CN113996874B - Rpv主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，基于三轴滚压设备；所述三轴滚压设备包括三个形状一致的滚丝轮；三个滚丝轮在竖直平面内呈正三角形分布；方法步骤如下：1，获取主螺栓材料特性；2，确定滚丝轮径向进给次数/深度；3，计算三个滚丝轮各自的初始相位；4，确定滚丝轮自转速度和进给速度。本发明提供了一种高效、精确、低难度地获取大规格核级螺栓三轴滚压加工参数的方法，解决了直径140mm以上的大规格核级螺栓的三轴滚压成形工艺缺失的问题，有助于打破大规格核电螺栓进口产品垄断格局。
Description
技术领域
本发明涉及核电技术领域，特别是一种RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法。
背景技术
反应堆压力容器(RPV)是用于安置核反应堆并承受其巨大运行压力的密闭容器。反应堆压力容器包括主体和顶盖，主体和顶盖通过主螺栓连接为一体，再将球面垫圈套装在主螺栓上，使球面垫圈的下端面与顶盖外壁接触，最后将主螺母螺纹连接在主螺栓上，并确保主螺母的下端面压紧球面垫圈的上端面，从而将顶盖压紧在主体上。
反应堆压力容器中，主螺栓是连接主体和顶盖的关键密封部件，属于核1级大规格、高精度、高强度的螺纹紧固件，是保障核电站安全运行的核心部件。主螺栓长期处于高温高应力的工作状态，是反应堆压力容器中疲劳累积系数最高的部件。在主螺栓的生命周期内，拆装旋合要求为60次以上，因此在其加工过程中需要保证主螺栓的外螺纹具有良好的强度、韧塑形及螺纹牙结构参数准确性，进而确保核反应堆压力容器的安全性能。
主螺栓大多采用车削加工，即通过去除一定的材料而形成所需的螺纹形状，工艺相对简单，成本相对较低。一方面，螺纹尺寸精度(包括螺距、螺距累积误差及牙型角)难以保证，进而导致装配时，主螺栓与主螺母之间的径向间隙难以控制。另一方面，车削加工的表面粗糙度最高只能达到Ra1.6，进而导致装配时，主螺栓以主螺母之间容易产生咬死及卡涩的问题，甚至导致主螺栓断裂。
滚压加工作为一种无屑加工方法，正逐渐成为主螺栓加工工艺改良的新方向，其原理是利用某些材料在冷态下的可塑性进行加工。其特点是工件在滚压工具的压力作用下产生塑性变形，并且不会切断金属纤维。相比于车削加工，一方面，滚压加工形成的螺纹表面更加平整，表面粗糙度能达到Ra0.8，另一方面，滚压加工有冷作硬化作用，能获得更高强度的螺纹，再一方面，滚压加工制备的螺纹尺寸精度易于保证。
然而，目前国内未见滚压加工应用于核电用大规格高强度螺栓(即上述的主螺栓)的先例。主要原因在于：
1、滚压成形的复杂程度远高于车削加工，其包含了多个滚丝轮的自转运动、滚丝轮沿主螺栓径向方向的进给运动、以及上述两种运动关系的耦合，其加工参数包含进给深度/次数、滚丝轮的初始相位、滚丝轮的径向进给速度和滚丝轮的自转速度等，各个参数之间相互影响，关联关系错综复杂，需经过大量的重复试验才能确定一组合理的加工参数，加工参数获取难度较大，并且，这种重复试验获取加工参数的方式存在一定的盲目性，在试验(试滚)过程中会造成一定的材料浪费，甚至可能出现错齿、崩齿等问题。
2、主螺栓的尺寸远大于普通螺栓，无法采用目前常见的两轴滚压设备进行加工，需要采用三轴滚压设备进行加工，而三轴滚压成形的复杂程度又高于两轴滚压成形的复杂程度，加工参数的获取难度更大。
3、主螺栓是核1级产品，对于尺寸精度的要求高于普通螺栓，这进一步提升了加工参数的获取难度。
