CN102294573B - 一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，包括下料、加工钩爪齿部、堆焊钩爪齿部、加工、堆焊第一销孔和第二销孔、加工堆焊后的钩爪齿部、加工钩爪背槽、加工堆焊后的第一销孔和第二销孔、磨加工钩爪侧面、加工钩爪倒角。本发明采用先机加工出钩爪齿部，对钩爪齿部进行堆焊，待钩爪齿部堆焊完成后，再机加工出钩爪的销孔，然后对销孔进行堆焊，避免了堆焊钩爪齿部时热输入大引起不锈钢母材的变形大，从而有效地控制了钩爪堆焊过程中的变形影响。

Description

一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，特别涉及一种核电控制棒驱动机构钩爪的制备方法。

背景技术

控制棒驱动机构是核电厂核岛内的关键设备之一，该机构能够按照指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动，起到对功率调节和在紧急情况下使反应堆停止反应的作用。控制棒驱动机构的工作温度为293^oC，工作压力为15.5MPa，使用寿命为40年。钩爪是控制棒驱动机构的一个核心动作零件，其动作的可靠性是保证整个控制棒驱动机构功能稳定的关键。目前在建核电站使用的磁力提升型控制棒驱动机构钩爪主要采用堆焊的单齿钩爪，在需要耐磨的钩爪齿和销孔内壁采用钴基合金堆焊。

钩爪作为控制棒驱动机构的核心动作零件，它不仅需要在尺寸很小的销孔（深度为30mm至32mm、孔径为14mm至16.5mm）中进行异种材料的高难度堆焊，而且对几何形状误差(一般要求±0.03mm)要求很高。销孔的母材与堆焊材料分别为奥氏体不锈钢和钴基合金，堆焊层容易出现裂纹、孔洞等缺陷，因此很难获得组织性能满足设计要求的堆焊层；对钩爪齿部进行堆焊时，由于大量的热输入引起奥氏体不锈钢母材的变形，影响钩爪的加工精度，因此很难获得满足尺寸精度要求的钩爪。

综上所述，现有技术中钩爪制备方法导致钩爪零件的主要不足是：

（1）钩爪销孔的堆焊层容易出现裂纹、孔洞等缺陷；

（2）钩爪成品的尺寸精度不能满足设计要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，通过控制钩爪的制造过程，使钩爪销孔的堆焊层无裂纹、孔洞等缺陷，使钩爪的尺寸精度达到设计规范要求，为核电设备提供优良的核心动作零件。

本发明采取的技术方案是：

 一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、对经复验合格的材料按所需尺寸下料制成工件的坯料；

第二步、将坯料的钩爪齿部加工到待堆焊所需尺寸；

第三步、对工件进行预热，堆焊钩爪齿部，堆焊过程中进行保温，堆焊完成后将工件放在保温材料中缓冷；

第四步、加工第一销孔和第二销孔；对工件进行预热，堆焊第一销孔和第二销孔，堆焊过程中进行保温，堆焊完成后将工件放在保温材料中缓冷；

第五步、粗加工堆焊后的钩爪齿部；

第六步、精加工钩爪背槽、精加工堆焊后的第一销孔和第二销孔，以及精加工钩爪齿部至最终尺寸；

第七步、在磨床上对称磨钩爪两侧面至最终尺寸；

第八步、加工钩爪倒角。

进一步，所述第一步中的下料是四个工件为一体的整体下料，所述四个工件的钩爪齿部连在一起成圆形，所述第二步至第六步是对四个工件同时加工，在所述第六步完成之后，将工件分成四个独立的钩爪。

进一步，所述工件的母材为奥氏体不锈钢；所述第三步和第四步的堆焊方法为手工氧乙炔焊，氧乙炔火焰采用碳化焰，焊接位置为平焊，堆焊填充材料为钴基合金，钴基合金焊丝直径为2.5mm至4mm。

进一步，所述第四步中的堆焊方法，步骤如下：

第一小步、在待加工工件的第一侧面待堆焊部位加工第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔，孔径为堆焊所需尺寸，第一销孔的第一堆焊孔的深度为所述销孔深度的一半短2mm至3mm，第二销孔的第一堆焊孔的深度为超过所述销孔深度的一半；

第二小步、在所述工件第二侧面与第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔对应的位置分别设置第一销孔的第一排气孔和第二销孔的第一排气孔；

第三小步、将所述工件进行清洗后安装在工装上，对工件进行预热，对第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔进行第一次堆焊；堆焊过程中对工件进行保温，堆焊完成后，将工件放在保温材料中缓冷；

