CN102528915B - 高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法及加工线专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法，同时还涉及实现该方法的加工专用设备，属于碳块机械加工技术领域。该方法包括以下步骤：锯切碳块坯料六面；以碳砖长度与预留加工余量之和为间隔距离，采用圆周旋切刀具，水冷套料粗加工经锯切后碳块上的一组流道孔；定长锯切套料加工后的碳块坯料，使之成为碳砖坯；烘干脱去附在碳砖坯上的冷却水；将烘干的碳砖坯经精加工各面及孔，使之成为成品底层碳砖。本发明的工艺步骤不仅打破长期以来的传统工艺步骤，合理将锯切工序前置，使碳块内的缺陷得以及时发现，从而避免不必要的无用功，而且采用较前工序成组套料加工大孔，大大减少了切削量，有效提高了工效，避免了宝贵的碳材料浪费。

Description

高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法及加工线专用 设备

技术领域

本发明涉及一种碳砖加工方法，尤其是一种高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法，同时还涉及实现该方法的加工专用设备，属于碳块机械加工技术领域。

背景技术

新一代核反应堆的内构件主要由碳砖及石墨砖构筑而成，其中底层碳砖横截面为等腰梯形，设有分别用以冷却、隔热、吸收阻隔核幅射的冷氦气流道孔，及测温通道、吸收球孔道、卸球管道及电热偶槽等，垒砌安装在内构件底部，在径向分布三层——外层与中层有30块，内层有15块，三层砖分别围成圆环形，环环相接。底层碳砖不仅材质和形状特殊，而且加工精度要求很高(±0.05mm)。

实践证明，如果参照其它行业(例如冶金行业)碳块的传统加工工艺手段，采用以下主要工艺过程：铣磨四面、锯切分割后锯两斜面、磨两斜面、磨两端面、在镗床上加工两斜面键槽及上下面的孔和槽等，各工序需要借助通用设备逐一完成，存在如下问题：①切削量大，材料利用率低；②毛坯的内在缺陷在后工序锯切才能发现，之前的工序成为无用功；③工序间需要多次传递、夹紧，不仅加工效率低，而且加工好的平面容易磕碰破损而产生废品。

发明内容

本发明的目的在于：通过合理设置工艺路线，提出一种切削量小、可以充分利用碳材料的高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法。同时本发明还将给出实现本发明方法的高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工相应的专用设备。

为了达到以上目的，申请人经过反复实践摸索出本发明的内构件 底层碳砖加工工艺方法，包括以下主要步骤：

第一步、锯切碳块坯料六面，宽、高方向各面留余量(10mm)，目的主要是去除碳块坯料表面的疙瘩、凹坑等缺陷；

第二步、以碳砖长度与预留加工余量之和为间隔距离，采用圆周旋切刀具，水冷套料粗加工锯切后碳块上的(直径大于100)一组流道孔；这样不仅可以解决镗孔加工切削量大、速度慢的问题，而且一次性套料加工，可以避免工件转移过程的损伤，加工出的圆柱碳芯能够有效利用，避免了浪费。

第三步、以碳砖长度为据，定长锯切套料加工后的碳块坯料，并预留加工余量(10mm)，使之成为碳砖坯；

第四步、烘干脱去附在碳砖坯上的冷却水；最好烘干温度控制在150-200℃，烘干时间控制在30±2min；

第五步、将烘干的碳砖坯经精加工各面及孔，使之成为成品底层碳砖。

本发明的上述工艺步骤不仅打破长期以来的传统工艺步骤，合理将锯切工序前置，使碳块内的缺陷得以及时发现，从而避免不必要的无用功，而且采用较前工序成组套料加工大孔，大大减少了切削量，有效提高了工效，避免了宝贵的碳材料浪费。

上述圆周旋切刀具具有旋转夹持盘，所述旋转夹持盘的外端轴向延伸出包络外圆等于待套料粗加工(留精加工余量)孔径且关于旋转夹持盘圆心对称的两圆弧刀杆，所述两圆弧刀杆的一端连线通过旋转夹持盘圆心，且分别装有套料旋切刀头。因此，当旋转夹持盘安装在驱动轴上之后，在进刀过程中，圆周旋切刀具即可在流道孔内的圆周处进行旋切，切削量大大减少。待孔加工好之后，两圆弧刀杆中形成可以利用的碳芯。在机械加工行业，大孔的套料加工一直采用环形套料刀具旋切，实验证明，采用传统环形套料刀具对 于碳材料切屑很容易积屑阻塞，随着孔深加深，恶性循环，导致加工十分困难，而采用本发明的两对称圆弧刀杆套料，由于套料圆周的轴向始终具有流畅的通道，因此排屑通常，可以彻底避免积屑堵塞，同时两圆弧杆加工时刀具切削阻力平衡，受力状况好。

