大型滑座式摇臂钻床的安装及在核电汽轮机汽缸制造中的应用

谢龙飞 刘 祥

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

CAP1400核电汽轮机低压内缸、低压导流环、低压外缸、高中压缸、中压排汽缸等零部件尺寸大、重量大、刚性差。这些工件在生产过程中，中分面和垂直接配面螺栓孔多以大型数控龙门铣、数控镗床加工为主。这类机床的设备投资和加工费用约为滑座式摇臂钻床的5～10倍或更多一些。受工件装夹方式的制约和工件刚性、变形因素的影响，螺栓孔的位置精度常超差，严重时需扩偏孔或照配紧固件，提高了制造成本，拖延了生产周期。用大型滑座式摇臂钻床加工核电汽轮机汽缸螺栓孔，技术和经济优势明显。为此，拟定了选用Z30100×65摇臂钻床替代现有地坑钻床的技术方案，很好地满足了汽缸的制造要求，实现了生产成本低、螺栓孔位置精度高的预定目标。

1 汽缸简介

低压内缸外形尺寸(长×宽×高)为4.44 m×8.96 m(含支撑装置宽为13.22 m)×10.226 m，总重190 t(含支撑装置总重为245 t)，上下半结构。低压导流环外形尺寸(直径×高)为∅9.3 m×1.712 m，总重16.6 t，上下半结构。低压外缸外形尺寸(长×宽×高)为10.96 m×14.5 m×10.725 m，总重243.7 t，上下半六缸结构。上半前后部对称，单半外形尺寸(长×宽×高)为5.48 m×14.5 m×5.725 m，重61.7 t。下半由前部、两中部(左、右)、后部四缸围合而成，下半前后部对称，单半外形尺寸(长×宽×高)为3.29 m×14.5 m×5 m，重46.3 t；两中部(左、右)对称，单半外形尺寸(长×宽×高)为4.38 m×3.34 m×5 m，重13.9 t。低压内缸和导流环材料为Q345B、低压外缸材料为Q235C，焊接毛坯。装配时，各缸中分面、垂直接配面通过销定位，螺栓把合，见图1。

图1 低压汽缸装配图Figure 1 Assembly of low pressure cylinder

高中压汽缸为合体单层缸，前后部、上下半四缸结构，前部是高中压缸，后部是中压排汽缸，外形尺寸(长×宽×高)为11.649 m×7.52 m×7.458 m，总重291.47 t。前部上半外形尺寸(长×宽×高)为8.441 m×5.4 m×2.834 m，重83.95 t；下半外形尺寸(长×宽×高)为7.935 m×5.4 m×2.97 m，重92.66 t。后部上半外形尺寸(长×宽×高)为3.208 m×6.684 m×3.650 m，重54.93 t；下半外形尺寸(长×宽×高)为2.758 m×7.52 m×3.808 m，重59.93 t。前部材料ZG1Cr13、后部ZG450，铸钢毛坯。由于毛坯普遍偏重，精加工后全缸实重310～325 t。见图2。

图2 高中压汽缸图Figure 2 High and medium pressure cylinder

2 加工方式存在的主要问题

现有地坑钻床是根据当时引进型核电汽轮机汽缸螺栓孔的加工安装的，用于现有CAP1400核电汽轮机汽缸加工主要问题是：(1)钻床规格、工作场地偏小，合缸状态的汽缸不能正常在机床上加工；(2)加工和装卡方式受限，易引起汽缸变形，影响螺栓孔加工后位置精度。这两个问题严重影响生产成本和汽缸的制造质量。

2.1 现有地坑钻床的缺点

现有地坑钻床如图3所示，地坑尺寸(长×宽×深)为15.88 m×(6.7～7.55) m×2.7 m。存在的主要问题：(1)两台Z30125滑座式摇臂钻床横臂过短，立柱行程过小，加工高度也偏小，不能满足工件加工要求；(2)地坑、地面工作台偏小，又是直壁地坑，造成合缸状态的汽缸不能整体下坑加工或气缸落入地坑后操作空间过小，装夹困难。

图3 现有地坑钻床Figure 3 Present pit drilling machine

2.2 低压缸螺栓孔目前加工方式

低压内缸、低压导流环垂直接配面螺栓孔目前有两种加工方式：(1)立车工序后，整体上龙门铣加工螺栓孔，见图4；(2)立车工序后上下半分别上镗床加工螺栓孔，见图5。龙门铣加工的主要问题是加工成本过高。镗床加工辅助时间长，操作安全性差，因汽缸自重和装卡变形导致螺栓孔的位置精度超差，加工成本总体与龙门铣相当。由于现有地坑钻床地坑偏小，低压外六缸需在槽铁地搭脚手架进行接配，当用上半号划完下半中分面螺栓孔后，需用垫箱、万向钻高位加工螺栓孔。加工、装配效率低，安全风险大，见图6。

