CN103009007B - 核电站核主泵叶轮的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种核电站核主泵中叶轮的加工工艺方法，本发明由2米立车、五轴联动加工中心、五轴编程软件UG、加工软件HyperMILL、后处理模块RCS、仿真系统VERICUT，加上专用刀杆和刀具设计，经过多次程序优化完成。本发明的优点是用上述软件、2米立车、五轴加工中心和工装刀具，可以在整体锻件上加工出完整的叶片，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，表明叶轮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叶轮的加工工艺。
背景技术：二代加核主泵中的叶轮是主泵中的最关键的部件之一，且是直接影响泵扬程的重要水力部件。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叶轮轮毂上，或是采用整体铸出的叶轮然后进行打磨，这两种方法的制造出的叶轮质量不高，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叶轮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叶轮的厂家，国外同行加工也采用三坐标加工，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。这样会影响叶轮流道的形状，影响核主泵的扬程、效率，严重时会造成叶轮的空化。
发明内容：
本发明的目的是提供一种核主泵叶轮由整体锻件加工成的工艺方法，适用于核电站核主泵叶轮等关键领域要求制造高，应用可靠的部件。本发明的技术方案为：
核主泵叶轮由整体锻造的锻件加工而成，叶轮由五个叶片(15)均匀分布在轮毂(16)上，相邻两个叶片间构成流道(14)，叶片与轮毂的连接处有过渡圆角(17)并光滑连接，具体工艺步骤为：首先利用立式车铣加工机床AC20-1600加工叶轮的外轮廓和内腔，用五轴编程软件(UG)进行车序的编程，将编好的程序输入到立式车铣加工机床AC20-1600，在立式车铣加工机床AC20-1600上利用准备好的非标加长刀杆1及相关数控刀具，对叶轮的进水端及内腔的进行粗车、半精车，精车与胎体5配合的凹止口，然后利用车削专用工装进行叶轮出水端粗车、半精车，精车与底座(7)配合的凸止口，最后用车削专用工装及车削内腔加工时所用的非标加长刀杆(1)进行叶轮的进水端及内腔的半精车、精车加工，其中叶轮外圆半精车，叶轮的形状将从锻件图的形状加工到无叶片时的叶轮外轮廓形状，叶轮车序主要步骤如下：用R1.2外圆车刀粗加工叶片上缘，单边余量为1mm；用R1.2内圆车刀及非标加长刀杆半精车内腔，单边余量为1mm；用R4R型刀片，粗加工内腔凹腔部分，单边余量为2mm；用R4R型刀片，半精加工内腔凹腔，余量为0.5mm；用R0.8外圆车刀，粗加工叶轮下缘，单边余量为1mm；用R4端面槽刀加工端面环槽，单侧余量为1mm；
其次，利用五轴编程软件(HyperMILL)，按叶轮三维图进行叶片的独立开发编程，因原程序不能很好的满足叶轮的要求，同时进行专用刀杆与刀具的设计与选用，具体工艺步骤为：第一步由于切削量较大，在开始进行粗切削的时候需要设计强度大的刀柄，即选出直径100mm,长度200mm的五齿的粗加工用的铣刀，粗铣出一个流道每齿进给量1.4mm，第二步是要设计既有一定刚度又要重量轻的刀柄，即选出使用直径84mm，长度300mm的五齿粗加工用的铣刀对流道进行深加工，要切削到轮毂面必须增长刀柄，因机床刀具有重量要求，第三步是直径42mm,长度345mm粗、精加工用的四齿铣刀加工叶片的曲面，刀具直径变小齿数变少，转速需提高，垂直步距为1.5mm每齿进给量1.6mm，第四步是锥形刀柄长270mm的四齿球头铣刀加工叶片圆角，每齿进给为0.1mm，第五步是锥形刀柄长320mm的6齿球头刀，加工叶轮的叶片，每齿进给量为0.2mm，按这种方法循环加工每个叶片，即加工出完整的叶轮；
