反应堆压力容器出口接管双马鞍型曲面加工研究

吴泽波,朱殿瑞,胡瑞斌

(1太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024；2太原重工股份有限公司 冶金设备分公司，山西 太原 030024；)

0 前言

进出口接管作为核电压力容器与外界唯一的连接口，其运行期间受高温、高压、中子辐照及高低温疲劳载荷作用，安全性能要求极高，是核电站中关键零部件[1-5]。进出口接管与压力容器连接部分为马鞍型双曲面结构，属于复杂自由空间曲面。同时，根据核电标准ISO-9000要求，进出口接管加工表面不允许存在加工硬化、补焊等现象，对零件的表面质量要求非常严格，这导致零件加工制造难度大，废品率高。

由于国外对核电关键零部件的加工制造技术对我国实行严格技术封锁，难以查到核电进出口接管数控加工规划方面的相关外文文献。

关于核电核心零部件异形曲面的加工，国内华东理工大学的张振中[6]等人在NURBS方法基础上建立环形铣刀加工曲面的局部运动几何学模型，并采用加工域并行规划法进行刀具轨迹规划。上海电机学院的欧阳华兵[7]等人提出了针对不同的加工区域分别采用不同的加工路线，并采用插铣策略进行加工。燕山大学的张志良[8]研究了太重集团内部科研立项：海洋核动力平台反应堆压力容器开发项目(20141003)电封头半精加工及精加工阶段刀具路径规划问题，通过对孤岛及曲面边界位置的处理，给出了基于适应性空间填充曲线法的刀具路径生成算法。综上所述，目前关于核电设备异形曲面的加工研究，主要集中在刀具轨迹生成策略上，对切削轨迹对零件质量影响提及的较少。

本文以该项目海洋核动力平台示范工程项目为依托，对进出口接管的加工制造进行了分析研究[9-15]。

1 工艺难点分析

双马鞍型曲面结构特殊，如图1所示，图中R20内圆弧与外径夹角呈锐角，影响加工刀具的选用及进给切削。由于空间狭小，造成排屑困难，散热效果差等不利因素[16-18]。极易形成加工硬化等表面缺陷。

图1 核电双马鞍型曲面出口接管

如图2所示为在XOY马鞍型抛物线中，R20圆弧根部高低点的最大偏差为33.2 mm，在刀具半径和切削参数不变的情况下，加工过程中存在过切现象。

为保证加工质量，根据零件结构及要求，需合理分析工件材质，建立合理的加工工艺方案。

图2 双马鞍型曲面粗加工UG仿真走刀

2 工艺方案建立

2.1 材料分析

根据ASME锅炉及压力容器规范要求规定[19-20]，SA-508 Gr.3 Cl.1材料含碳量不大于0.25%，属于低碳钢。力学性能要求：抗拉强度550～725 MPa，屈服强度345 MPa，伸长率18%，断面收缩率38%。材料含碳量较低，调质处理后硬度按抗拉强度计算为165～212 HBW。

从力学性能角度分析，SA-508 Gr.3 Cl.1的材质硬度低，塑性大。根据加工硬化定理，工件的加工硬化是加工过程中工件塑性变形造成晶格畸变而硬度提高的表现，塑性越大，形成加工硬化的可能性越高。可以判断该SA-508 Gr.3 Cl.1在加工时容易产生加工硬化。

切削力是影响加工硬化的关键因素之一，切削力的大小直接决定了材料的塑性变形量，塑性变形量越大，表面硬化程度越严重。另外提高切削过程中的温度，可有效降低加工硬化产生。这是因为在一定条件下，切削热会软化加工硬化层。

按切削性能分析，为确定合理的切削参数。以材料硬度作为对比依据，根据重型机械标准手册，将SA-508 Gr.3 Cl.1与35钢、20Cr进行比较，见表1。

表1 切削性能对比

通过表1对比分析，SA-508 Gr.3 Cl.1材质的单位切削力为35钢和20Cr钢之间。因此在加工过程中，其进给量相对于20Cr应适当降低，初步确定为0.35 mm/z，并适当减小刀具前角。

对比SA-508 Gr.3 Cl.1导热率情况，可以看出，SA-508Gr.3.Cl.1切削热明显低高于35钢，为防止切削温度过高而导致工件表面材料性能发生变化，需要通过调整加工参数，以降低加工时切削温度。

已知影响切削温度的主要因素包括切削速度和进给量：切削速度越快，单位时间内参与变形的金属量增加而使消耗的功率增大，切削温度升高。但过高的切削温度会造成工件表面材料性能的变化，造成工件表面出现烧伤现象。因此，应将切削速度提升并控制在规定切削速度的120%左右。35钢的切削速度通常为200 r/min，结合表1热导率对比，暂定SA-508 Gr.3 Cl.1双曲面的切削速度为230 r/min。

