机械加工工艺对螺纹套管胀接结构拉脱力的影响分析

中广核铀业发展有限公司 中广核先进燃料工程试验中心 广东阳江 529500

1 研究背景

核燃料组件由燃料棒和骨架组成,骨架中管类零件的组装过程中，常采用薄壁胀接的方式。如图1所示,套筒螺钉与上管座，以及螺纹套管与导向管的连接均采用薄壁胀接。核燃料组件工作在高温、高压、高辐射循环水中,随着辐照时间的增加，以及装配应力、热应力等因素的影响,燃料棒、导向管及骨架等部件会产生变形[1-2]。由此可见,管类零件的胀接可靠性对核燃料组件在反应堆内的正常运行至关重要。

▲图1 核燃料组件装配

胀接指根据金属具有塑性变形这一特点,用胀管器将管子胀牢固定在套管上的连接方法,包括机械胀接、液压胀接、爆炸胀接等[3]。影响胀接质量的因素有很多,包括管子与套管的弹塑性变形能力、管子与套管的间隙大小，以及管子与套管的表面粗糙度等[4-6]。笔者采用三种不同机械加工工艺对螺纹套管进行加工,研究不同加工工艺对胀接结构拉脱力的影响。

2 试验材料

核反应堆中不锈钢零件原材料均选用铬镍奥氏体不锈钢和少量具有奥氏体组织的高镍耐蚀合金。试验材料选用国产AISI 316L不锈钢管料，外径为16±0.05 mm,壁厚为2.1±0.1 mm,极限拉伸强度为680 MPa，屈服强度为574 MPa，延伸率为31.5%,化学元素含量见表1。此类不锈钢在机械加工中存在诸多难点,如切削力大、加工硬化严重、不易断屑、刀具易磨损等[7]。

3 加工工艺

3.1 机械加工

如图2所示,螺纹套管可分为螺纹段和薄壁段,薄壁段与导向管胀接。最薄壁厚为0.375 mm,与最大外径之比为1∶41,与轴长之比达1∶125。螺纹套管属于轴套薄壁零件,此类零件的壁厚与自身径向、轴向尺寸相比较,相差悬殊,零件的刚性较弱。在车削加工过程中,由于切削力、切削热、残余应力及装夹力等因素的作用,极易发生加工变形和切削振动,导致加工误差,从而难以保证零件的加工精度高表面质量[8-9]。对此,合理选择工装夹具、刀具及切削用量，是减小零件变形的有效方法[10-11]。

表1 AISI 316L不锈钢化学元素含量

▲图2 螺纹套管

高速切削加工具有加工效率高、切削力小、切削温度低、工艺系统变形小、薄壁零件加工变形小、加工精度高、表面质量高等优点,在薄壁回转体零件的加工中得到广泛应用[12]。为了保证产品的加工精度和表面质量,采用BO206-Ⅲ津上双主轴数控纵切车床进行加工，如图3所示。数控纵切车床又称走心机,刀具在固定的位置通过主轴的移动、旋转对零件进行加工。数控纵切车床车削时,棒料通过旋转导套轴向进给,刀具切削点紧靠导套口端,刚性好,消除了棒料在刀具切削压力作用下的变形,保证了零件的加工精度,对加工细长轴类零件有突出的优势。BO206-Ⅲ数控纵切车床在无导套模式下最大加工长度为45 mm,在旋转导套模式下最大加工长度为80 mm。

▲图3 BO206-Ⅲ津上双主轴数控纵切车床

3.2 胀接工艺

如图4所示,核燃料组件中螺纹套管与导向管的胀接是在每根锆合金导向管的上端部套上一根外径略大的不锈钢套管，并用机械胀紧的方式使两者可靠连接。通过拉杆的向后移动,顶开鼓包,对导向管进行挤压产生弹塑性变形。当材料变形晶体填充完导向管与螺纹套管之间的间隙后,螺纹套管开始进入弹塑性变形阶段。变形量达到一定值后,拉杆重新向前移动,释放挤压力。胀接工装与鼓包结构如图5所示。鼓包尺寸δ1要求为14.5±0.2 mm。一般认为鼓包尺寸越大,胀接可靠性越佳，即拉脱力越大。核燃料组件中，要求螺纹套管与导向管的胀接结构拉脱力必须不小于4 500 N。试验中，采用万能试验机对胀接后的导向管与螺纹套管试样进行拉伸试验,记录拉脱力。

