CN112792744B - 一种连接柄水刀切割制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种连接柄水刀切割制造方法，包括水刀切割前处理工艺、水刀切割工艺、水刀切割后处理工艺和连接柄水刀切割质量过程控制方法，所述水刀切割工艺使用连接柄水刀切割夹具装夹待切割工件，采用石榴石作为水刀切割磨料，并进行切割精度控制。本发明提供的连接柄水刀切割制造方法，可以保证在连接柄水刀切割完成后，产品尺寸精度和表面质量满足后续焊接的要求。

Description

一种连接柄水刀切割制造方法

技术领域

本发明涉及核燃料零部件制造技术领域，特别是涉及一种连接柄水刀切割制造方法。

背景技术

连接柄位于控制棒组件顶端，是控制核裂变反应功率、启停堆的关键堆芯连接柄产品之一。连接柄结构是在一个圆柱筒上伸出16个角度不同翼板，翼板的厚度，位置度要求很高。国产化压水堆控制棒组件采用整体加工制造方案，好处是零件少，结构强度高，但相对制造难度大。现有连接柄产品加工采用线切割方法，但由于切割完成的翼板后续还要进行钎焊，因此必须对翼板表面进行4-6次慢走丝反复切割，才能使切割面的表面粗糙度、变质层厚度满足钎焊工艺要求。这个反复切割的过程非常耗时且容易因断丝、切割位置找正问题导致连接柄产品报废。现有技术中，加工只能采用慢走丝线切割慢慢加工切割，然后在成品中选择质量较好的作为合格连接柄产品，不但费时费工，还浪费了大量的时间和金钱。

发明内容

基于此，有必要针对现有线切割方法生产的连接柄产品后续需要对翼板表面进行慢走丝反复切割，费时费工且易造成连接柄产品报废的问题，提供一种连接柄水刀切割制造方法。该制造方法可有效提高连接柄切割效率，且切割完成的连接柄产品表面直接可以进行钎焊，无需再次加工。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种连接柄水刀切割制造方法，包括水刀切割前处理工艺、水刀切割工艺、水刀切割后处理工艺和连接柄水刀切割质量过程控制方法，所述水刀切割工艺使用连接柄水刀切割夹具装夹待切割工件，采用石榴石作为水刀切割磨料，并进行切割精度控制。

进一步地，所述水刀切割前处理工艺，包括如下步骤：原材料型材复验，粗车连接柄外形，精车连接柄外形及台阶面，加工连接柄定位孔，得到连接柄待切割工件。

进一步地，所述水刀切割工艺，包括如下步骤：使用连接柄水刀切割夹具对连接柄待切割工件进行刚性固定；进行水刀切割设备状态检查和水刀切割工艺参数检查；启动水刀切割设备，当水刀切割设备的水射流稳定，混砂装置正常工作时启动自动水刀切割程序，对称切割连接柄外形轮廓，保留连接柄的翼板与筒体连接处不切断作为水刀切割后处理定位基准，得到连接柄水刀切割工件；切割完成后，关闭水刀切割设备，松开连接柄水刀切割夹具，解除连接柄水刀切割夹具对连接柄水刀切割工件的限制，并对连接柄水刀切割工件进行外观目视检查。

进一步地，所述连接柄水刀切割夹具包括锁紧螺钉、底座、拉紧杆、保护衬套、定位底板、压紧螺栓、定位销、压紧块和盖板，所述的拉紧杆底部有螺纹孔的一端，穿入底座中心孔中，锁紧螺钉穿入底座和拉紧杆中，盖板穿入拉紧杆顶部螺纹并旋紧固定保护衬套，定位销固定在定位底板上，压紧螺栓穿入压紧块中，压紧螺栓拧入定位底板上。