法国和美国在大规格螺纹滚压成形规律及变形机理方面开展了系统研究，掌握大规格螺栓精确成形的核心技术，占领了全球60％以上的反应堆压力容器主螺栓市场。我国在三轴滚压成形精度控制技术上严重缺失，迫切需要突破直径140mm以上的大规格核级螺栓关键工艺“卡脖子”技术，有助于打破大规格核级螺栓进口产品垄断格局。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，它解决了直径140mm以上的大规格核级螺栓的三轴滚压成形工艺缺失的问题，有助于打破大规格核电螺栓进口产品垄断格局。
本发明的技术方案是：RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，基于三轴滚压设备；
所述三轴滚压设备包括三个形状一致的滚丝轮；三个滚丝轮在竖直平面内呈正三角形分布，三个滚丝轮的端面相互平行，三个滚丝轮的中轴线相互平行；按照顺时针的顺序，从下端的滚丝轮开始，三个滚丝轮分别命名为滚丝轮A、滚丝轮B和滚丝轮C；
方法步骤如下：
S01，获取主螺栓材料特性：
按照主螺栓的材料牌号准备三块试样，利用材料力学试验机进行室温压缩实验，分别以0.01S-1、0.1S-1、1S-1的应变速率进行压缩，得到材料的真应力应变曲线，再将真应力应变曲线中对应的数值输入deform数据库中；
S02，确定滚丝轮径向进给次数/深度：
滚丝轮径向进给次数为4～5次；
当径向进给次数为4次时，滚丝轮径向进给深度从前至后依次比值为(1.71～1.89)：(0.18～0.22)：(0.09～0.11)：(0.03～0.05)；
当径向进给次数为5次时，滚丝轮径向进给深度的从前至后依次比值为(1.71～1.89)：(0.09～0.11)：(0.09～0.11)：(0.09～0.11)：(0.03～0.05)；
S03，计算三个滚丝轮各自的初始相位：
滚丝轮A作为参照系，旋转角度为0°；滚丝轮B的旋转角度为α，
滚丝轮C的旋转角度为β，
其中，nw为主螺栓的螺纹头数，nB为滚丝轮B的螺纹头数，nC为滚丝轮C的螺纹头数；
本步骤中，三个滚丝轮的调整基础为三轴滚压设备初始状态下的三个滚丝轮的位姿；
S04，确定滚丝轮自转速度和进给速度：
a、利用三维绘图软件对三轴滚压主螺栓外螺纹的工艺进行三维建模，在三维建模中将三个滚丝轮分别旋转到各自的初始相位，最后将三维建模数据导入有限元分析软件中；
b、在有限元分析软件中依次执行以下操作：1、设置坯料和三个滚丝轮的材料属性；2、划分坯料网格，对坯料表面向内4cm的深度建立局部细化的四面体网格；3、设置坯料边界条件；4、设置滚丝轮与坯料之间的边界条件；5、生成仿真数据包；从而做好对坯料进行有限元分析的准备；
c、滚丝轮的自转速度可设定的区段为(m～n)r/min，在所述区段内等间隔选择若干个点作为备选项，利用有限元分析软件计算上述所有备选项条件下的滚丝轮的最大径向载荷，选取最小的最大径向载荷所对应的备选项，作为最终确定的滚丝轮的自转速度，三个滚丝轮均采用相同的滚丝轮的自转速度参数；
d、滚丝轮所能承受的最大径向载荷为f1，滚丝轮的最大径向载荷的安全值为f2，f2＝γ×f1；γ为安全系数，取值范围为0.8～0.9；滚丝轮的进给速度可调节的区段为(j～k)mm/min，在所述区段内等间隔选择若干个点作为备选项，利用有限元仿真软件计算上述所有的备选项条件下的滚丝轮的最大径向载荷，选取不超过f2的最大径向载荷所对应的备选项，作为最终确定的滚丝轮的进给速度，三个滚丝轮均采用相同的滚丝轮的进给速度参数。
本发明进一步的技术方案是：S04步骤的c分步骤中，利用有限元分析软件计算滚丝轮的最大径向载荷时，仅有滚丝轮的自转速度这一个变量；S04步骤的d分步骤中，利用有限元分析软件计算滚丝轮的最大径向载荷时，仅有滚丝轮的进给速度这一个变量。
