核燃料元件导向管自动钻孔装置研制及钻孔工艺研究初探

胡 煜 陈天野 代志兵

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000）

从20 世纪80 年代后期至今，我国核燃料领域对于导向管流水孔钻孔，在方法和手段上创新不够，一直采用手工操作台钻加工导向管流水孔方法。过程中，钻削速度只能选定有限几种，并且在钻削速度确定后，钻削进给速度只能采用人工控制方法，钻孔自动化程度不高、效率较低；钻孔后孔边缘毛刺严重，后续人工去除毛刺工作量大。因此，为了满足导向管流水孔钻孔要求，研制一套导向管自动钻孔装置并开展导向管钻孔工艺研究。通过试验，确定导向管流水孔钻削钻头、钻削速度和钻削进给速度等工艺参数，达到大幅减少钻削毛刺、满足流水孔直径、流水孔位置尺寸和分布角度要求，实现导向管钻孔自动化的目的。

1 导向管自动钻孔装置研制

1.1 总体设计思路

导向管自动钻孔装置由钻孔主轴组件、Z 轴组件、X轴组件、V 型支架组件、夹持定位组件等部分组成，实现对导向管自动钻孔时的支撑、夹持、旋转、移位、压紧，钻孔参数可以调整。钻孔主轴组件安装在Z 轴组件上，实现钻孔功能。钻削深度最小：（0～5）mm。Z 轴组件实现钻头上、下进给移动和钻孔深度定位功能。采用伺服电机和精密丝杠组成传动系统，由双滑块直线导轨、滚珠丝杆、光栅尺等组成运动轴[2]；其重复定位精度；行程：1780mm。夹持定位组件对导向管实施夹持和轴向定位，实现导向管轴向移动、角度旋转等定位功能。V 型架和支撑架实现对导向管沿轴向的支撑和定位，在钻孔时支撑并压紧工件。

1.2 自动钻孔装置主要构成

钻孔主轴组件上的高速主轴电机通过固定板定位连接在双滑块直线导轨上形成Z 轴组件，向下移动实现钻孔并限制钻孔深度。其转速500-12000RPM，额定功率2.2KW，最大转速力可以达到1.2N.M。钻头使用气动夹头，可以安装不同的钻头。在钻孔过程中通过程序设定自动更换不同的钻头，钻削出￠1mm～￠5mm 的孔。在钻孔时压紧块将导向管压紧在V 型支架中，可以防止钻孔时导向管轴向窜动和径向转动，保证钻孔同心度及钻孔尺寸要求。其中，压紧块材料使用聚氨酯，防止损伤导向管表面。

X 轴组件由防护罩内的两个双滑块直线导轨、滚珠丝杆、光栅尺组成运动轴，实现导向管沿X 轴方向在不同位置处钻孔，其光栅尺分辨率：1um[3]。选用双滑块直线导轨和滚珠丝杆组成钻孔主轴组件运动轴，为钻孔提供向下的动力，其土0.02mm 重复定位精度可以保证较高的钻孔定位精度和钻孔尺寸[4]。V 型支架在钻孔时起支撑导向管作用。确保钻孔时对中，保证钻孔位置尺寸和偏差以及和分布角度和偏差。夹持定位组件可以通过程序设定调整中心高度，以便与V 型支架的中心高度相一致。可以选择夹持￠1mm～￠5mm 等范围内不同直径的钻头。

2 钻孔工艺研究

2.1 钻孔工艺试验

2.1.1 试验目的

选择不同的钻头顶角大小，设定较大范围钻削速度并匹配不同钻削进给速度进行钻孔。检查钻孔后孔边缘毛刺形态和大小，分析钻头顶角角度、钻削速度、钻削进给速度等三个主要参数对导向管钻孔表面质量尤其是钻削毛刺的影响。通过试验，探索钻头顶角角度和钻削转速及匹配的钻削进给速度范围。

2.1.2 试验条件

根据钻削理论分析及对钻削毛刺形成机理研究的成果，钻头的顶角大小是决定钻削毛刺产生的重要因素[5]。在试验中采用￠2.4mm 硬质合金标准钻头。考虑到导向管壁厚、外径、材质等已经确定，并参考目前手工钻削流水孔的钻削速度为2000rpm 等实际情况，选择在800 ～4000 rpm 钻削速度范围内匹配0.05 ～0.65 mm/s 钻削进给速度两组参数内开展钻孔试验。

2.1.3 试验及结果分析

钻头顶角角度选择为118°，钻削速度800～4000rpm范围和匹配的钻削进给速度0.05～0.65mm/s，试验结果表明：

（1）使用顶角角度为118°的钻头，在800～4000 rpm钻削转速和0.05～0.65 mm/s 进给速度条件下钻孔，试样均显示孔内、外侧有明显的严重的金属翻边和残留，表现为毛刺凸出流水孔，并附着在孔周围，毛刺大并且密集，伴随“盖帽”形状毛刺（孔“翻盖”）和翻边，且翻边严重。