进一步地，所述盖板为圆形阶梯柱结构，直径较小的圆柱面伸入连接柄待切割工件内，起保护端面的作用；盖板中间带螺纹通孔，用于连接拉紧杆，固定夹具保护衬套；所述的压紧块为异形结构件，中心有螺纹孔或通孔，孔内穿入压紧螺栓，用于压紧固定连接柄待切割工件；所述压紧螺栓为螺栓类结构，穿入压紧块和定位底板，用于压紧固定连接柄待切割工件；所述定位销为圆柱阶梯销类结构，穿入定位底板，用于定位连接柄待切割工件的相对位置；所述的定位底板为六边形板，6边均布6个螺纹通孔，用于定位底板与水刀切割设备连接固定；有2个边上分布2个螺纹通孔，用于固定连接柄待切割工件；定位底板中部有圆形沉台，用于定位固定连接柄待切割工件；定位板中部2个枝翼上有定位孔，用于安装定位销，和定位销配合实现连接柄待切割工件的精准定位；所述保护衬套为圆柱筒类结构，材质为陶瓷或金属，套在连接柄待切割工件不切割的部分，用于保护连接柄，防止非切割部位损伤；所述拉紧杆为螺柱类结构，用于连接底座和盖板，配合固定保护衬套；所述底座为圆柱阶梯柱类结构，直径较小的圆柱面伸入连接柄待切割工件内，起保护端面的作用；底座中间带沉孔，用于与锁紧螺钉配合连接固定拉紧杆；所述锁紧螺钉为螺钉类结构，用于与底座配合连接固定拉紧杆。

进一步地，所述水刀切割设备状态检查，包括如下内容：检查切割水是否浑浊，有异味，水质是否达标；检查机床导轨是否有浮砂及异物；检查混砂管、喷嘴等配件安装是否到位，配件磨损是否达到使用极限；检查机床调用水刀切割程序是否正确；检查原材料切割型材的装夹质量是否合格；检查并调整喷嘴到切割表面的距离、刀具坐标系和刀具坐标系原点位置。

进一步地，所述水刀切割工艺参数包括：切割水质使用50PPM-250PPM的普通自来水或软化水；切割水压为300MPa-400MPa；喷嘴直径为0.3556mm；混砂管直径为1.067mm；磨料流速为0.36kg/分钟；磨料粒度为80目；磨料指数为0.96；刀具补偿值为0.58mm-0.65mm；喷嘴到连接柄待切割工件表面的距离为1.5mm-2.5mm。

进一步地，所述刀具补偿值是通过水刀补偿试验得出的，所述水刀补偿试验包括如下步骤：每次更换不同材质或不同厚度的连接柄产品时，先采用与连接柄产品同批次的原材料切割连接柄水刀切割工艺控制试样；再使用游标卡尺测量连接柄水刀切割工艺控制试样的尺寸，然后计算实际切割尺寸与理论切割尺寸之间的计算差值，所得计算差值即为刀具补偿值。

进一步地，所述水刀切割后处理工艺包括R过渡圆弧清根，精铣翼板外形尺寸、超声清洗，外观及尺寸检查，得到合格的连接柄产品。

进一步地，所述R过渡圆弧清，包括如下步骤：使用数控慢走丝或中走丝切割设备切割连接柄水刀切割工件的翼板和柄体连接处的5mm-10mm范围的R过渡圆弧。该部分尺寸因保护衬套遮挡而无法通过水刀切割加工完成。

进一步地，所述连接柄水刀切割质量过程控制方法包括：连接柄水刀切割工艺控制试样和连接柄水刀切割质量控制方法；

所述连接柄水刀切割工艺控制试样包含与连接柄产品一致的水刀切割深度、典型翼板厚度和典型翼板夹角，在关键切割部位尺寸上具有工艺代表性；另外在不影响代表性的前提下尽量缩小试样尺寸，可用1件待切割坯料切割多个试样，节约了原材料以提高经济性。使用本申请的连接柄水刀切割工艺控制试样，可以快速直观验证连接柄水刀切割工艺的各项影响因素处于受控状态，保证了连接柄产品质量，提高了连接柄产品制造效率和成品率。