本发明再进一步的技术方案是：S04步骤中，三维建模包含坯料和三个滚丝轮；坯料呈圆柱体并位于三个滚丝轮之间，坯料的外圆面分别与三个滚丝轮的外圆面相切；坯料的中轴线与三个滚丝轮的中轴线平行。
本发明更进一步的技术方案是：S01步骤中，为了减少压缩过程中的压头与样品之间的摩擦，在样品表面涂覆石墨。
本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，所述的三维绘图软件为solidwork。
本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，所述的有限元分析软件为deform。
本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，坯料的边界条件为：坯料X轴和Z轴方向的速度为0，以保证坯料受到滚丝轮的剪切摩擦力的作用下，仅沿Y轴移动；其中，X轴和Z轴均为坯料的径向方向，Y轴为坯料的轴向方向。
本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，滚丝轮与坯料之间的边界条件为：滚丝轮与坯料的接触区域的摩擦系数为0.3，滚丝轮与坯料的容差值为0.021mm。
本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，划分坯料网格的具体操作为：设置坯料的网格数目为300000，对坯料表面深度为4cm的区域进行网格细化，密度比为0.0001，最大网格尺寸与最小网格尺寸的比值为10，最小网格尺寸为0.42mm，打开体积补偿。
本发明更进一步的技术方案是：S04步骤中，c、d分步骤不分先后次序。
本发明更进一步的技术方案是：S01～S03步骤不分先后次序。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、其提供了一种高效、精确、低难度地获取大规格核级螺栓三轴滚压加工参数的方法，解决了直径140mm以上的大规格核级螺栓的三轴滚压成形工艺缺失的问题，有助于打破大规格核电螺栓进口产品垄断格局。
2、其使得采用滚压工艺加工大规格核级螺栓成为可行方案，采用滚压工艺加工的RPV主螺栓具有如下优势：
a、滚压加工属于无屑加工，材料利用率高，降低了生产成本；
b、滚压加工会使坯料产生塑性变形，金属晶粒产生塑性位移，金属纤维沿着螺纹牙型发生了变形，并且呈连续性。从而提高了螺纹的疲劳强度，以及螺纹根部R角的静载荷；
c、滚压加工可使螺纹根部产生冷作硬化，并存在压应力，使得螺纹齿面抗磨损的能力有所提高；
d、滚压加工的螺纹表层粗糙度好，滚丝轮与坯料之间存在相对滑动，产生表面碾平作用，表面粗糙度能达到Ra0.8；并且，螺纹精度较高，螺距累计误差小。
以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为三轴滚压设备的三个滚丝轮与坯料的位置关系示意图；
图2为S01步骤中的真应力应变曲线图；
图3为S04步骤中的三维建模效果图；
图4为S04步骤中的坯料径向截面的网格划分图；
图5为S04步骤中滚丝轮的自转速度与滚丝轮的最大径向载荷的关系图；
图6为S04步骤中滚丝轮的进给速度与滚丝轮的最大径向载荷的关系图；
图7为基于本发明制备的RPV主螺栓的外螺纹的金相图；
图8为基于本发明制备的RPV主螺栓的外螺纹的显微硬度取点位置图；
图9为基于本发明制备的RPV主螺栓的外螺纹的深度/显微硬度关系图。
具体实施方式
实施例1：
如图1-9所示，RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，基于三轴滚压设备。所述三轴滚压设备包括三个形状一致的滚丝轮(参看图1)。三个滚丝轮在竖直平面内呈正三角形分布(三个滚丝轮在同侧端面的中心点的连线为正三角形)，三个滚丝轮的端面相互平行，三个滚丝轮的中轴线相互平行。按照顺时针的顺序，从下端的滚丝轮开始，三个滚丝轮分别命名为滚丝轮A1、滚丝轮B2和滚丝轮C3。