（2）部分孔呈椭圆或心形形状；孔内柱面不光滑，见图1-2。

图1 孔翻盖和椭圆成型

图2 椭圆成型和孔边积瘤

（3）当钻削速度达到4000rpm 时，试样等孔内壁显现明显的台阶状或锯齿状钻痕，孔边积屑瘤明显增加见图3-4。

图3 孔边毛刺

图4 孔内壁粗糙、不光滑

（4）当尝试继续提高钻削速度达到6000rpm 时，钻头与管表面摩擦产生火星，存在安全隐患，不再尝试更高钻速进行试验。

分析和结论：使用顶角角度为118°的钻头，主要在流水孔出孔处产生钻削切出进给的毛刺，形态为“盖帽”和较严重的翻边毛刺，即处于切削运动刀具切削刃毛刺分类体系中所讲的Ш 型毛刺形态[6]。

钻头顶角角度选择为140°，按照钻削速度800～3000rpm 范围和匹配的钻削进给速度0.05～0.65mm/s 进一步试验，其它试验条件不变，试验结果表明：

（1）使用顶角角度为140°的钻头，在800 rpm～3000 rpm 钻削转速和0.05mm/s～0.65 mm/s 进给速度条件下钻孔，试样流水孔内、外侧均无明显金属翻边和金属残留；孔呈圆形且形状规整；孔内柱面均匀光滑，孔加工区表面无变形,见图5-6。

图5 孔内部表面质量

图6 孔外表面质量

（2）放大检查流水孔，发现钻削切出进给方向的孔边

仍然有毛刺，但无严重的“翻盖”和大的翻边毛刺，毛刺形态处于Ⅱ型毛刺状态，即切削运动-刀具切削刃毛刺分类体系中所讲的泊松毛刺[7]。

（3）同时，目视并借助内窥镜检查发现，相比较而言，在1500～2500rpm 钻削转速并匹配0.15mm/s～0.25 mm/s进给速度条件下钻孔，孔的表面状况更好一些。

分析和结论：（1）在实际钻削过程中，钻削毛刺的产生受到综合因素的影响。这些综合因素包括钻头结构形状和尺寸、钻头材质、被钻削材料、钻削速度和钻削进给速度等等。当确定了被钻削材料材质和壁厚、钻孔直径、钻头材质等条件后，钻孔质量尤其是毛刺产生的形态和大小就主要由钻头顶角角度、钻削速度和钻削进给速度三个因素决定[8]。（2）针对试验显示出在1500～2500rpm钻削速度和匹配0.15～0.25 mm/s 钻削进给速度条件下钻孔表面质量更好的结果，结合钻削理论和钻削毛刺形成机理，分析认为产生这样的效果原因在于：a.当将钻头顶角角度由标准的118°增大至140°时，钻头主切削刃形状呈凹曲线形，有利于切削折断；而被钻削的导向管壁厚很薄，故不容易产生大的毛刺。b.由于被钻削导向管延伸率大且管壁很薄，较高的钻削速度匹配很小的钻削进给速度会延长钻头与导向管流水孔相互摩擦的时间，使得热量急剧升高而不能快速散热，反而导致切削毛刺很不容易脱落并粘在孔边。因此，增大钻头顶角角度，在钻削导向管流水孔时，有利于减少钻削导向管流水孔所产生的毛刺。试验结果说明使用顶角角度为140°的钻头和适宜的钻削速度和钻削进给速度钻头更能够钻削出一个理想的、表面质量更优的流水孔。

2.2 手动自动钻孔对比试验

2.2.1 试验目的

对比验证自动钻孔流水孔表面质量及毛刺去除能否满足要求。

2.2.2 试验条件

采用4 支全长导向管，选择顶角角度为140°的￠2.4mm 硬质合金钻头，分别以手动方式钻孔1 支，以自动方式钻孔3 支，试验方案见表1。

表1 流水孔钻孔对比试验方案

2.2.3 试验和结果分析

使用工业内窥镜检查流水孔内表面毛刺。在采取去除毛刺工艺前，导向管流水孔内部均有微小毛刺，但都是不明显和不大的毛刺。检查表明，导向管流水孔外表面均无毛刺，自动钻孔条件下流水孔毛刺要稍少，状况更好一些。在采取去除毛刺工艺对比，导向管内部流水孔毛刺较容易去除,见图7-8。

图7 导向管流水孔内部质量

3 结论

图8 导向管流水孔内部质量

新研制的导向管自动钻孔装置实现了钻削导向管流水孔时支撑、夹持、旋转、移位、压紧和按照设定参数自动钻孔的功能和目的。探索了自动钻孔的工艺流程，通过选择钻头、钻削速度并匹配适宜的钻削进给速度，找到了适宜的钻孔参数范围，使得自动钻孔后流水孔质量、流水孔直径能够满足技术要求。

钻孔工艺过程表明：（1）自动钻孔装置运行平稳、定位精确、操作便捷、安全防护到位，能够满足导向管流水孔钻孔技术要求。（2）使用140°硬质合金标准钻头，在1500～2500prm 转速并匹配0.10～0.25mm/s 钻削进给速度条件下自动钻孔要优于手工钻孔，导向管流水孔的外表面上不会产生毛刺，满足技术要求；内表面均会产生少量的毛刺，仍然需要手续采取去除毛刺工艺去除孔内表面毛刺。（3）采用自动钻孔装置钻孔，导向管无凹陷变形，流水孔周边无裂纹，导向管表面无划伤。