所述连接柄水刀切割质量控制方法包括如下步骤：在每次设备维修、更换重要部件和每批次连接柄产品水刀切割前，采用与连接柄产品同批次材料及相同切割工艺参数、设备、生产环境及生产条件切割连接柄水刀切割工艺控制试样1个。对切割完成的连接柄水刀切割工艺控制试样进行尺寸无损检测，通过检验其切割尺寸来间接验证设备、工艺参数、原材料、环境和人员等因素可靠受控，满足工艺要求。如果连接柄水刀切割工艺控制试样切割尺寸合格，则符合连接柄水刀切割工艺控制要求继续切割生产；如果连接柄水刀切割工艺控制试样尺寸不合格，则停工检查引起不合格现象的连接柄水刀切割工艺影响因素直到解决问题。

进一步地，所述切割精度控制是指使用编制的自动水刀切割程序，根据刀具补偿值自动计算切割水柱直径轮廓线与连接柄产品理论切割轨迹之间的差值，根据连接柄产品厚度自动计算高压水射流的补偿喷射倾角，以此消除因高压水射流衰减及发散导致的误切割及切割线倾斜问题；同时调整喷嘴到切割表面的距离、刀具坐标系和刀具坐标系原点位置，确保每件连接柄产品的切割起始位置都稳定得保持在一个可控的范围内；上述措施共同保证了连接柄产品切割精度。连接柄产品的切割精度控制标准为：连续切割16个片状翼板后，翼板在切割厚度尺寸上的公差不超过±0.07mm。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明的连接柄水刀切割制造方法，可以保证在连接柄水刀切割完成后，连接柄产品尺寸精度和表面质量满足后续焊接的要求。避免了原线切割工艺中反复切割以消除表面变质层的额外操作，从而增加了一次成品率，减少了材料、人员和经济的浪费；同时该工艺的切割时间仅为原有工艺的三分之一，生产效率大幅提高，具有很好的经济价值。

附图说明

图1为本发明的待切割工件结构示意图；

图2为本发明的连接柄水刀切割夹具零件示意图；

图3为本发明的连接柄水刀切割夹具结构示意图；

图4为图2的A-A向剖面示意图；

图5为本发明的连接柄水刀切割夹具组装示意图；

图6为本发明的连接柄水刀切割夹具装夹示意图；

图7为本发明的连接柄水刀切割工件结构示意图；

图8为本发明的连接柄水刀切割工艺控制试样结构示意图；

图9为本发明的连接柄水刀切割工艺控制试样典型翼板厚度和夹角检查位置示意图；

图10为本发明的连接柄水刀切割工艺控制试样水刀切割深度检查位置示意图；

图11为本发明的连接柄水刀切割制造方法制备的连接柄产品结构示意图；

图12为本发明的连接柄水刀切割制造方法的工艺流程图。

图中：1盖板，2压紧块，3定位销，4压紧螺栓，5定位底板，6保护衬套，7拉紧杆，8底座，9锁紧螺钉，10连接柄；11、典型翼板厚度；12、典型翼板夹角。

具体实施方式

一种连接柄水刀切割制造方法，包括水刀切割前处理、水刀切割和水刀切割后处理；所述水刀切割工艺使用连接柄水刀切割夹具装夹待切割工件，采用石榴石作为水刀切割磨料，并进行切割精度控制。

上述连接柄水刀切割制造方法，具体包括如下步骤：步骤一、原材料型材复验：对原材料型材外观质量及尺寸100％检查；在原材料型材上切割小试样用于复验其化学成分；在原材料型材上切割标准拉伸试样，标准拉伸试样机械加工后进行拉伸试验、晶粒度测定及抗腐蚀性试验。

步骤二、粗车连接柄外形：在原材料型材上使用数控加工设备粗车连接柄外形。

步骤三、精车连接柄外形及台阶面：在原材料型材上使用数控加工设备精车连接柄外形及台阶面。

步骤四、加工连接柄定位孔：在原材料型材上使用数控机床先钻定位孔预孔，再扩孔完成定位孔加工；也可使用成型刀具一次完成钻孔和扩孔，得到连接柄待切割工件。

步骤五、水刀补偿试验(必要时)：每次更换不同材质或不同厚度的切割连接柄产品时，先采用与连接柄产品同批次的原材料切割连接柄水刀切割工艺控制试样；再使用游标卡尺测量连接柄水刀切割工艺控制试样的尺寸，然后计算实际切割尺寸与理论切割尺寸之间的计算差值，所得计算差值即为刀具补偿值。