另外，进给量越大，铁屑带有的热量也多，同样会影响切削温度，应适当降低进给量。

2.2 走刀方式

接管结构相对复杂，粗加工时，在防止过切的情况下，需反复空走刀。同时由于切削环境较封闭，宜选取铣刀直径相对大一点，适当降低主轴转速。

由于切削余量不均匀，粗加工的走刀方式可通过对部件几何体偏置来产生一系列仿形的刀轨，如图3所示，以防止切削时因吃刀深度变化而产生的缺陷。

图3 双马鞍型曲面精加工UG仿真走刀

在精加工时，为避免过切现象的发生，走刀方式如图3所示。从图3中可以看出，由于出口接管马鞍形面粗加工无法对其根部圆弧角清根，精加工时，在增加相关约束后，利用球头铣刀沿着马鞍形面轴向走刀，以中心孔为基点360°旋转加工。在满足加工要求的同时，增加走刀量以提高表面切削热，从而降低了加工硬化。

2.3 刀具选择

SA-508 Gr.3 Cl.1的切削性能与35钢很相似，切屑力相对较低，塑性高，不宜选取硬度过高的刀具。刀具的选择应具备良好的韧性和耐热耐磨性。高速钢刀具韧性较好但耐磨性差，钨钴类硬质合金耐磨性强但耐热性较差，因此建议选用钨钛类硬质合金刀具。

在加工SA-508 Gr.3 Cl.1时，由于塑性变形量大，零件结构封闭，切削温度较高。钨钛钴类硬质合金有较高的硬度，特别是具有很高的耐热性，抗粘结能力和抗氧化能力均较好，故刀具磨损小，耐用度高。

根据本文已确定的走刀方式，在粗加工时，选择含钴量较高含碳化钛较少的钨钛类刀具，这类刀具抗弯强度较高，比较能承受冲击；在精加工时，选择含钴量较少含碳化钛较多的钨钛类刀具，具有优良的耐磨耐热性能。

3 加工实验

为验证本文工艺方案的可行性，在厂内按照1∶1比例锻焊了双曲面马鞍型接口，分别进行了粗、精加工实验。

试验件粗加工时采用硬质合金立铣刀，刀具回转半径为25 mm，切削转速230 r/min，背吃刀量4 mm，进给量0.35 mm/z；精加工时采用硬质合金球头铣刀，刀具回转半径为15 mm。切削转速230 r/min，背吃刀量4.5 mm，进给量0.3 mm/z；实验结果如图4、图5 所示。

图4 马鞍形双曲面粗加工实验成品图

图5 马鞍形双曲面精加工实验成品图

实验后对马鞍形表面质量进行了检测，结果见表2。

表2 实验结果检测

从实验结果看出，本文工艺方案能够有效保证反应堆压力容器进出口接管双马鞍型曲面的表面精度要求，总体上实验是成功的。

(1)在粗加工时，由于马鞍面与工件外圆成一个渐变的小于90°，加工程序在圆周方向走刀时，刀具磨损严重，因此在加工过程中，应增加一个理论的切削边际，以减小切削时出现残留等现象。

(2)双马鞍形面在精加工后，局部出现了刀纹。经过分析，主要是由于加工行程过长，刀具中途刀具崩刃产生，原因是SA-508 Gr.3 Cl.1材质相对于35钢材质比较，材料屈服强度较低，材质胶黏，精加工刀具碳化钛含量过高，切削转速与其不匹配，导致刀具表面产生了积屑瘤，从而降低了表面粗糙度。为解决该问题，相应提高了切削转速至250 r/min。重新实验后，刀纹消失，保证了表面粗糙度的要求。

4 结论

进出口接管为整体锻件，锻件材质为SA-508 Gr.3 Cl.1，结构相对复杂。根据零件材质特性合理的选择加工参数显得尤为重要。通过工艺性分析以及现场试验，得到本文结论。

(1)结合进出口接管材质及切削参数，刀具材质应选择钨钛类硬质合金。

(2)SA-508 Gr.3 Cl.1材料塑性高，硬度低。通过工艺分析，为防止加工硬化的产生，进给量应选择0.35 mm/z，切削转速在230 r/min以上。

(3)进出口接管管口的结构特殊，无法对其根部圆弧角清根，精加工时要以中心孔为基点360°旋转，沿轴向加工。结合工件材质，工件转速应达到250 r/min。