方法步骤如下：
S01，获取主螺栓材料特性：
按照主螺栓的材料牌号(40CrNi2MoV)准备三块试样，利用材料力学试验机进行室温压缩实验，分别以0.01S-1、0.1S-1、1S-1的应变速率进行压缩，得到材料的真应力应变曲线(参看图2)，再将真应力应变曲线中对应的数值输入deform数据库中。
S02，确定滚丝轮径向进给次数/深度：
滚丝轮径向进给次数为5次，总的进给深度为2.14mm，5次进给深度分别为1.8mm、0.1mm、0.1mm、0.1mm、0.04mm。
S03，计算三个滚丝轮各自的初始相位：
滚丝轮A作为参照系，旋转角度为0°；滚丝轮B的旋转角度为α，
滚丝轮C的旋转角度为β，
其中，nw为主螺栓的螺纹头数，nB为滚丝轮B的螺纹头数，nC为滚丝轮C的螺纹头数；代入数据算得α＝160°，β＝320°，即滚丝轮B逆时针旋转160°，滚丝轮C逆时针旋转320°。
本步骤中，三个滚丝轮的调整基础为三轴滚压设备初始状态下的三个滚丝轮的位姿。
S04，确定滚丝轮自转速度和进给速度：
a、利用三维绘图软件对三轴滚压主螺栓外螺纹的工艺进行三维建模，在三维建模中将三个滚丝轮分别旋转到各自的初始相位(参看图3)，最后将三维建模数据导入有限元分析软件中。
b、在有限元分析软件中依次执行以下操作：1、设置坯料和三个滚丝轮的材料属性；2、划分坯料网格，对坯料表面向内4cm的深度建立局部细化的四面体网格(参看图4)；3、设置坯料边界条件；4、设置滚丝轮与坯料之间的边界条件；5、生成仿真数据包；从而做好对坯料进行有限元分析的准备。
c、滚丝轮的自转速度可设定的区段为(6～10)r/min，选择6r/min、7r/min、8r/min、9r/min、10r/min这5个速度作为备选项，利用有限元分析软件计算上述5个速度条件下的滚丝轮的最大径向载荷，分别为1341KN、1303KN、1294KN、1372KN、1332KN，选取最小的最大径向载荷(1294KN)所对应的备选项8r/min，作为最终确定的滚丝轮的自转速度，三个滚丝轮均采用8r/min的自转速度(参看图5)。
本分步骤中，利用有限元分析软件计算滚丝轮的最大径向载荷时，仅有滚丝轮的自转速度这一个变量，其余参数均为定值，滚丝轮的进给速度的定值为2mm/min。
d、滚丝轮所能承受的最大径向载荷为1500KN，滚丝轮的最大径向载荷的安全值为f2，f2＝γ×f1＝1300KN；γ为安全系数，取值范围为0.8-0.9；滚丝轮的进给速度可调节的区段为(1.8～2.6)mm/min，选择1.8mm/min、2.0mm/min、2.2mm/min、2.4mm/min、2.6mm/min这5个速度作为备选项，利用有限元仿真软件计算上述所有的备选项条件下的滚丝轮的最大径向载荷，分别为1204KN、1295KN、1532KN、1721KN、1983KN选取不超过f2的最大径向载荷(1204KN)所对应的备选项1.8mm/min，作为最终确定的滚丝轮的进给速度，三个滚丝轮均采用1.8mm/min的进给速度(参看图6)。
本分步骤中，利用有限元分析软件计算滚丝轮的最大径向载荷时，仅有滚丝轮的进给速度这一个变量，其余参数均为定值，滚丝轮的自转速度的定值为8r/min。
优选，S01步骤中，为了减少压缩过程中的压头与样品之间的摩擦，在样品表面涂覆石墨。
优选，S04步骤中，三维建模包含坯料4和三个滚丝轮(参看图3)；坯料4呈圆柱体并位于三个滚丝轮之间，坯料4的外圆面分别与三个滚丝轮的外圆面相切；坯料4的中轴线与三个滚丝轮的中轴线平行。
