CN104097037B - 核电站核主泵导叶的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核电站核主泵导叶的加工工艺。本发明可以在整体实心锻件上加工出完整的叶片翼型，与核主泵中叶轮相比难度更大，更不同于传统的叶片制造采用铸造或焊接的方法。加工后的表面粗糙度可以达Ra3.2。对叶片表面进行抛光其粗糙度可达Ra0.8以上。叶片的检测利采用关节臂对叶片的型线进行扫描，扫描后的数据与标准三维模型数据进行比对。经过模拟件及多台产品件最终检测结果，表明导叶的叶片翼型完全符合设计图纸要求。
Description
技术领域：本发明涉及核电站核主泵导叶的加工工艺。
背景技术：二代加核主泵中的导叶是主泵中的最关键的部件之一，且是直接影响泵扬程、流量的重要水力部件。目前，二代加核主泵是我国核电站核岛中唯一没有实现国产化的设备。国内现有的叶片加工方法大多是采用单个叶片加工然后逐个焊接到导叶轮毂上，或是采用整体铸出的导叶然后进行打磨，这两种方法的制造出的导叶质量不高，前者存在焊接精度不高，焊后变形，存在焊接应力。后者存在铸造质量也不高，常存在铸造砂眼、裂纹，打磨叶片困难，难以保证叶片翼型，且两种方法制造出的导叶可靠性都难以满足在核主泵运行压力17.16MP、温度是350℃这种工况下的要求。目前，我国还没有加工核主泵导叶的厂家，国外同行加工也采用三坐标机床加辅助工装加工，加工出的叶片及流道表面粗糙度达Ra12.5，所以手工打磨占有很大比重。这样会影响导叶流道的形状，影响核主泵的扬程、效率。普通的导叶的制造一般分为两种方法，即铸造和焊接，铸造的导叶材料强度差，精度低，叶片的型线靠手工打磨，很难保证其设计的型线，既影响到使用寿命，也就影响到整个主泵电机组的功率。在核泵里导叶需要承受高温高压，铸造导叶其材料性能差，故而会缩短寿命，会增加核电站的检修频率，甚至会出现事故。导叶的叶片固定如果采用焊接的方式，很难控制叶片焊接变形量，增加焊接难度，焊后的叶片的退火、打磨很也难保证叶片型线，承载高温高压的焊缝强度要求也很难满足核泵的运行要求，对于机组的效率和安全性、维护都带来不便。
发明内容：
本发明的目的是提供一种加工质量好、工艺运行稳定、缩短制作周期，提高工作效率的核电站核主泵导叶的加工工艺。本发明的技术方案为：一种核电站核主泵导叶的加工工艺，核主泵导叶由整体实心锻件(1)加工而成，导叶由十四个叶片(21)，均匀分布在轮毂(24)与外环(25)之间，相邻两个叶片(21)、轮毂(24)与外环(25)间构成流道(23)，叶片(21)与轮毂(24)、外环(25)的连接处带有过渡圆角(22)并光滑连接，具体工艺步骤为：
第一步是选用粗加工端面铣刀(4)，按叶片的倾斜角度粗铣出一个垂直于叶片切线的斜面5，转速800rpm，垂直步距为1mm，每齿进给量0.6mm，目的是为了下一步容易钻削，不会产生让刀，由于切削量较大，而且是偏铣，在开始进行粗切削的时候需要设计强度大的刀柄；
第二步是设计选用合适的钻头(6)在垂直于斜面的角度上钻通型腔通孔(7)，转速500rpm，每齿进给量0.1mm；
第三步用D43L400的面铣刀将钻好的通孔(7)扩大孔的直径，转速1200rpm，每齿进给量0.45mm，这样可以增加加工效率也有利于更好的排削；
第四步用D63L210的面铣刀进行两个叶片间的型腔铣削，转速900rpm，每齿进给量0.5mm；
第五步用D63L260的面铣刀加深两个叶片间的型腔铣削，转速900rpm，每齿进给量0.5mm；
第六步用D40L350的面铣刀进行导叶叶片进口端其中一侧形状有些凹的叶片倒角的铣削，转速1500rpm，每齿进给量0.5mm；
第七步用第六步的方法沿着叶片进一步加深第六步位置叶片型腔的铣削；
第八步用D63L200的面铣刀加工导叶型腔内另一侧形状有些凸起的叶片靠近外侧圆角的铣削；
第九步用D63L200的面铣刀加工导叶型腔内第八步加工靠近内圆倒角的位置；