第四小步、在所述工件的第二侧面待堆焊部位加工第一销孔的第二堆焊孔和第二销孔的第二堆焊孔，孔径为堆焊所需尺寸，第一销孔的第二堆焊孔的深度为所述销孔深度的一半短2mm至3mm，第二销孔的第二堆焊孔的深度至少为所述销孔深度的一半；

第五小步、在所述工件的第一侧面与第一销孔的第二堆焊孔和第二销孔的第二堆焊孔对应的位置分别设置第一销孔的第二排气孔和第二销孔的第二排气孔；

第六小步、将所述工件进行清洗后安装在所述工装上，对工件进行预热，对第一销孔的第二堆焊孔和第二销孔的第二堆焊孔进行第二次堆焊，堆焊过程中对工件进行保温，堆焊完成后，将工件放在保温材料中缓冷。

进一步，所述工装为隔热工装。

进一步，所述第六步加工钩爪背槽在数控加工中心选用三面刃盘铣刀加工，刀具运行轨迹采取圆弧插补。

进一步，所述第六步加工第一销孔和第二销孔在数控加工中心进行，刀具采用专门定制的硬质合金中心钻、钻头、铣刀、铰刀依次加工所述第一销孔和第二销孔。

本发明的有益效果是：

（1）先加工和堆焊钩爪齿部，再加工和堆焊钩爪销孔，控制了堆焊过程中的变形影响，保证了钩爪的尺寸精度；

（2）堆焊钩爪销孔时，从两侧面分两次进行堆焊，降低了堆焊的难度；

（3）在堆焊过程中留出排气孔，解决了堆焊时易出现回火从而产生裂纹、孔洞等缺陷的问题。

附图说明

附图1是钩爪的主视图；

附图2是钩爪的俯视图；

附图3是附图1的D向视图；

附图4是附图2的A-A剖视图；

附图5是附图1的C-C剖视图；

附图6是附图4的B-B剖视图；

附图7是钩爪齿部堆焊后的结构示意图；

附图8是第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔加工后待第一次堆焊的结构示意图；

附图9是附图8的B-B剖视图；

附图10是附图8的A-A剖视图；

附图11是第一销孔的第二堆焊孔加工后待第二次堆焊的结构示意图；

附图12是第二销孔的第二堆焊孔加工后待第二次堆焊的结构示意图；

附图13钩爪齿部在车床上加工后的结构示意图；

附图14是钩爪背槽、第一销孔和第二销孔，以及钩爪齿部在数控加工中心加工后的结构示意图；

附图15是采用线切割将工件分割开的结构示意图。

附图中的标号分别为：

1.钩爪；2.钩爪齿部；

3.第一销孔；4.第二销孔；

5.第一侧面；  6.第二侧面；

7.钩爪背槽；8.第二销孔的第一堆焊孔；

9.第二销孔的第一排气孔；91.第一阶梯孔；

92.第二阶梯孔；10.倒角； 

11.第二销孔的第二堆焊孔； 12.第二销孔的第二排气孔；

13.倒角；  14.齿部堆焊层；

15.第一销孔堆焊层；16.第二销孔堆焊层；

17.第一销孔的第一堆焊孔；18.第一销孔的第一排气孔；

19.第一销孔的第二堆焊孔；20.第一销孔的第二排气孔；

21.切割线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法的具体实施方式作详细说明。

参见附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6，一种钩爪1的制备方法，其步骤如下：

第一步、对经复验合格的材料按所需尺寸下料制成工件的坯料，材料为奥氏体不锈钢。由于钩爪齿部2呈弧形，四个钩爪1为一体时，钩爪齿部2正好形成一个圆孔，在圆孔内进行堆焊操作比堆焊单个钩爪齿部2容易，堆焊过程更简单。而且四个工件为一体的整体堆焊后比单个工件堆焊后的机加工更方便，尺寸容易控制，因此选择四个工件为一体的整体下料。

第二步、将四个工件为一体的钩爪齿部2在车床上加工到待堆焊所需尺寸，为钩爪齿部2进行堆焊作准备。

第三步、堆焊钩爪齿部2：在堆焊前，对工件进行预热，预热温度≥260℃，预热时间为1.5小时至2小时。堆焊时，工件装夹在隔热工装上，并在堆焊时进行加热保温，堆焊后将工件放在保温材料中缓冷。堆焊采用手工氧乙炔焊，氧乙炔火焰采用碳化焰，焊接位置为平焊，堆焊填充材料为钴基合金，钴基合金焊丝直径为2.5mm至4mm。堆焊完成后形成齿部堆焊层14（参见附图7）。

第四步、加工、堆焊第一销孔3和第二销孔4：由于待堆焊销孔的深度较深，深度为30mm至32mm，孔径较小，内径为14mm至16.5mm，堆焊操作难度大，因此采用从销孔的两端分别先后进行堆焊的方法。步骤如下：