优选，S04步骤中，所述的三维绘图软件为solidwork。
优选，S04步骤中，所述的有限元分析软件为deform。
优选，S04步骤中，坯料的边界条件为：坯料X轴和Z轴方向的速度为0，以保证坯料受到滚丝轮的剪切摩擦力的作用下，仅沿Y轴移动；其中，X轴和Z轴均为坯料的径向方向，Y轴为坯料的轴向方向。
优选，S04步骤中，滚丝轮与坯料之间的边界条件为：滚丝轮与坯料的接触区域的摩擦系数为0.3，滚丝轮与坯料的容差值为0.021mm。
优选，S04步骤中，c、d分步骤不分先后次序。
优选，S01～S03步骤不分先后次序。
基于上述滚压加工参数加工制备RPV主螺栓，其外螺纹的金相图如图7所示，从图7可以明显看出，金属纤维没有受到破坏，呈明显的金属流线形。
基于上述滚压加工参数制备RPV主螺栓，分别对外螺纹的顶部和底部的显微硬度进行测量，取点间隔为400μm，取点位置如图8所示，显微硬度如图9所示。从螺纹顶部往下的硬度分别为：374.1HV、371.6HV、368.8HV、367.8HV、369.3HV、370.2HV，从螺纹底部往下硬度分别为：385.0HV、383.2HV、373.6HV、350.6HV、335.3HV、326.0HV。未滚压前的坯料的显微硬度在320HV左右。从图9可以直观看出，滚压工艺对螺纹底部的硬度提升更高，强化深度大约为2mm，并且离表面越近，强化效果越明显。对螺纹顶部的显微硬度也得到明显的提升，整个顶部的显微硬度在370HV左右，相较于未滚压的工件，其显微硬度提升了50HV。
Claims (10)
1.RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，基于三轴滚压设备；
所述三轴滚压设备包括三个形状一致的滚丝轮；三个滚丝轮在竖直平面内呈正三角形分布，三个滚丝轮的端面相互平行，三个滚丝轮的中轴线相互平行；按照顺时针的顺序，从下端的滚丝轮开始，三个滚丝轮分别命名为滚丝轮A、滚丝轮B和滚丝轮C；
其特征是，方法步骤如下：
S01，获取主螺栓材料特性：
按照主螺栓的材料牌号准备三块试样，利用材料力学试验机进行室温压缩实验，分别以0.01S-1、0.1S-1、1S-1的应变速率进行压缩，得到材料的真应力应变曲线，再将真应力应变曲线中对应的数值输入deform数据库中；
S02，确定滚丝轮径向进给次数/深度：
滚丝轮径向进给次数为4～5次；
当径向进给次数为4次时，滚丝轮径向进给深度从前至后依次比值为(1.71～1.89)：(0.18～0.22)：(0.09～0.11)：(0.03～0.04)；
当径向进给次数为5次时，滚丝轮径向进给深度的从前至后依次比值为(1.71～1.89)：(0.09～0.11)：(0.09～0.11)：(0.09～0.11)：(0.03～0.04)；
S03，计算三个滚丝轮各自的初始相位：
滚丝轮A作为参照系，旋转角度为0°；滚丝轮B的旋转角度为α，
滚丝轮C的旋转角度为β，
其中，nw为主螺栓的螺纹头数，nB为滚丝轮B的螺纹头数，nC为滚丝轮C的螺纹头数；
本步骤中，三个滚丝轮的调整基础为三轴滚压设备初始状态下的三个滚丝轮的位姿；
S04，确定滚丝轮自转速度和进给速度：
a、利用三维绘图软件对三轴滚压主螺栓外螺纹的工艺进行三维建模，在三维建模中将三个滚丝轮分别旋转到各自的初始相位，最后将三维建模数据导入有限元分析软件中；
b、在有限元分析软件中依次执行以下操作：1、设置坯料和三个滚丝轮的材料属性；2、划分坯料网格，对坯料表面向内4cm的深度建立局部细化的四面体网格；3、设置坯料边界条件；4、设置滚丝轮与坯料之间的边界条件；5、生成仿真数据包；从而做好对坯料进行有限元分析的准备；
