CN102451976B - Ap1000核电主管道热段弯管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法,采用卧式数控镗铣床,机床的刀具采用接长刀排,加工包括短直管段、长直管段、弯管段的弯管,加工过程包括以下步骤:第一步,采用镗铣的方式加工直管段;第二步,加工弯管段;工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式,加工弯管段的内壁;工序2、弯管段外壁的加工。本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法,进行弯管段内壁的加工,即从变化的椭圆截面中寻找规律,并利用此规律进行弯管的仿型加工,从而实现弯管的机加工,从而解决弯管难以进行机加工的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属切削机械加工工艺,具体涉及一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法。
背景技术
随着核电的发展,对核电设备的要求不断提高。第三代核电技术——美国西屋公司的AP1000核电站是当前全球最先进的核电站,其功率为100兆瓦,设备的设计使用寿命为60年。
主管道是核电站十大主设备之一,是核电站核反应堆一回路的主要部件。主管道将核反应堆的压力容器、蒸发器主泵连接起来组成一个环形回路。核反应堆压力容器产生的热量由介质通过主管道热段传递给蒸发器;冷却后的介质再经过主管道冷段由主泵送回核反应堆压力容器中,形成一个环形的一回路热交换***。
主管道由冷段、热段、过渡段三部分组成,分为直管和弯管。主管道的工作条件是高温(设计温度350℃)、高压(设计压力17MPa),管道内受到流速为11米/秒介质的冲刷,介质带有高剂量的放射性元素,因此还受到介质的腐蚀。一旦一回路管道发生泄露或破坏事故,造成的危害将不堪设想。
根据主管道的工作条件,AP1000主管道的设计原则是:尽量减少与反应堆管道相关的焊缝,尽量减少在役检查的工作量,减少工作人员受照射剂量;缩短在役检查的时间,缩短换料时间,以提高电厂设备可利用率,提高经济效益;反应堆管道无安装“调节段”,其两端直接与反应堆压力容器和蒸汽发生器连接。因此,要求反应堆管道为带有4英寸以上接管嘴的整体锻件,高加工精度,以保证安装过程一次接成功。限于以上设计原则,AP1000主管道热段弯管的结构为:外径尺寸Φ965,内径尺寸Φ785,管壁厚δ=90mm,弯管弯曲变薄率<15%,管嘴与管道设计为一体。
第一代核电产品的主管道,法国为砂型铸造,材质为CF8M;俄罗斯采用电渣熔铸方法制造弯管,比砂型铸造好。
第二代核电产品的主管道,主管道要求锻件采用钢锭锻成长筒体锻件,再机加工成直管(也可采用挤压法生产大口径的无缝管),利用直管在弯管机上冷弯或高频加热热弯成形。冷弯弯管生产前一定要进行固溶化处理,提高塑性和韧性,防止内应力高,冷弯总变形量要控制在30%以下,要分几次进行。每次之间要做除应力退火或固溶处理。由于冷弯必然使材质产生冷作硬化,弯管小R处应力集中。
对于设计要求更高的第三代核电产品,毛坯要求为锻件,直径比之前的AP600加大,长度加长,圆弧的弯曲度56.4°较大,第一代产品的制造方法不可行,第二代产品的制造方法难以满足要求(甚至不能实现),目前国际上还没有一家单位能冷弯或热弯出这么大直径的管道,最多也只能弯出大致形状及尺寸,弯好之后还需进行精加工。机床和刀具的选择也是一大难点,必须进行准确的计算,尤其是弯管内侧加工很困难。该管道的加工对于目前国际上的加工技术来说是个挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法,它可以对热段弯管进行机加工。
为解决上述技术问题,本发明AP1000核电主管道热段弯管的制造方法的技术解决方案为:
采用卧式数控镗铣床,机床的刀具采用接长刀排,加工包括短直管段、长直管段、弯管段的弯管,加工过程包括以下步骤:
第一步,采用镗铣的方式加工直管段;
第二步,加工弯管段;
工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式,加工弯管段的内壁;
先加工弯管段的上半椭圆:刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分,采用主轴加接长刀排,在保证主轴与孔壁不碰的情况下,先加工短直管段一侧的上半内圆弧的第一区域;
然后保证主轴与孔壁不碰,保持主轴的高度不变,加工至最大长度,完成对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域的加工;