在待加工工件的第一侧面5待堆焊部位加工第一销孔的第一堆焊孔17和第二销孔的第一堆焊孔8，孔径为堆焊所需尺寸。第一销孔的第一堆焊孔17的深度为待堆焊销孔深度的一半短2mm至3mm，如待堆焊销孔深度为30mm，则第一销孔的第一堆焊孔17的深度则可取12mm至13mm；第二销孔的第一堆焊孔8的深度为超过待堆焊销孔深度的一半，如待堆焊销孔深度为30mm，第二销孔的第一堆焊孔8的深度为16mm至18mm。

在工件的第二侧面6与第一销孔的第一堆焊孔17和第二销孔的第一堆焊孔8对应的位置分别设置第一销孔的第一排气孔18和第二销孔的第一排气孔9。

第一排气孔9可以是一直孔，也可以由第一阶梯孔91和第二阶梯孔92组成，阶梯孔的加工使堆焊操作更加方便，排气孔的设置，有效地解决了堆焊时易出现回火从而使堆焊层产生裂纹、孔洞等缺陷的问题。在第二销孔的第一堆焊孔8与第二销孔的第一排气孔9之间加工有一个30度至60度的倒角10，倒角10有利于堆焊时废气的排出，并避免回火的产生。第一销孔的第一堆焊孔17和第二销孔的第一堆焊孔8加工后待第一次堆焊的结构示意图分别参见附图9和附图10。

将工件进行清洗后安装在工装上，对第一销孔的第一堆焊孔17和第二销孔的第一堆焊孔8进行第一次堆焊。

在工件的第二侧面6待堆焊部位加工第一销孔的第二堆焊孔19和第二销孔的第二堆焊孔11，孔径为堆焊所需尺寸。第一销孔的第二堆焊孔19的深度为待堆焊销孔深度的一半短2mm至3mm，如待堆焊销孔深度为30mm，则第一销孔的第二堆焊孔19的深度则可取12mm至13mm；第二销孔的第二堆焊孔11的深度至少为待堆焊销孔深度的一半，如待堆焊销孔深度为30mm，第二销孔的第二堆焊孔11的深度为15mm至17mm。

在工件的第一侧面5与第一销孔的第二堆焊孔19和第二销孔的第二堆焊孔11对应的位置分别设置第一销孔的第二排气孔20和第二销孔的第二排气孔12。同样在第二销孔的第二堆焊孔11与第二销孔的第二排气孔12之间加工一个30度至60度的倒角13。第一销孔的第二堆焊孔19和第二销孔的第二堆焊孔11加工后待第二次堆焊的结构示意图分别参见附图11和附图12。

将工件进行清洗后安装在工装上，对第一销孔的第二堆焊孔19和第二销孔的第二堆焊孔11进行第二次堆焊。

对第一销孔3和第二销孔4的堆焊分成两次进行，相当于第一销孔3和第二销孔4的深度减小了一半，大大降低了堆焊的难度。第一销孔3的中部需要加工宽度为10mm至11mm的钩爪背槽7，因此第一销孔3的相对堆焊深度缩短，采用开直孔的方式进行堆焊即可达到设计要求；第二销孔4由于深度较深，深度为30mm至32mm，孔径较小，内径为14mm至16.5mm，可以采用开锥形孔的方式进行堆焊，从而降低堆焊难度，锥形孔的圆锥半角为5度至8度为宜。为了确保堆焊层的质量，获得组织性能满足设计规范要求的堆焊层，采用合理的热处理制度，焊前预热、焊后缓冷以及堆焊过程中保温等措施能有效地防止堆焊层产生裂纹。工装采用隔热工装，在第一次堆焊前对工件进行预热，堆焊过程中进行保温，第一次堆焊完成后，将工件放在保温材料中缓冷；在第二次堆焊前对工件进行预热，堆焊过程中进行保温，第二次堆焊完成后，将工件放在保温材料中缓冷，所采用的预热温度为≥260℃，所采用的预热时间为1.5小时至2小时。

堆焊方法为手工氧乙炔焊，氧乙炔火焰采用碳化焰，焊接位置为平焊，堆焊填充材料为钴基合金，钴基合金焊丝直径为2.5mm至4mm。焊接完成后，形成第一销孔堆焊层15和第二销孔堆焊层16。

第五步、在车床上加工堆焊后的钩爪齿部2，钩爪齿部2在车床上加工后的结构示意图参见附图13。

第六步、在数控加工中心加工钩爪背槽7、加工堆焊后的第一销孔3和第二销孔4，以及加工钩爪齿部2至最终尺寸。加工钩爪背槽在数控加工中心选用三面刃盘铣刀加工，刀具运行轨迹采取圆弧插补。加工第一销孔和第二销孔在数控加工中心进行，刀具采用专门定制的硬质合金中心钻、钻头、铣刀、铰刀依次加工第一销孔和第二销孔，以保证第一销孔和第二销孔的粗糙度、位置度和孔的直线度。数控加工中心加工后的结构示意图参见附图14。