步骤六、连接柄水刀切割质量过程控制：在每次设备维修、更换重要部件和每批次连接柄产品水刀切割前，采用与连接柄产品同批次材料及相同切割工艺参数、设备、生产环境及生产条件切割连接柄水刀切割工艺控制试样1个。对切割完成的连接柄水刀切割工艺控制试样进行尺寸无损检测，通过检验其切割尺寸来间接验证设备、工艺参数、原材料、环境、人员等因素可靠受控，满足工艺要求。如果连接柄水刀切割工艺控制试样切割尺寸合格，则符合工艺控制要求继续切割生产；如果连接柄水刀切割工艺控制试样尺寸不合格，则停工检查引起不合格现象的工艺因素直到解决问题。

所述连接柄水刀切割工艺控制试样包含与连接柄产品一致的水刀切割深度、典型翼板厚度11和典型翼板夹角12，在关键切割部位尺寸上具有工艺代表性；另外在不影响代表性的前提下尽量缩小试样尺寸，可用1件待切割坯料切割多个试样，节约了原材料以提高经济性。使用本申请的连接柄水刀切割工艺控制试样，可以快速直观验证连接柄水刀切割工艺的各项影响因素处于受控状态，保证了连接柄产品质量，提高了连接柄产品制造效率和成品率。

步骤七、连接柄待切割工件刚性固定：将连接柄待切割工件放入连接柄水刀切割夹具中，通过拧紧夹具螺钉和螺母对连接柄待切割工件进行刚性限位；

步骤八、切割精度调整：调整水刀切割设备的刀具补偿值、喷嘴到切割表面的距离、刀具坐标系和刀具坐标系原点位置，控制连接柄水刀切割精确。

步骤九、切割前水刀切割设备状态检查：检查机床导轨是否有浮砂及异物；检查混砂管、喷嘴等配件安装是否到位，配件磨损是否达到使用极限。然后检查工件装夹及装配质量，启动水刀切割设备的高压水泵及混砂装置，观察喷嘴喷出的水射流是否稳定、混砂装置是否正常工作；检测调用的水刀切割工艺参数是否无误。

步骤十、翼板外形切割：启动水刀切割设备的自动水刀切割程序，对称切割连接柄外形轮廓，保留2处翼板与筒体连接处不切断作为后处理定位基准，得到连接柄水刀切割工件；切割完成后目视检查切割面表面粗糙度及非切割面应无误切割伤痕；使用游标卡尺随机抽查至少10处翼板厚度尺寸，尺寸公差应不超过±0.07mm；上述两项检测项目全部合格后方可进行下一步工序。

步骤十一，解除切割件刚性限位：切割完成后关闭水刀切割设备，松开水刀切割夹具，解除连接柄水刀切割工件的刚性限位，并进行外观目视检查，检查切割面表面粗糙度及非切割面应无误切割伤痕。

步骤十二、R过渡圆弧清根：使用数控慢走丝或中走丝切割设备切割连接柄水刀切割工件的翼板和柄体连接处连接处的5mm-10mm范围的R过渡圆弧，同时将连接柄待切割工件与连接柄水刀切割工件分离开来。