图4 龙门铣加工螺栓孔Figure 4 Bolt hole machined by gantry milling machine

图5 镗床加工螺栓孔Figure 5 Bolt hole machined by boring machine

图6 外缸接配及螺栓孔加工Figure 6 Outer cylinder matching and bolt hole machining

2.3 高中压汽缸中分面锥销孔目前加工方式

高中压汽缸尺寸大，重量重，需用地坑钻床合铰中分面锥销孔。现有地坑钻床勉强可将上下半整缸落入地坑，但由于钻床加工高度和横臂长度不够，致缸的大端中分面锥销孔无法加工。目前的加工方式为前部高中压缸、后部中压排汽缸分别在地坑钻床合铰中分面锥销孔，见图7。

图7 高中压缸中分面锥销孔加工Figure 7 Machining of taper pin holes on the middle face of high and medium pressure cylinder

3 摇臂钻床的选型及安装

摇臂钻床的选型及安装方式按现有和后继汽缸的加工要求确定。

3.1 大型滑座式摇臂钻床的选型

根据缸的大小，针对目前各缸中分面和垂直接配面螺栓孔加工存在的问题，新地坑钻床技术方案首选Z30100×65摇臂钻床。该机床横臂长，主轴至立柱母线最大距离达6.56 mm；选Z30125滑座式摇臂钻床床身、滑座，立柱行程16 m。钻床总体结构安装见图8。如地坑宽度尺寸不变或略缩宽度，选横臂略短的钻床，如用现有Z30125滑座式摇臂钻床，地坑中心部位的汽缸螺栓孔无法正常加工，此时可按图6用万向钻支垫箱加工汽缸螺栓孔。此方案主要缺点是增加了钻孔辅助时间，加工效率相对较差，优点是可改制用现有钻床，用作备选方案。

3.2 滑座式摇臂钻床的安装

图8是Z30100×65滑座式摇臂钻床安装图，地坑尺寸(长×宽×深)为18.2 m×12.1 m×3 m。两地面工作台、两钻床和地坑五个基础整体浇筑，基础四周有50 mm厚的隔振层。地基承载力特征值fak≥200 kPa，基础垫层用C15混凝土，基础用C30钢筋混凝土，基础厚度1700 mm。地面工作台和地坑铺装槽铁、钢板，各排槽铁中心距500 mm、钢板间距200 mm。槽铁、钢板水平精度0.05 mm/1000 mm，0.12 mm/单块槽铁或钢板，地面20 m×13 m、20 m×6.5 m，地坑18 m×12 m、坑边钢板12.1 m×1.2 m。每块槽铁周边布置宽250 mm、深250～400 mm排水沟，每排槽铁端头埋有排水管与排水沟相通。地面工作台和地坑除可用作汽缸加工和装配外，还可用作汽缸水压试验场地。钻床安装位置靠近厂房一侧，厂房宽度36 m。为有效利用厂房边沿场地，在厂房两立柱之间设置有下坑梯。两钻床中心距14.3 m，坑内工件几乎均可正常加工。对于坑内个别异形工件死角位置上的螺栓孔，加工时可调整钻床主轴箱限位完成加工。为保证加工高度，钻床基础按加高500 mm设计，同时在钻床立柱与滑座间加装800～1200 mm加高座。地坑形状按上小下大设计，坑口18.2 m×12.1 m、坑底18.8 m×13.3 m，方便操作人员在地坑内完成大尺寸工件装卡。地坑坑口两端铺装宽度1200 mm钢板，并钻M36压紧螺孔，可供大尺寸工件支撑、装卡用。地面工作台按一大一小设计，可满足不同尺寸工件的正常加工和装配。

图8 Z30100×65滑座式摇臂钻床安装图Figure 8 Installation of Z30100×65 slide block radial drilling machine

4 滑座式摇臂钻床的使用

低压导流环立车工序后可整体吊放在地坑或地面工作台，采用划线方式加工垂直接配面螺栓孔，然后将其用于低压内缸垂直接配面螺栓孔的号孔。低压内缸立车工序后可直接吊放在地坑，然后用低压导流环号孔加工垂直接配面螺栓孔。低压外缸下半四缸可直接吊放于地坑接配，接配后扣合两上半、号划中分面螺栓孔，吊开上半加工中分面螺栓孔，再扣合上半合铰中分面锥销孔，最后整缸吊入镗床合镗汽封档。高中压汽缸上下半四缸接配，空缸合铰中分面销孔；装上隔板、汽封体，实缸合铰中分面销孔等工序均可在地坑内完成，辅助工序少，操作方便、安全。

5 结论

对于核电汽轮机汽缸螺栓孔、锥销孔的加工，Z30100×65滑座式摇臂钻床的地坑钻床建造方案很好地取代了现有加工方式和现有地坑钻床，加工效率高、成本低，而且有效保证了螺栓孔的位置精度。此外，由于各块槽铁场地、钢板场地水平精度高、尺寸合理，还可将其用作汽缸的划线、精度检验和装配平台。新建地坑钻床总投资费用只有约800万元，如将其用于代替现有汽缸螺栓孔的加工，新增的经济效益只需加工五台CAP1400核电汽轮机汽缸便可收回投资成本，故值得采用。