由于碳材料十分酥脆，为了避免单端套料加工流道孔刀杆过长，以及加工到孔端时孔口裂损，破坏端面平整的现象，所述第二步采用两把圆周旋切刀具，从流道孔两端同时套料。这样，两端的刀具在碳块内部交汇，不仅刀杆不必太长，而且不会影响孔口端面的平整度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的核反应堆底层碳砖示意图。

图2为图1的剖面图。

图3为本发明一个实施例的工序示意图。

图4为本发明一个实施例的圆周旋切刀具结构示意图。

图5为图4的侧视图。

图6为实现本发明精加工各步骤的自动加工生产线示意图。

图7为图6的俯视图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的内构件底层碳砖如图1和图2所示，截面为等腰梯形，设有分别用以冷却、隔热、吸收阻隔核幅射的冷氦气流道孔(大孔)，及测温通道、吸收球孔道、卸球管道及电热偶槽等。该底碳层砖的加工工艺方法包括以下步骤：

第一步、锯切碳块坯料六面，宽、高方向各面留余量10mm，本步骤的目的主要是去除碳块坯料表面的疙瘩、凹坑等缺陷，并在发现存在 严重内部缺陷时终止加工(图3中A)。

第二步、以碳砖长度与预留加工余量之和为间隔距离，采用圆周旋切刀具，水冷套料粗加工锯切后碳块上直径大于100的一组流道孔；此步骤可以解决镗孔加工切削量大、速度慢的问题，而且一次性套料加工，可以避免工件转移过程的损伤，加工出的圆柱碳芯能够有效利用，避免了浪费(图3中B)。

第三步、以碳砖长度为据，定长锯切套料加工后的碳块坯料，并预留加工余量10mm，使之成为碳砖坯(图3中C)。

第四步、将套料后的碳砖坯放入烘干机，温度控制在150-200℃，时间控制在30±2min，烘干烘干脱去附在碳砖坯上的冷却水。

第五步、将烘干的碳砖坯转入自动加工生产线，经精加工各面及孔，使之成为成品底层碳砖，该生产线由图6、图7所示，由自动输送、翻转装置衔接的各自动加工机床构成，精加工的具体过程如下：

5.1、将烘干的碳砖坯由天车吊放进自动送料仓5-1，推进机构将料推至机械手的抓取位置处；

5.2、机械手5-2将坯料抓取至设定位置后，自动送料机构5-4将料自动送入全数控内构件碳块铣磨机床工作台上，经自动夹紧机构5-3夹紧后，铣削机组5-5先同时粗铣底碳层砖的上、下平面，留磨量0.2～0.3mm，磨削机组5-6再同时磨至图纸尺寸要求，经在线检测设备5-7检验合格后，自动夹紧机构将工件松开(图3中D)；

5.3、机械手5-8将工件抓取后，自动送料机构5-9将其送入自动翻转与回转机组5-10，经自动翻转后，将已加工好的下平面做为下道工序的基准，经自动回转后，将下道工序要加工的两端面回转至与走刀方向相平行；

5.4、机械手5-8及自动送料机构5-9将翻转与回转后的工件再送入 全数控内构件碳块铣磨机床工作台上，自动夹紧机构夹紧工件后，铣削机组先粗铣底碳层砖的两端面留磨量0.2～0.3mm，磨削机组再磨至图纸尺寸要求。经自动在线检测合格后，自动夹紧机构将工件松开(图3中E)；

5.5、机械手5-8及自动送料机构5-9将加工好的碳块送到输送线待料区等候的夹具中，输送线将夹具及工件送至龙门绗架5-11下，通过气动扳手手动夹紧后，龙门上机械手将夹具送至卧式镗铣与磨削复合加工中心机床5-12工作台上；

5.6、经工作台上电磁吸盘自动定位吸紧后，进入加工区，铣一环形面留磨量0.2～0.3mm，工作台自动回转定位后，铣另一环形面留磨量0.2～0.3mm。工作台回转，磨环形面，工作台再自动回转定位后，磨另一环形面，控制宽度与锥度尺寸，经自动在线检测合格后。机械手自动换刀，铣两环形面直槽至要求，经在线检测合格后，工作台退回到原位，吸盘自动退磁(图3中F)；

5.7、龙门上机械手将夹具吊放至另一夹具中，经手动定位与夹紧后，围绕中心轴回转90°后，机械手将另一夹具送至卧式镗铣与磨削复合加工中心机床工作台上；

5.8、经工作台上电磁吸盘自动定位吸紧后，工作台携夹具进入加工区，加工碳块上下面的孔，腰形槽导线槽等。经在线检测合格后，工作台退回到原位，吸盘自动退磁(图3中G)；