第十用D40L350的面铣刀进一步加深第七步铣削；
第十一步用D40L350加深第九步位置的铣削；第十二步用D40L350继续加深第八步位置的铣削；
第十三步用D63L310的面铣刀加深两个叶片间的型腔铣；
第十四步用D63L350的面铣刀将型腔加工到相通；
第十五步变换角度，用D40L400的面铣刀加工叶片曲线凹进去的中部和下部，直到铣通到底部；
第十六步用R8L230的球头铣刀进行叶片边缘的倒角粗铣；
第十七步用R8L230的球头铣刀进行叶片表面的半精铣；
第十八步用R8L400对型腔的中部和底部进行五轴半精铣，通过以上十八步对型腔流道(9)各个方向的半精铣削，为下一步精铣做好准备；
第十九步用球头铣刀(8)进行五轴五联动轮廓精铣，转速3000rpm，每齿进给量0.15mm，所用刀杆刀具为专用设计的锥形刀柄及可换球头铣刀，通过五轴联动精加工叶片型腔和边缘倒角，沿型腔流道(9)的边缘走螺旋矩形的曲线，从上部到中部再到下部，加工时五轴五联动，主轴不断变换各种角度，同时工件也在跟随旋转，按这种方法循环加工每个型腔，即加工出完整的导叶翼型及型腔流道(9)；
第二十步加工所有的孔和槽，
第二十一步是进行叶片的抛光，利用转速18000rpm的气动磨机，分别安装上千叶轮、纤维碟、纤维轮、羊毛碟对叶片翼型进行手工抛光，抛光只使表面达到更好的效果，表面粗糙度可以达到Ra0.8以上，抛光不改变叶片的形状和尺寸，只是抛光掉精加工时预留余量，最终用关节臂对叶片的翼型进行扫描，与已设计好的模型进行轮廓线对比，抛光检测合格后即完成核主泵导叶的加工。
本发明的优点及技术效果是：按导叶图纸进行叶片编程，采用适合的数控立式加工机床和数控五轴联动加工中心的设备，配上设计的专用工装、专用刀杆刀具，优选合适的切削参数，即可以在整体锻件上加工出完整的导叶叶片，免除了传统的导叶叶片制造采用铸造或焊接的方法带来的不利因素。传统的铸造导叶不仅模具设计复杂、制造困难，而且铸件导叶容易产生众多缺陷，如掉砂、冲砂，容易产生气孔、针孔、缩松、疏松，表面容易出现裂纹、物理性能、力学性能和化学成分不合格众多缺点，铸件导叶的各种缺点都无法满足核主泵导叶的设计参数要求。传统的焊接方法也存在一些问题，比如说焊接不同的焊点时伸入体积不断变化，焊接电流产生波动，造成各焊点质量不恒定，焊接导叶叶片过程是在狭小的空间内操作，所以无法直接观测，焊接质量只能靠工艺试验和破坏性试验来检查，电焊焊接时间短，焊接热量波动较大，难以控制，焊接中产生虚焊和脱焊缺陷。在核电站主泵运行过程中导叶是承受350度的高温和17.16MPA的压力，所以铸造的导叶和焊接的导叶是无法满足导叶长时间在高温高压的条件下运行的要求。相对于上述两种方法，第一，本发明采用的机械加工制造方法加工完成的叶片避免了上述所有缺点，完全能满足核主泵的要求。钢锻件材料物理性能、力学性能和化学成分都能达到要求，不易产生缺陷，材料的各种性能得到了有效的控制，避免了因铸造产生或焊接叶片产生的变形、砂眼、气孔及因焊接容易产生各种的缺陷。第二，加工出的导叶叶片精度高，完全靠数控程序操作，数控机床加工，表面粗糙度已经接近图纸要求，只需再做表面抛光处理，即可优于图纸要求，保证了设计精度要求，保证了主泵的扬程和效率设计参数，满足核电站主泵导叶长期高效安全稳定运行的要求，提高了产品质量，满足了核主泵设计要求，保证了核主泵运行的性能及稳定。第三，本发明使导叶制造的工艺过程更加简便，清洁，环保，安全，即不会因铸造和焊接产生的有害气体，也不会浪费不可再生资源，同时也降低了铸造和手工焊接的危险性。第四，高效，本发明缩短了制造周期，是国外同行制造周期的三分之一，减少了制造所涉及的工种及设备，降低了制造成本。