第三，利用转速18000转每分的气动磨机，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的0.1mm左右余量,然后使用AC20-1600立式车铣加工机床精车叶片外圆及其它留量部位，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。
本发明的优点及技术效果是：利用五轴编程软件(HyperMILL)，按叶轮三维图进行叶片编程的独立开发，在STC1000五轴联动加工中心的设备，配上设计的专用工装、刀杆刀具，可以在整体锻件上加工出完整的叶片，不同于传统的叶片制造采用铸造或焊接的方法。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叶轮，但他们加工的叶轮的表面粗糙度很差，加工后需要很长时间的打磨来降低表面粗糙度，这种打磨要凭经验，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，我们加工的叶片表面只需要抛光即可，不会对叶片轮廓线产生影响。而且我们所采用的方法提高了叶轮的加工效率，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，叶轮粗糙度可达到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。测量结果见图8叶轮扫描百分比偏差和图9叶轮扫描百分比偏差数据，测量球头的半径为3mm，即X轴3mm实际偏差为0，90％的偏差集中在0.20～0.35mm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，经过抛光后的叶轮是符合设计要求的。部分偏差在0.4mm～0.60mm之间在模型对比显示是叶片外圆的工艺精车留量。经过模拟件及多台产品件最终检测结果的对比，表明叶轮的叶片翼型完全否符合设计图纸要求。
本发明的意义将大大推动核主泵的国产化进程。当前，叶轮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，实现叶轮制造的国产化，叶轮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叶轮锻件图
图2车削内腔加工时所用的非标加长刀杆
图3叶轮的出水端车削专用工装
图4叶轮主视图
图5叶轮俯视图
图6铣削及精车专用工装使用示意图
图7叶轮最终产品三维图
图8叶轮扫描百分比偏差
图9叶轮扫描百分比偏差数据
具体实施方式：
一种核电站核主泵叶轮的机械加工工艺方法，核主泵叶轮由整体锻造的锻件如图1所示，加工而成，叶轮由五个叶片15均匀分布在轮毂16上，相邻两个叶片间构成流道14，叶片与轮毂的连接处有过渡圆角17并光滑连接，加工完成后的图形如图4、与图5所示，其三维图如图7所示。具体工艺步骤为：首先利用AC20-1600立式车铣加工机床加工叶轮的外轮廓和内腔。用五轴编程软件(UG)进行车序的编程，将编好的程序输入到AC20-1600立式车铣加工机床，如图2所示在AC20-1600立式车铣加工机床上利用准备好的非标加长刀杆1及相关数控刀具，对叶轮的进水端及内腔的进行粗车、半精车，精车与胎体5配合的凹止口；如图3所示然后利用车削专用工装进行叶轮的出水端粗车、半精车，精车与底座7配合的凸止口；如图5所示最后用车削专用工装及车削内腔加工时所用的非标加长刀杆1进行叶轮的进水端及内腔的半精车、精车加工，其中叶轮外圆半精车。叶轮的形状将从图1的锻件图的形状加工到图4中无叶片时的叶轮外轮廓形状。
叶轮车序主要步骤如下：用R1.2外圆车刀粗加工叶片上缘，单边余量为1mm；用R1.2内圆车刀及非标加长刀杆半精车内腔，，单边余量为1mm；用R4R型刀片，粗加工内腔凹腔部分，单边余量为2mm；用R4R型刀片，半精加工内腔凹腔，余量为0.5mm；用R0.8外圆车刀，粗加工叶轮下缘，单边余量为1mm；用R4端面槽刀加工端面环槽，单侧余量为1mm。