再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分,加工剩余的上半圆弧,完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三、第四区域的加工;
最后加工弯管段的下半椭圆:主轴加接长刀排,采用比主轴直径大的刀具,进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工;
加工弯管段的内壁的计算方法为:已知内孔、中心圆弧的尺寸,以α角为白变量,根据α角求得轴向深度H1以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截面尺寸L1、L2、L0,以此推算出上半近似椭圆的长轴ΔL1=L0-L1,下半近似椭圆的长轴ΔL2=L2-L0,近似椭圆的短轴为管道的内孔半径;根据不同截面的尺寸,数控编程加工出近似椭圆截面,控制截面上半部分过切、下半部分少切的量在误差允许的范围内,实现弯管段内孔的加工。
所述截面上半部分过切、下半部分少切的量的误差允许的范围为壁厚±12.5%。
工序2、弯管段外壁的加工;
弯管段外壁为外侧圆弧,采用球刀加接长刀排,切削工件的外侧,实现外侧圆弧的加工。
本发明可以达到的技术效果是:
本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法,进行弯管段内壁的加工,即从变化的椭圆截面中寻找规律,并利用此规律进行弯管的仿型加工,从而实现弯管的机加工,从而解决弯管难以进行机加工的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1为采用本发明对弯管上半圆弧进行机加工的加工区域图;
图2为本发明的计算原理图;
图3为刀具进入弯管加工的示意图;
图4为弯管段随α变化的截面图;
图5为截面线与标准椭圆线的比较图;
图6为截面与标准椭圆线的误差示意图。
图中附图标记说明:
α为弯管的不同位置与主轴垂直方向的夹角,
H1为弯管的轴向深度,
L1为弯管的圆弧中心至内侧圆弧的截面尺寸,
L2为弯管的圆弧中心至外侧圆弧的截面尺寸,
L0为弯管的圆弧中心至中心圆弧的截面尺寸,
ΔL1为上半近似椭圆的长轴,
ΔL2为下半近似椭圆的长轴。
具体实施方式
本发明AP1000核电主管道热段弯管的制造方法,采用Φ200卧式数控镗铣床,机床的刀具采用接长刀排;本发明可以用于加工内径为Φ785,短直管段为1412mm,长直管段为2585.7mm,弯管段角度56.4°的热段弯管,如图1所示;
Φ200卧式数控镗铣床机床的特点是:主轴可伸长1400mm,方滑枕可伸长1000mm,方滑枕外接圆尺寸Φ546,工作台可移动1600mm。
由于圆弧内侧向里凹,直管内壁为机床主轴的极限位置,所以刀具必须伸出机床主轴。
定义刀具伸出机床主轴的距离为Δr,则:
机床主轴的直径+2Δr<弯管内径
即:Φ200)+2Δr<Φ785
可以取Δr=285mm,即加长刀排的半径为285mm。
加工过程包括以下步骤:
第一步,采用镗铣的方式加工直管段;镗铣加工方式为现有技术,在此不作赘述。
第二步,加工弯管段;
工序1、弯管段内壁的加工;
加工时,如图1所示,采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式,先加工弯管段的上半椭圆(即上半内圆弧):
刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分,采用主轴加接长刀排,在保证主轴与孔壁不碰的情况下,先加工至最大范围43.52°,即短直管段一侧的上半内圆弧的第一区域①;
然后保证主轴与孔壁不碰,保持主轴的高度不变,加工至最大长度,完成对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域②的加工;
再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分,加工剩余的上半圆弧,完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三区域③、第四区域④的加工;
最后加工弯管段的下半椭圆(即下半内圆弧):
主轴加接长刀排,采用比主轴直径大的刀具,进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工;
如图2所示,已知内孔、中心圆弧的尺寸(根据设计要求确定),以α角为白变量,根据α角可求得轴向深度H1以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截面尺寸L1、L2、L0,以此可推算出上半近似椭圆的长轴ΔL1=L0-L1,下半近似椭圆的长轴ΔL2=L2-L0。根据不同截面的尺寸,数控编程即可加工出近似的椭圆截面,实现弯管段内孔的加工。