▲图4 螺纹套管与导向管胀接▲图5 胀接工装与鼓包结构

4 试验方法

螺纹套管与导向管胀接发生在薄壁处,分别采用A、B、C三种加工工艺对薄壁进行加工,其它特征加工工艺一致。A工艺采用机床主轴进行薄壁段内外径加工，如图6所示。由于零件加工长度超过了45 mm,因此需采用旋转导套模式进行加工。这样导致外径加工必须一次车削成形,否则导套没有扶持效果,加工过程中会发生径向跳动,使零件外径尺寸精度达不到要求。A工艺加工刀具及参数见表2,先由平底钻钻孔，再由内孔刀和外径刀一次车削成形。此工艺加工时间短,能减少加工内外径时的刀具缠屑问题。

表2 A工艺加工刀具与参数

▲图6 A工艺薄壁段加工

B工艺在A工艺的基础上改变机床主背轴加工部位,由机床背轴进行薄壁段的内外径加工，如图7所示,加工刀具及参数见表3。B工艺采用平底钻钻孔，由内孔刀车削一次,外径则采用六次车削成形。B工艺加工时间比A工艺长,由于外径多次车削成形,刀具缠屑问题比较严重,需及时清理刀具缠屑。

▲图7 B工艺薄壁段加工

表3 B工艺加工刀具与参数

C工艺在B工艺的基础上取消平底钻,采用内孔刀四次和外径刀七次车削成形，如图8所示，加工刀具及参数见表4。C工艺加工时间最长,内外径车削次数多,刀具缠屑十分严重,需时刻清理缠屑。

5 结果分析

加工后的螺纹套管如图9所示，对加工样品的薄壁段内外径尺寸及粗糙度分别进行检验。三种加工工艺所加工的螺纹套管，内外径粗糙度无明显差别,通过粗糙度对比样块观测，粗糙度Ra均小于1.6 μm。

▲图8 C工艺薄壁段加工

表4 C工艺加工刀具与参数

▲图9 加工后螺纹套管

采用内外径千分尺对三种工艺加工的螺纹套管薄壁尺寸进行测量,结果如图10、图11所示。三种工艺加工的薄壁尺寸均在公差范围内,内径平均尺寸为12.655 mm、12.660 mm、12.660 mm,外径平均尺寸为13.394 mm、13.397 mm、13.393 mm。三种加工工艺外径尺寸偏差可忽略不计,内径尺寸偏差为10 μm。三种加工工艺零件的尺寸精度与表面粗糙度均符合要求。

对三种工艺加工出的螺纹套管进行胀接,胀接后对鼓包进行测量。A工艺两个鼓包尺寸平均为14.62 mm、14.58 mm，B工艺两个鼓包尺寸平均为14.61 mm、14.58 mm，C工艺两个鼓包尺寸平均为14.61 mm、14.57 mm。胀接后采用拉伸试验机进行拉伸,结果如图12所示。在鼓包尺寸相差不大的情况下,C工艺加工的结构拉脱力明显优于A工艺、B工艺,平均结构拉脱力为5 256 N。B工艺平均结构拉脱力接近要求值，为4 410 N。A工艺最小,为3 417 N。

▲图10 内径尺寸检测结果▲图11 外径尺寸检测结果

▲图12 胀接后拉脱力检测结果

有研究表明,不锈钢精密车削时,切削参数对已加工表面加工硬化程度有重要影响,加工硬化层可达数百微米[13-14]。加工硬化对薄壁件影响十分严重,将导致薄壁件弹塑性变形的能力降低。A工艺内外径加工时采用钻削及外径一次车削成形,钻削所产生的车削力较大,且外径加工切削深度大,加工硬化最为严重,导致螺纹套管弹塑性变形能力降低,残余压力小,结构拉脱力小。B工艺在A工艺的基础上改进了外径加工方式,减小单次车削深度，结构拉脱力有明显增大,增大1 000 N左右。C工艺在B工艺的基础上进一步优化,取消钻削，并继续增加外径车削次数,结构拉脱力相较于B工艺增大了800 N左右。试验表明，加工螺纹套管时不能只考虑外形尺寸和表面粗糙度,同时应该考虑加工硬化对零件力学性能的影响。

6 结束语

机械加工工艺对螺纹套管这类薄壁零件的加工硬化影响较大,从而影响零件的弹塑性变形能力。对此，应分次采用较小车削深度及小切削力的加工方式进行加工。试验中，C工艺加工出的螺纹套管胀接结构拉脱力为5 256 N,高于设计要求，该加工工艺可用于相似螺纹套管的加工。