对比国外的核电站导叶制造工艺：国外的几个掌握二代加主泵制造技术的厂家也采用整体锻件直接加工出叶片的方法制造导叶，但他们加工的导叶的表面粗糙度只能勉强达到Ra12.5，叶片的表面留了10mm余量，通过很长时间的打磨来保证尺寸及降低表面粗糙度，这种用打磨的方法来控制叶片曲线的要凭操作者的经验，人的因素很大，如果操作者缺乏叶片打磨经验，打磨很容易产生叶片轮廓线的改变，造成超差，对水力曲线产生影响，本发明加工的叶片相对于国外主泵制造技术厂家的优点是，叶片表面只需要抛光即可，不会对叶片轮廓线产生影响，用本发明核主泵导叶的加工代替人工打磨，保证了设计的叶片曲线精度要求，提高了可靠性，不会因操作者的失误而导致导叶报废情况的发生。本发明所采用的方法提高了导叶的加工效率，加工质量也优于国外同行，可大大提高制造精度。加工后的表面粗糙度可以达到Ra3.2，加工后只对叶片表面进行抛光，导叶粗糙度可达到Ra0.8以上。叶片的检测利用德国制造的关节臂对叶片的型线进行扫描，扫描后与三维模型对比。测量结果如图9所示，导叶扫描百分比偏差及如图10所示，导叶加工后扫描的标准偏差，测量球头的半径为3mm，即X轴3mm实际偏差为0，93％的偏差集中在0.00～0.35mm之间，这主要是留的抛光余量，按设计图纸要求的叶片偏差为0～0.30mm，实际的加工结果是满足加工工艺要求的，经过抛光后的导叶是符合设计要求的，检测的最终结果详见图九与图十。经过模拟件及多台产品件最终检测结果的对比，表明导叶的叶片翼型完全否符合设计图纸要求。用此方法制造的导叶，经过全流量试验后效果良好。已应用于福清方家山核电站主泵和巴基斯坦项目核电站主泵项目中。
本发明的意义将大大推动核主泵的国产化进程。之前，导叶的加工制造技术一直为发达国家垄断，本发明将打破这个僵局，实现导叶制造的国产化，导叶加工制造的国产化为核电站的心脏——主泵制造的国产化提供保障。
附图说明：
图1导叶锻件图
图2为车削导叶出水端非标刀杆
图3导叶的出水端车削专用非标刀杆刀具使用示意图
图4为导叶按一定角度铣削平面图
图5为导叶按垂直平面钻通型腔流道图
图6为导叶铣削型腔流道图
图7为铣削专用工装使用示意图
图8为导叶最终产品三维图
图9为导叶扫描百分比偏差
图10为导叶加工后扫描的标准偏差
具体实施方式：
如图1所示，一种核电站核主泵导叶的加工工艺，核主泵导叶由整体实心锻件1加工而成，如图8所示，导叶由十四个叶片21，均匀分布在轮毂24与外环25之间，相邻两个叶片21、轮毂24与外环25间构成流道23，叶片21与轮毂24、外环25的连接处带有过渡圆角22并光滑连接，具体工艺步骤为：
如图4所示，第一步是选用粗加工端面铣刀4(D63L150即直径为63mm长150mm)，按叶片的倾斜角度粗铣出一个垂直于叶片切线的斜面5，转速800rpm，垂直步距为1mm，每齿进给量0.6mm，目的是为了下一步容易钻削，不会产生让刀，由于切削量较大，而且是偏铣，在开始进行粗切削的时候需要设计强度大的刀柄；
如图5所示，第二步是设计选用合适的钻头6(D80L395)在垂直于斜面的角度上钻通型腔通孔7，转速500rpm，每齿进给量0.1mm；
第三步用D43L400的面铣刀将钻好的通孔7扩大孔的直径，转速1200rpm，每齿进给量0.45mm，这样可以增加加工效率也有利于更好的排削；
第四步用D63L210的面铣刀进行两个叶片间的型腔铣削，转速900rpm，每齿进给量0.5mm；
第五步用D63L260的面铣刀加深两个叶片间的型腔铣削，转速900rpm，每齿进给量0.5mm；
第六步用D40L350的面铣刀进行导叶叶片进口端其中一侧形状有些凹的叶片倒角的铣削，转速1500rpm，每齿进给量0.5mm；
如图6所示，第七步用第六步的方法沿着叶片进一步加深第六步位置叶片型腔的铣削；
第八步用D63L200的面铣刀加工导叶型腔内另一侧形状有些凸起的叶片靠近外侧圆角的铣削；
第九步用D63L200的面铣刀加工导叶型腔内第八步加工靠近内圆倒角的位置；
第十用D40L350的面铣刀进一步加深第七步铣削；
第十一步用D40L350加深第九步位置的铣削；第十二步用D40L350继续加深第八步位置的铣削；