其次，将设计好的叶轮三维模型输入到五轴编程软件(HyperMILL)中的叶片编程模块进行叶轮编程，此程序需在原程序的基础上自己独立编制开发。由于叶轮叶片是用整体实心的锻件加工出来的，首先要考虑粗加工时叶轮流道的过程中将去除大量材料，如何提高加工效率，要求尽可能大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除多的切屑。粗加工对表面质量的要求不高，但要合理规划刀具路径，才能提高粗加工效率。由于整体叶轮的几何形状比较复杂，所加工形成的面都是三维状态的，流道较狭窄且叶片扭曲程度大，容易发生干涉碰撞。规划时的约束条件较多，自动生成刀轨极其困难。因此精加工叶片时的主要难点在于叶轮流道和叶片翼型的加工，刀具空间、刀尖点位和刀轴方位要精确控制，才能加工到其几何形状的每个角落，并使刀具合理摆动，避免发生干涉碰撞。反复选择的粗精加工余量、切削工艺参数：如加工步距、加工深度、主轴转速、机床进给率等，所以数控编程尤为重要。这样对于提高产品的加工效率和质量是至关重要的。
程序编好后，利用后处理程序软件模块(RCS)对所编程序进行后处理，再在数控加工仿真系统软件(VERICUT)，对所编的程序进行模拟运行，验证加工工件加工时的情况，是否碰撞干涉。本编程设计应用了旋转阵列加工的操作。另外，应尽可能减少由于装夹或换刀造成的误差。
在利用五轴编程软件(HyperMILL)进行叶片编程的过程中，同时考虑刀杆的设计及刀具的选用，包括刀具的切削参数，主要设计和选择了：第一步是直径100mm,长度200mm的粗加工用的铣刀，第二步是直径84mm,长度300mm粗加工用的铣刀，第三步是直径42mm,长度345mm粗、精加工用的铣刀，第四步是锥形刀柄长270mm，加工叶片圆角用的球头铣刀，第五步是锥形刀柄长320mm，加工叶片圆角用的球头铣刀。
叶轮半精车完成后，在STC1000五轴加工中心上利用如图6所示的铣削与车削专用工装，准备好的数控专用非标刀具及编好的数控程序，进行铣削加工。具体工艺步骤为：第一步是直径100mm,长度200mm的五齿的粗加工用的铣刀，粗铣出一个流道每齿进给量1.4mm，由于切削量较大，在开始进行粗切削的时候需要强度大的刀柄，第二步是使用直径84mm，长度300mm的五齿粗加工用的铣刀对流道进行深加工，要切削到轮毂面必须必须增长刀柄，因机床刀具有重量要求，所以要设计既有一定刚度又要重量轻的刀柄，第三步是直径42mm,长度345mm粗、精加工用的四齿铣刀加工叶片的曲面，刀具直径变小齿数变少，转速必然提高，垂直步距为1.5mm每齿进给量1.6mm，第四步是锥形刀柄长270mm的四齿球头铣刀加工叶片圆角，每齿进给为0.1mm，第五步是锥形刀柄长320mm的6齿球头刀，加工叶轮的叶片，每齿进给量为0.2mm。按这种方法循环加工每个叶片，即加工出完整的叶轮，此序为关键工序，整体锻件上加工出核主泵叶轮的叶片在我国尚属首创，精铣叶片后叶片的表面粗糙度可以达到Ra3.2，用种方法加工出的叶轮精度也处于优于国外同行水平。叶轮叶片在五轴联动加工中心加工是叶片加工的核心。
第三，利用转速18000转每分的气动磨机，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。叶片的抛光很重要，必须保证抛光的均匀度，如果打磨不均匀，造成叶片薄厚不均，不仅会影响到叶片的不平衡，在主泵运转过程中可能会导致空化，造成严重后果。手工打磨需要手工操作者有较高的技能，在打磨过程中要做到打磨力度均匀，要按顺序在各个位置进行有序打磨，在叶片表面要用记号笔均匀划出网状线条，用相同的力度，相同的工具，按网状线条抛光。打磨抛光时首先用相应粒度的千叶轮及氧化铝磨碟，去除量在0.05～0.15mm左右，然后用软质非织物磨碟进行初抛光，如果要达到更加良好的效果可用抛光布轮及CD羊毛碟进行精抛，每个叶片的操作步骤及顺序及打磨抛光的次数要保证相同。然后使用AC20-1600立式车铣加工机床精车叶片外圆及其它留量部位。最终用关节臂对叶片的翼型(轮廓线)进行扫描，与已设计好的模型进行轮廓线对比。
一种核主泵叶轮由整体锻件加工成的工艺方法附图说明：图1为叶轮锻件图，图2为车削内腔加工时所用的非标加长刀杆，图3为叶轮的出水端车削专用工装，图4为叶轮主视图，图5为叶轮俯视图，图6为铣削及精车专用工装使用示意图，图7为叶轮最终产品三维图，图8为叶轮扫描百分比偏差，图9为叶轮扫描百分比偏差数据。
Claims (3)