步骤十三、精铣翼板外形尺寸：使用数控设备精铣翼板外形尺寸。

步骤十四、超声清洗：使用超声清洗设备对连接柄水刀切割工件的表面油污、冷却液、铁屑及其它异物进行清洗。

步骤十四、连接柄外观及尺寸检查：使用接触式三坐标和影像仪等设备对连接柄水刀切割工件进行外观及尺寸最终检查，得到合格的连接柄产品。

上述连接柄水刀切割制造方法中使用的连接柄水刀切割夹具，包括锁紧螺钉9、底座8、拉紧杆7、保护衬套6、定位底板5、压紧螺栓4、定位销3、压紧块2和盖板1。

其中，拉紧杆7底部有螺纹孔的一端，穿入底座8中心孔中(底座直径较大的一端向下)；锁紧螺钉9自下而上(从底座直径较大的一侧)穿入底座8和拉紧杆7中，拧紧锁紧螺钉9保证底座8与拉紧杆7固定不松动；保护衬套6套在连接柄柄体上，拉紧杆7从连接柄柄体中部穿入，盖板1穿入拉紧杆顶部螺纹并旋紧固定保护衬套6。将上述部分装入定位底板5上，定位销3胀紧固定在定位底板5上，连接定位底板5与连接柄待切割工件；将压紧螺栓4穿入压紧块2中，然后将压紧螺栓4拧入定位底板对应的2个螺纹中；调节压紧螺栓4螺纹拧入扣数，使压紧块对连接柄待切割工件实现刚性固定。定位板6个边上均布有6个螺纹孔(每个边上1个)，使用螺钉通过螺纹配合将其安装固定在水刀切割设备上。

所述的盖板1为圆形阶梯柱结构，直径较小的圆柱面伸入连接柄待切割工件内，起保护端面的作用；盖板中间带螺纹通孔，用于连接拉紧杆，固定夹具保护衬套。所述的压紧块2为异形结构件，中心有螺纹孔或通孔，孔内穿入压紧螺栓，用于压紧固定连接柄待切割工件。所述压紧螺栓4为螺栓类结构，穿入压紧块和定位底板，用于压紧固定连接柄待切割工件。所述定位销3为圆柱阶梯销类结构，穿入定位底板，用于定位连接柄待切割工件的相对位置。所述的定位底板5为六边形板，6边均布6个螺纹通孔，用于定位底板与水刀切割设备连接固定；有2个边上分布2个螺纹通孔，用于固定连接柄待切割工件；定位底板中部有圆形沉台，用于定位固定连接柄待切割工件；定位板中部2个枝翼上有定位孔，用于安装定位销，和定位销配合实现连接柄待切割工件的精准定位。所述保护衬套6为圆柱筒类结构，材质为陶瓷或金属，套在连接柄待切割工件不切割的部分，用于保护连接柄，防止无需切割部位损伤。所述拉紧杆7为螺柱类结构，用于连接底座和盖板，配合固定保护衬套。所述底座8为圆柱阶梯柱类结构，直径较小的圆柱面伸入连接柄待切割工件内，起保护端面的作用；底座中间带沉孔，用于与锁紧螺钉配合连接固定拉紧杆。所述锁紧螺钉9为螺钉类结构，用于与底座配合连接固定拉紧杆。

使用时，首先将定位销胀紧固定在定位底板上，将定位底板通过螺钉固定在水刀切割设备上；然后将拉紧杆通过锁紧螺钉固定在底座上；之后将保护衬套套在连接柄待切割工件上，和连接柄一同穿入拉紧杆，放在底座上；再之后将盖板旋入拉紧杆，拧紧盖板是保护衬套牢固的固定在连接柄待切割工件上；最后将安装有保护衬套的连接柄装入定位销中，使用压紧块、压紧螺栓与定位底板配合实现连接柄待切割工件的定位及刚性固定。固定好连接柄产品后对其进行水刀切割。

使用连接柄水刀切割夹具，可以保证每件切割连接柄产品装夹后的重复定位误差不超过0.05mm，提高了制造精度；同时简化了装夹操作过程，装夹找正时间减少80％以上；还可对连接柄产品无需切割部分进行必要的保护，减少切割误伤，提高成品率，具有很好的经济价值。