第十三步用D63L310的面铣刀加深两个叶片间的型腔铣；
第十四步用D63L350的面铣刀将型腔加工到相通；
第十五步变换角度，用D40L400的面铣刀加工叶片曲线凹进去的中部和下部，直到铣通到底部；
第十六步用R8L230的球头铣刀进行叶片边缘的倒角粗铣；
第十七步用R8L230的球头铣刀进行叶片表面的半精铣；
第十八步用R8L400对型腔的中部和底部进行五轴半精铣，通过以上十八步对型腔流道9各个方向的半精铣削，为下一步精铣做好准备；
第十九步用球头铣刀8(R8L400)进行五轴五联动轮廓精铣，转速3000rpm，每齿进给量0.15mm，所用刀杆刀具为专用设计的锥形刀柄及可换球头铣刀，通过五轴联动精加工叶片型腔和边缘倒角，沿型腔流道9的边缘走螺旋矩形的曲线，从上部到中部再到下部，加工时五轴五联动，主轴不断变换各种角度，同时工件也在跟随旋转，按这种方法循环加工每个型腔，即加工出完整的导叶翼型及型腔流道9；
第二十步加工所有的孔和槽，
第二十一步是进行叶片的抛光，利用转速18000rpm的气动磨机，分别安装上千叶轮、纤维碟、纤维轮、羊毛碟对叶片翼型进行手工抛光，抛光只使表面达到更好的效果，表面粗糙度可以达到Ra0.8以上，抛光不改变叶片的形状和尺寸，只是抛光掉精加工时预留余量。最终用关节臂对叶片的翼型进行扫描，与已设计好的模型进行轮廓线对比，抛光检测合格后即完成核主泵导叶的加工。
如图2所示，出水端车削专用非标刀杆刀具2，分为上、下两部分，上半部分按照AC20机床的接口设计，采用内六角螺栓固定，下半部分形状及角度按照导叶出水端流道3的形状，并考虑所加工掉的部分材料形状为环形柱带，设计成能够装卡通用刀杆，如图3所示，装卡刀杆的方式能够同时满足加工导叶出水端流道3与轮毂24的外圆的形式，也能够满足加工导叶出水边外环25流道的内圆环面，分别加工内外圆时并不互相发生干涉，专用非标刀杆材料选用45#锻钢，整体锻造加工，防止刀杆由于刚度不足产生让刀现象，按导叶的出水端车削专用非标刀杆刀具2粗精加工即可完成导叶出水端流道3及其曲面流道的形状加工。
如图7所示，铣削专用工装为：将上、下止口带有按一定公差配合要求且带有销孔定位的胎体13安装到五轴加工中心工作台上，其中心销孔装入定位销10后落入到五轴加工中心工作台的销孔中，并利用内六角M16螺钉12与b28T型滑块11将胎体13把合到工作台上，其中内六角M16螺钉12落入胎体13的沉孔中，b28T型滑块11放入机床工作台的标准键槽内，将导叶上端面凸止口落入到胎体13凹止口配合的位置，压板14压住导叶台阶，用M24螺栓15将压板14压紧，上面用盖板16和M24拉杆17、加厚垫圈19及M24螺母18将导叶拉紧在胎体13上，工件装夹后无需找正，通过工作台中心的定位销10即可找正中心位置，为防止工件旋转用定位销20将导叶与胎体13定位。
Claims (3)
1.一种核电站核主泵导叶的加工工艺，其特征是：核主泵导叶由整体实心锻件(1)加工而成，导叶有十四个叶片(21)，均匀分布在轮毂(24)与外环(25)之间，相邻两个叶片(21)、轮毂(24)与外环(25)间构成流道(23)，叶片(21)与轮毂(24)、外环(25)的连接处带有过渡圆角(22)并光滑连接，具体工艺步骤为：
第一步是选用粗加工端面铣刀(4)，按叶片的倾斜角度粗铣出一个垂直于叶片切线的斜面(5)，转速800rpm，垂直步距为1mm，每齿进给量0.6mm，目的是为了下一步容易钻削，不会产生让刀，由于切削量较大，而且是偏铣，在开始进行粗切削的时候需要设计强度大的刀柄；
第二步是设计选用合适的钻头(6)在垂直于斜面的角度上钻通型腔通孔(7)，转速500rpm，每齿进给量0.1mm；
第三步用D43L400的面铣刀将钻好的通孔(7)扩大孔的直径，转速1200rpm，每齿进给量0.45mm，这样可以增加加工效率也有利于更好的排削；
第四步用D63L210的面铣刀进行两个叶片间的型腔铣削，转速900rpm，每齿进给量0.5mm；