该加工方法的原理如下:
如图2所示,弯管沿R1429.3圆弧半径方向的所有截面为相等的环形截面,要加工出此型面,必须使机床主轴沿弯管中心R1429.3圆弧线运动且与半径方向法向垂直,但是由于管道长度及孔口的限制,这是无法实现的。本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法,进行弯管段内壁的加工,即从变化的椭圆截面中寻找规律,并利用此规律进行弯管的仿型加工,从而实现弯管的机加工,从而解决弯管难以进行机加工的问题。
如图3所示,刀具沿直管段轴心线的方向进入弯管部分,根据弯管与主轴垂直方向不同位置α角所截得的形面为鸭蛋形,如图4a至图4g所示,α角越大,鸭蛋形的长度越长;
利用标准椭圆来近似该鸭蛋形截面,根据不同α角截得的鸭蛋形截面的长度计算椭圆的长轴,同一截面以两个长轴不等的标准椭圆来近似,保证上半椭圆和下半椭圆的中心均在R1429.3中心线上,利用数学关系自动计算分离出上下半椭圆长半轴数据,即上半椭圆长轴为内弧线(R1036.8)至中心(R1429.3)尺寸、下半椭圆的长轴为外弧线(R1821.8)至中心(R1429.3)尺寸,而短轴均为管道内孔尺寸392.5(Φ785/2)不变,如图5a至图5g所示。
由图6a至图6g可知,在要加工范围内随着α角度的增大,标准椭圆与实际截面的误差越来越大,故截面上半部分过切,下半部分少切。
通过控制椭圆度误差在允许的范围之内,计算可加工的最大范围,因加工范围关于56.4°角平分线对称,故从短段尽可能加工至最大范围,最大长度,以减少长段加工的量。根据设计要求弯管处壁厚为理论壁厚±12.5%,现以允许的最小壁厚值75mm计算,即±9.375mm,由截面图知,可将上半圆弧加工至50°左右,下半圆弧加工至将近90°
工序2、弯管段外壁的加工;
弯管段外壁为外侧圆弧,采用球刀加接长刀排,切削工件的外侧,实现外侧圆弧的加工。外侧圆弧的加工采用现有的机加工方法即可实现。
Claims (3)
1.一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法,其特征在于:采用卧式数控镗铣床,机床的刀具采用接长刀排,加工包括短直管段、长直管段、弯管段的弯管,加工过程包括以下步骤:
第一步,采用镗铣的方式加工直管段;
第二步,加工弯管段;
工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式,加工弯管段的内壁;
先加工弯管段的上半椭圆:刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分,采用主轴加接长刀排,在保证主轴与孔壁不碰的情况下,先加工短直管段一侧的上半内圆弧的第一区域;
然后保证主轴与孔壁不碰,保持主轴的高度不变,加工至最大长度,完成对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域的加工;
再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分,加工剩余的上半圆弧,完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三、第四区域的加工;
最后加工弯管段的下半椭圆:主轴加接长刀排,采用比主轴直径大的刀具,进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工;
工序2、弯管段外壁的加工:
弯管段外壁为外侧圆弧,采用球刀加接长刀排,切削工件的外侧,实现外侧圆弧的加工。
2.根据权利要求1所述的AP1000核电主管道热段弯管的制造方法,其特征在于:所述工序1加工弯管段的内壁的计算方法为:已知内孔、中心圆弧的尺寸,以α角为自变量,根据α角求得轴向深度H1以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截面尺寸L1、L2、L0,以此推算出上半近似椭圆的长轴ΔL1=L0-L1,下半近似椭圆的长轴ΔL2=L2-L0,近似椭圆的短轴为管道的内孔半径;根据不同截面的尺寸,数控编程加工出近似椭圆截面,控制截面上半部分过切、下半部分少切的量在误差允许的范围内,实现弯管段内孔的加工;
其中,α为弯管的不同位置与主轴垂直方向的夹角。
3.根据权利要求2所述的AP1000核电主管道热段弯管的制造方法,其特征在于:所述截面上半部分过切、下半部分少切的量的误差允许的范围为壁厚±12.5%。
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