c、滚丝轮的自转速度可设定的区段为(m～n)r/min，在所述区段内等间隔选择若干个点作为备选项，利用有限元分析软件计算上述所有备选项条件下的滚丝轮的最大径向载荷，选取最小的最大径向载荷所对应的备选项，作为最终确定的滚丝轮的自转速度，三个滚丝轮均采用相同的滚丝轮的自转速度参数；
d、滚丝轮所能承受的最大径向载荷为f1，滚丝轮的最大径向载荷的安全值为f2，f2＝γ×f1；γ为安全系数，取值范围为0.8～0.9；滚丝轮的进给速度可调节的区段为(j～k)mm/min，在所述区段内等间隔选择若干个点作为备选项，利用有限元仿真软件计算上述所有的备选项条件下的滚丝轮的最大径向载荷，选取不超过f2的最大径向载荷所对应的备选项，作为最终确定的滚丝轮的进给速度，三个滚丝轮均采用相同的滚丝轮的进给速度参数。
2.如权利要求1所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤的c分步骤中，利用有限元分析软件计算滚丝轮的最大径向载荷时，仅有滚丝轮的自转速度这一个变量；S04步骤的d分步骤中，利用有限元分析软件计算滚丝轮的最大径向载荷时，仅有滚丝轮的进给速度这一个变量。
3.如权利要求2所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，三维建模包含坯料和三个滚丝轮；坯料呈圆柱体并位于三个滚丝轮之间，坯料的外圆面分别与三个滚丝轮的外圆面相切；坯料的中轴线与三个滚丝轮的中轴线平行。
4.如权利要求3所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S01步骤中，为了减少压缩过程中的压头与样品之间的摩擦，在样品表面涂覆石墨。
5.如权利要求4所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，所述的三维绘图软件为solidwork。
6.如权利要求5所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，所述的有限元分析软件为deform。
7.如权利要求6所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，c、d分步骤不分先后次序。
8.如权利要求7所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，坯料的边界条件为：坯料X轴和Z轴方向的速度为0，以保证坯料受到滚丝轮的剪切摩擦力的作用下，仅沿Y轴移动；其中，X轴和Z轴均为坯料的径向方向，Y轴为坯料的轴向方向。
9.如权利要求8所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，滚丝轮与坯料之间的边界条件为：滚丝轮与坯料的接触区域的摩擦系数为0.3，滚丝轮与坯料的容差值为0.021mm，滚丝轮与坯料的干涉距离0.01mm。
10.如权利要求9所述的RPV主螺栓外螺纹三轴滚压加工参数获取方法，其特征是：S04步骤中，划分坯料网格的具体操作为：设置坯料的网格数目为300000，对坯料表面深度为4cm的区域进行网格细化，密度比为0.0001，最大网格尺寸与最小网格尺寸的比值为10，最小网格尺寸为0.42mm，打开体积补偿。
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| 螺纹冷滚压理论与工艺参数研究;齐会萍;《硕士学位论文》;20070606;全文 * |
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