本发明的连接柄水刀切割制造方法，可以保证在连接柄水刀切割完成后，连接柄产品尺寸精度和表面质量满足后续焊接的要求。避免了原线切割工艺中反复切割以消除表面变质层的额外操作，从而增加了一次成品率，减少了材料、人员和经济的浪费；同时该工艺的切割时间仅为原有工艺的三分之一，生产效率大幅提高，具有很好的经济价值。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种连接柄水刀切割制造方法，其特征在于，包括水刀切割前处理工艺、水刀切割工艺、水刀切割后处理工艺和连接柄水刀切割质量过程控制方法；所述水刀切割前处理工艺，包括如下步骤：原材料型材复验，粗车连接柄外形，精车连接柄外形及台阶面，加工连接柄定位孔，得到连接柄待切割工件；所述水刀切割后处理包括R过渡圆弧清根，精铣翼板外形尺寸、超声清洗，外观及尺寸检查，得到合格的连接柄产品；所述水刀切割工艺使用连接柄水刀切割夹具装夹待切割工件，采用石榴石作为水刀切割磨料，并进行切割精度控制，具体包括如下步骤：使用连接柄水刀切割夹具对连接柄待切割工件进行刚性固定；进行水刀切割设备状态检查和水刀切割工艺参数检查；启动水刀切割设备，当水刀切割设备的水射流稳定，混砂装置正常工作时启动自动水刀切割程序，对称切割连接柄外形轮廓，保留连接柄的翼板与筒体连接处不切断作为水刀切割后处理定位基准，得到连接柄水刀切割工件；切割完成后，关闭水刀切割设备，松开连接柄水刀切割夹具，解除连接柄水刀切割夹具对连接柄水刀切割工件的限制，并对连接柄水刀切割工件进行外观目视检查；所述连接柄水刀切割夹具包括锁紧螺钉、底座、拉紧杆、保护衬套、定位底板、压紧螺栓、定位销、压紧块和盖板，所述的拉紧杆底部有螺纹孔的一端，穿入底座中心孔中，锁紧螺钉穿入底座和拉紧杆中，盖板穿入拉紧杆顶部螺纹并旋紧固定保护衬套，定位销固定在定位底板上，压紧螺栓穿入压紧块中，压紧螺栓拧入定位底板上，所述保护衬套为圆柱筒类结构，材质为陶瓷或金属，套在连接柄待切割工件不切割的部分。

2.根据权利要求1所述的连接柄水刀切割制造方法，其特征在于，所述水刀切割工艺参数包括：切割水质使用50 PPM-250PPM的普通自来水或软化水；切割水压为300 MPa-400MPa；喷嘴直径为0.3556mm；混砂管直径为1.067mm；磨料流速为0.36 kg/分钟；磨料粒度为80目；磨料指数为0.96；刀具补偿值为0.58mm-0.65mm；喷嘴到连接柄待切割工件表面的距离为1.5mm-2.5mm。

3.根据权利要求2所述的连接柄水刀切割制造方法，其特征在于，所述刀具补偿值是通过水刀补偿试验得出的，包括如下步骤：每次更换不同材质或不同厚度的连接柄产品时，先采用与连接柄产品同批次的原材料切割连接柄水刀切割工艺控制试样；再使用游标卡尺测量连接柄水刀切割工艺控制试样的尺寸，然后计算实际切割尺寸与理论切割尺寸之间的计算差值，所得计算差值即为刀具补偿值。

4.根据权利要求1所述的连接柄水刀切割制造方法，其特征在于，所述R过渡圆弧清，包括如下步骤：使用数控慢走丝或中走丝切割设备切割连接柄水刀切割工件的翼板和柄体连接处的5mm-10mm范围的R过渡圆弧。

5.根据权利要求1所述的连接柄水刀切割制造方法，其特征在于，所述连接柄水刀切割质量过程控制方法包括：连接柄水刀切割工艺控制试样和连接柄水刀切割质量控制方法；所述连接柄水刀切割工艺控制试样包含与连接柄产品一致的关键工艺参数；连接柄水刀切割质量控制方法包括如下步骤：在每次设备维修、更换重要部件和每批次连接柄产品水刀切割前，采用与连接柄产品同批次材料及相同切割工艺参数、设备、生产环境及生产条件切割连接柄水刀切割工艺控制试样，对切割完成的连接柄水刀切割工艺控制试样进行尺寸无损检测。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的连接柄水刀切割制造方法，其特征在于，所述切割精度控制是指使用编制的自动水刀切割程序，根据刀具补偿值自动计算切割水柱直径轮廓线与连接柄产品理论切割轨迹之间的差值，根据连接柄产品厚度自动计算高压水射流的补偿喷射倾角；同时调整喷嘴到切割表面的距离、刀具坐标系和刀具坐标系原点位置，确保每件连接柄产品的切割起始位置都稳定得保持在一个可控的范围内。

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