1.一种核电站核主泵叶轮的加工工艺方法，其特征是：核主泵叶轮由整体锻造的锻件加工而成，叶轮由五个叶片(15)均匀分布在轮毂(16)上，相邻两个叶片间构成流道(14)，叶片与轮毂的连接处有过渡圆角(17)并光滑连接，具体工艺步骤为：首先利用立式车铣加工机床AC20-1600加工叶轮的外轮廓和内腔，用五轴编程软件进行车序的编程，将编好的程序输入到立式车铣加工机床AC20-1600，在立式车铣加工机床AC20-1600上利用准备好的非标加长刀杆(1)及相关数控刀具，对叶轮的进水端及内腔进行粗车、半精车，精车与胎体(5)配合的凹止口，然后利用车削专用工装进行叶轮出水端粗车、半精车，精车与底座(7)配合的凸止口，最后用车削专用工装及车削内腔加工时所用的非标加长刀杆(1)进行叶轮的进水端及内腔的半精车、精车加工，其中叶轮外圆半精车，叶轮的形状将从锻件图的形状加工到无叶片时的叶轮外轮廓形状，叶轮车削主要步骤如下：用R1.2外圆车刀粗加工叶片上缘，单边余量为1mm；用R1.2内圆车刀及非标加长刀杆半精车内腔，单边余量为1mm；用R4 R型刀片，粗加工内腔凹腔部分，单边余量为2mm；用R4 R型刀片，半精加工内腔凹腔，余量为0.5mm；用R0.8外圆车刀，粗加工叶轮下缘，单边余量为1mm；用R4端面槽刀加工端面环槽，单侧余量为1mm；
其次，利用五轴编程软件，按叶轮三维图进行叶片的独立开发编程，因原程序不能很好的满足叶轮的要求，同时进行专用刀杆与刀具的设计与选用，具体工艺步骤为：第一步由于切削量较大，在开始进行粗切削的时候需要设计强度大的刀柄，即选出直径100mm,长度200mm的五齿的粗加工用的铣刀，粗铣出一个流道每齿进给量1.4mm，第二步是要设计既有一定刚度又要重量轻的刀柄，即选出使用直径84mm，长度300mm的五齿粗加工用的铣刀对流道进行深加工，要切削到轮毂面必须增长刀柄，因机床刀具有重量要求，第三步是直径42mm,长度345mm粗、精加工用的四齿铣刀加工叶片的曲面，刀具直径变小齿数变少，转速需提高，垂直步距为1.5mm每齿进给量1.6mm，第四步是锥形刀柄长270mm的四齿球头铣刀加工叶片圆角，每齿进给为0.1mm，第五步是锥形刀柄长320mm的6齿球头刀，加工叶轮的叶片，每齿进给量为0.2mm，按这种方法循环加工每个叶片，即加工出完整的叶轮；
第三，利用转速18000转每分的气动磨机，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的0.1mm左右余量,然后使用AC20-1600立式车铣加工机床精车叶片外圆及其它留量部位，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。
2.根据权利要求1所述的一种核电站核主泵叶轮的加工工艺方法，其特征是：车削专用工装为：将上下均带有按一定要求的止口配合精度的胎体(5)中的凸止口落入到立式车铣加工机床AC20-1600工作台的凹止口中，并利用内六角M24螺钉(4)与b28T型滑块(6)将胎体(5)把合到工作台上，其中内六角M24螺钉(4)落入胎体5的沉孔中，b28T型滑块(6)放入机床工作台的标准键槽内，将叶轮工件出水端凹止口落入到胎体(5)凸止口配合的位置，压板(2)要事先放入工件内腔，否则落入止口后将无法将压板(2)放入叶轮内腔，用M30螺栓(3)将压板(2)压紧，压板(2)的凸止口要落入工件止口内，此工装将工件止口与工装止口配合把紧，工装止口与工作台止口配合把紧，通过止口配合，把紧后无需重复找正，可直接车削。
3.根据权利要求1所述的一种核电站核主泵叶轮的加工工艺方法，其特征是：铣削及精车工具专用工装为：将上下均带有按一定要求的止口配合公差的底座(7)下端凸止口落入到STC1000五轴加工中心的工作台配合的工作台的凹止口中，将过度盘(8)的凸止口落入底座(7)配合的凹止口中，利用销子(13)定位底座(7)和过度盘(8)，再利用垫圈(10)、螺杆(11)、M24螺母(12)将叶轮工件把紧到铣削及精车工具专用工装上，利用底座(7)中的环槽将工装压紧到工作台上，此工装可用于铣削叶轮叶片及精车叶轮进水端和外圆，铣削时，此工装将工件止口与工装止口配合把紧，工装止口与工作台止口配合把紧，通过止口配合，把紧后无需重复找正，可直接铣削。
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