第七步、采用线切割将工件分成四个独立的钩爪1，按附图15所示的切割线21进行线切割。

第八步、在磨床上对称磨钩爪1的第一侧面5和第二侧面6至最终尺寸。

第九步、在数控加工中心加工钩爪倒角。

本发明通过正确选择堆焊顺序，即采用先机加工出钩爪齿部2，对钩爪齿部2进行堆焊，待钩爪齿部2堆焊完成后，再机加工出钩爪销孔，然后对销孔进行堆焊。采用这种顺序进行堆焊时，避免了堆焊钩爪齿部2时热输入大引起不锈钢母材的变形大，从而有效地控制了钩爪堆焊过程中的变形影响，使制造的钩爪1达到了设计要求。经过以上方法制备的钩爪1，具有良好的耐磨性、高的尺寸精度，其各项性能达到了设计规范要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、对经复验合格的材料按所需尺寸下料制成工件的坯料；

第二步、将坯料的钩爪齿部加工到待堆焊所需尺寸；

第三步、对工件进行预热，堆焊钩爪齿部，堆焊过程中进行保温，堆焊完成后将工件放在保温材料中缓冷；

第四步、加工第一销孔和第二销孔；对工件进行预热，堆焊第一销孔和第二销孔，堆焊过程中进行保温，堆焊完成后将工件放在保温材料中缓冷；

第五步、粗加工堆焊后的钩爪齿部；

第六步、精加工钩爪背槽、精加工堆焊后的第一销孔和第二销孔，以及精加工钩爪齿部至最终尺寸；

第七步、在磨床上对称磨钩爪两侧面至最终尺寸；

第八步、加工钩爪倒角。

2.根据权利要求1所述的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，其特征在于：所述第一步中的下料是四个工件为一体的整体下料，所述四个工件的钩爪齿部连在一起成圆形，所述第二步至第六步是对四个工件同时加工，在所述第六步完成之后，将工件分成四个独立的钩爪。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，其特征在于：所述工件的母材为奥氏体不锈钢；所述第三步和第四步的堆焊方法为手工氧乙炔焊，氧乙炔火焰采用碳化焰，焊接位置为平焊，堆焊填充材料为钴基合金，钴基合金焊丝直径为2.5mm至4mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，其特征在于：所述第四步中的堆焊方法，步骤如下：

第一小步、在待加工工件的第一侧面待堆焊部位加工第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔，孔径为堆焊所需尺寸，第一销孔的第一堆焊孔的深度为所述销孔深度的一半短2mm至3mm，第二销孔的第一堆焊孔的深度为超过所述销孔深度的一半；

第二小步、在所述工件第二侧面与第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔对应的位置分别设置第一销孔的第一排气孔和第二销孔的第一排气孔；

第三小步、将所述工件进行清洗后安装在工装上，对工件进行预热，对第一销孔的第一堆焊孔和第二销孔的第一堆焊孔进行第一次堆焊；堆焊过程中对工件进行保温，堆焊完成后，将工件放在保温材料中缓冷；

第四小步、在所述工件的第二侧面待堆焊部位加工第一销孔的第二堆焊孔和第二销孔的第二堆焊孔，孔径为堆焊所需尺寸，第一销孔的第二堆焊孔的深度为所述销孔深度的一半短2mm至3mm，第二销孔的第二堆焊孔的深度至少为所述销孔深度的一半；

第五小步、在所述工件的第一侧面与第一销孔的第二堆焊孔和第二销孔的第二堆焊孔对应的位置分别设置第一销孔的第二排气孔和第二销孔的第二排气孔；

第六小步、将所述工件进行清洗后安装在所述工装上，对工件进行预热，对第一销孔的第二堆焊孔和第二销孔的第二堆焊孔进行第二次堆焊，堆焊过程中对工件进行保温，堆焊完成后，将工件放在保温材料中缓冷。

5.根据权利要求4所述的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，其特征在于：所述工装为隔热工装。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，其特征在于：所述第六步加工钩爪背槽在数控加工中心选用三面刃盘铣刀加工，刀具运行轨迹采取圆弧插补。

7.根据权利要求1或2所述的一种用于核电控制棒驱动机构的钩爪的制备方法，其特征在于：所述第六步加工第一销孔和第二销孔在数控加工中心进行，刀具采用专门定制的硬质合金中心钻、钻头、铣刀、铰刀依次加工所述第一销孔和第二销孔。

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