版[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]刘鸿文.材料力学教程[M].北京：机械工业出版社，1993.

[4]肖建军，孙姚飞，林惟杰.高精度滚珠丝杠磨床的设计与开发[J].装备机械，2014（1）：38-45.

[5]王芳，曾晨光，曾晨辉，等.TOM-SP3208B大型数控龙门铣床横梁的设计分析与制造[J].组合机床与自动化加工技术，2011（12）：105-108.

[6]顾熙棠，迟建山，胡宝珍.金属切削机床（下册）[M].上海：上海科学技术出版社，1994.

[7]文怀兴，夏田.数控机床系统设计[M].2版.北京：化学工业出版社，2011.

[8]武太斌，李新群，孙跃.浅析桁架臂起重机臂头质量控制[J].装备机械，2015（2）：19-22.

[9]林敏.滚柱导轨块的应用技术[J].金属加工冷加工，2012（24）：63-64.

[10]周利平.数控装备设计[M].重庆：重庆大学出版社，2011.

Drilling device for inside wall of metal reactor internal was described.This device adopts an overhang structure for relocation of the internal turret,a hydraulic drawbar for pre-tightening and anti-deformation mounting of cantilever for deformation compensation in order to achieve effective deformation control.It alsouses the joint face between the roller guideway and plastic coated guideway to bear the self weight and uses non-load-bearing surface of the guideway with copper inserts for guiding,in an attempt to reduce the wear and improve the wear resistance of the guideway and maintain their accuracy.Eventually，it is possible to achieve a smooth machining inner wall bore in metal reactor components.

金属堆内构件；内壁钻孔；悬伸结构；变形控制；导轨耐磨性

MetalReactor Internal；Drilling ofthe Inner Wall；Overhang Structure；Distortion Control；Guideway Wear Property

TH213

A

1672-0555（2016）03-019-05

2016年5月

秦沈杰（1982—），男，本科，工程师，主要从事机械设计及核电堆内构件、控制棒驱动机构制造等工作