5.9、机械手将夹具送至初始位置处，围绕中心轴回转90°后，手动卸下压板；机械手将夹具送至输送线工作台上，手动卸下压板后，输送线将夹具送至卸料位置处，卸料后，夹具返回至待料区待料，进行第二次的待料加工；

在自动加工生产线上完上述工步后，转入立卧复合加工中心上 加工直槽及热电偶槽：

5.10、从自动线上卸下工件，上夹具铣两斜面上直槽至图纸要求并倒角(图3中I)；

5.11、翻转工件，上夹具铣另一面上的各槽并倒角(图3中J)。

至此，整个内构件底层碳砖加工完成。

上述圆周旋切刀具如图5和图6所示，该刀具的旋转夹持盘1外端轴向延伸出包络外圆等于待套料粗加工(留精加工余量)孔径且关于旋转夹持盘圆心对称的两圆弧刀杆2。两圆弧刀杆2的一端连线通过旋转夹持盘圆心，且分别通过紧固件装有套料旋切刀头3。两套料旋切刀头3的径向宽度均大于圆弧刀杆2的径向厚度的二分之一，且分别安置在两圆弧刀杆2径向的内侧和外侧，因此切削时形成两套料旋切刀头3分别形成相互具有重叠趋于的内外两圈切削轨迹。径向内侧的刀头用于切削环形槽内径，径向外侧的刀头用于切削环形槽外径，最终两者互相重叠，从而高效实现一次套料完成环形槽切削加工。

为了解决切削深孔的散热问题，旋转夹持盘1还具有分别通往两圆弧刀杆2端头的冷却液流道，该冷却液流道由旋转夹持盘1中心进液孔4-1，经该中心进液孔朝两侧径向延伸的分流孔4-2，与穿过圆弧刀杆2的输液孔4-3连通，直至圆弧刀杆2端头的出液孔4-4。这样，在套料加工过程中，冷却液可以直达旋切刀头处，确保冷却效果。

为了避免单端套料加工流道孔刀杆过长，以及加工到孔端时孔口裂损，破坏端面平整的现象，套料加工机床的两端分别具有安装圆周旋切刀具旋转夹持盘的动力头，因此加工时，从碳块对应流道孔的位置两端同时套料，直至两端的刀具在碳块内部交汇。这样不仅刀杆长度只需孔深的一半即可，而且不会影响孔口端面的平整度。

实践证明，采用本实施例的方法具有如下显著优点：

1)，先锯切下料再进行加工能及早发现碳块的成型缺陷，减少加工工时及相应的经济损失，从而解决了毛坯内部缺陷难以及时发现导致碳块加工不合格的技术难题。

2)即一次装夹进行多序加工的集中工序加工方式，减少了工件传输次数，不仅提高了加工效率，而且减少了碰边掉角情况发生。

3)合理设置烘干工艺，保证了后续工艺的顺利进行，缩短了工期。

4)采用机械手自动输送，自动在线检测，极大提高了产品产出合格率，消除了人工检测的误差。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法,其特征在于包括以下主要步骤：

第一步、锯切碳块坯料六面，宽、高方向各面留余量；

第二步、以碳砖长度与预留加工余量之和为间隔距离，采用圆周旋切刀具，水冷套料粗加工锯切后碳块上的一组流道孔；

第三步、以碳砖长度为据，定长锯切套料加工后的碳块坯料，并预留加工余量，使之成为碳砖坯；

第四步、烘干脱去附在碳砖坯上的冷却水；

第五步、将烘干的碳砖坯经精加工各面及孔，使之成为成品底层碳砖。

2.根据权利要求1所述的高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法，其特征在于：所述第二步采用两把圆周旋切刀具，从流道孔两端同时套料。

3.根据权利要求2所述的高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法，其特征在于：所述第四步的烘干温度控制在150-200℃，烘干时间控制在30±2min。

4.实现权利要求1所述高温气冷核反应堆碳及石墨堆内构件加工方法采用的圆周旋切刀具，其特征在于：具有旋转夹持盘，所述旋转夹持盘的外端轴向延伸出包络外圆等于待套料粗加工孔径且关于旋转夹持盘圆心对称的两圆弧刀杆，所述两圆弧刀杆的一端连线通过旋转夹持盘圆心，且分别装有套料旋切刀头。

5.根据权利要求4所述的圆周旋切刀具，其特征在于：两个所述套料旋切刀头的径向宽度均大于圆弧刀杆的径向厚度的二分之一，且分别安置在两圆弧刀杆径向的内侧和外侧。

6.根据权利要求5所述的圆周旋切刀具，其特征在于：所述旋转夹持盘具有分别通往两圆弧刀杆端头的冷却液流道，所述冷却液流道由旋转夹持盘的中心进液孔，经所述中心进液孔朝两侧径向延伸的分流孔，与穿过圆弧刀杆的输液孔连通，直至圆弧刀杆端头的出液孔。