第五步用D63L260的面铣刀加深两个叶片间的型腔铣削，转速900rpm，每齿进给量0.5mm；
第六步用D40L350的面铣刀进行导叶叶片进口端其中一侧形状有些凹的叶片倒角的铣削，转速1500rpm，每齿进给量0.5mm；
第七步用第六步的方法沿着叶片进一步加深第六步位置叶片型腔的铣削；
第八步用D63L200的面铣刀加工导叶型腔内另一侧形状有些凸起的叶片靠近外侧圆角的铣削；
第九步用D63L200的面铣刀加工导叶型腔内第八步加工靠近内圆倒角的位置；
第十步用D40L350的面铣刀进一步加深第七步铣削；
第十一步用D40L350加深第九步位置的铣削；第十二步用D40L350继续加深第八步位置的铣削；
第十三步用D63L310的面铣刀加深两个叶片间的型腔铣；
第十四步用D63L350的面铣刀将型腔加工到相通；
第十五步变换角度，用D40L400的面铣刀加工叶片曲线凹进去的中部和下部，直到铣通到底部；
第十六步用R8L230的球头铣刀进行叶片边缘的倒角粗铣；
第十七步用R8L230的球头铣刀进行叶片表面的半精铣；
第十八步用R8L400对型腔的中部和底部进行五轴半精铣，通过以上十八步对型腔流道(9)各个方向的半精铣削，为下一步精铣做好准备；
第十九步用球头铣刀(8)进行五轴五联动轮廓精铣，转速3000rpm，每齿进给量0.15mm，所用刀杆刀具为专用设计的锥形刀柄及可换球头铣刀，通过五轴联动精加工叶片型腔和边缘倒角，沿型腔流道(9)的边缘走螺旋矩形的曲线，从上部到中部再到下部，加工时五轴五联动，主轴不断变换各种角度，同时工件也在跟随旋转，按这种方法循环加工每个型腔，即加工出完整的导叶翼型及型腔流道(9)；
第二十步加工所有的孔和槽，
第二十一步是进行叶片的抛光，利用转速18000rpm的气动磨机，分别安装上千叶轮、纤维碟、纤维轮、羊毛碟对叶片翼型进行手工抛光，抛光只使表面达到更好的效果，表面粗糙度可以达到Ra0.8以上，抛光不改变叶片的形状和尺寸，只是抛光掉精加工时预留余量，最终用关节臂对叶片的翼型进行扫描，与已设计好的模型进行轮廓线对比，抛光检测合格后即完成核主泵导叶的加工。
2.根据权利要求1所述的一种核电站核主泵导叶的加工工艺，其特征是：出水端车削专用非标刀杆刀具(2)，分为上、下两部分，上半部分按照AC20机床的接口设计，采用内六角螺栓固定，下半部分形状及角度按照导叶出水端流道(3)的形状，并考虑所加工掉的部分材料形状为环形柱带，设计成能够装卡通用刀杆，装卡刀杆的方式能够同时满足加工导叶出水端流道(3)与轮毂(24)的外圆的形式，也能够满足加工导叶出水边外环(25)流道的内圆环面，分别加工内外圆时并不互相发生干涉，专用非标刀杆材料选用45#锻钢，整体锻造加工，防止刀杆由于刚度不足产生让刀现象，按导叶的出水端车削专用非标刀杆刀具(2)粗精加工即可完成导叶出水端流道(3)及其曲面流道的形状加工。
3.根据权利要求1所述的一种核电站核主泵导叶的加工工艺，其特征是：铣削专用工装为：将上、下止口带有按一定公差配合要求且带有销孔定位的胎体(13)安装到五轴加工中心工作台上，其中心销孔装入定位销(10)后落入到五轴加工中心工作台的销孔中，并利用内六角M16螺钉(12)与b28T型滑块(11)将胎体(13)把合到工作台上，其中内六角M16螺钉(12)落入胎体(13)的沉孔中，b28T型滑块(11)放入机床工作台的标准键槽内，将导叶上端面凸止口落入到胎体(13)凹止口配合的位置，压板(14)压住导叶台阶，用M24螺栓(15)将压板(14)压紧，上面用盖板(16)和M24拉杆(17)、加厚垫圈(19)及M24螺母18将导叶拉紧在胎体(13)上，工件装夹后无需找正，通过工作台中心的定位销(10)即可找正中心位置，为防止工件旋转用定位销(20)将导叶与胎体(13)定位。
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