CN117219306A - 一种核用内变径导向管的变径芯棒及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核用内变径导向管的变径芯棒及加工方法，该变径芯棒采用组合拼接式结构，其由第一芯棒和第二芯棒可拆卸连接组成，且两端设有与芯杆连接的螺纹段；第一芯棒的直径与导向管薄壁段的内径相同；第二芯棒由第一段、第二段以及中间过渡段一体成型，第一段与第一芯棒连接，且第一段的直径与导向管薄壁段的内径相同，第二段的直径与导向管厚壁段的内径相同；其加工路线为：选材→锯切→粗车→精车→盐浴热处理→研磨。本发明采用化整为零的方式，解决了现有长变径芯棒尺寸精度低及加工难度大的问题，既能够制备出合格内变径导向管，又可提高芯棒产品的合格率、降低其制造成本，且轧制时管材易于脱模，使用效果良好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于核用异型管材制备技术领域，具体涉及一种核用内变径导向管的变径芯棒及加工方法。
背景技术
锆及锆合金具有良好的耐蚀性能和力学性能，具有低的热中子吸收截面，是原子能反应堆用的重要结构材料，广泛应用于水冷动力堆的堆芯材料中；其中，锆合金导向管作为核反应燃料堆组件中的重要组成部分，它既有骨架支撑功能，同时又为控制棒提供了导向、减速和缓冲作用，若导向管的外形设计不合理或加工时尺寸精度不足等因素都会造成控制棒提升或落下动作卡死受阻，进而影响反应堆的及时启停。因此，导向管对反应堆的安全可靠性起着举足轻重的作用。
目前，业内常见的核燃料组件导向管从结构形式上大体分为两类：一种是壁厚不变，内径、外径同时呈阶梯状变化，如AFA2G组件用导向管；另一种是外径保持不变而内径发生变化，如AFA3G组件用Monobloc TM导向管，具体如图2、3所示，内变径导向管因其结构上的优点被越来越多的堆型采用。国内在内变径导向管上突破了三辊冷轧制备技术，由于多辊冷轧工艺使用的轧辊尺寸与成品管材外径尺寸一致，轧辊几何形状简单，其设计和加工较为容易，因此导向管内径尺寸的精度完全由变径芯棒来决定。但现有多辊冷轧技术中目前采用的是一体式变径芯棒，因变径芯棒对尺寸精度要求高、加工难度大，一体式变径芯棒会受到导向管长度的限制，若导向管长度较长时则难以加工出满足使用要求的变径芯棒。因此，变径芯棒的设计与加工成为内变径导向管制备技术的核心和关键。
有鉴于此，本发明人提出一种核用内变径导向管的变径芯棒及加工方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种核用内变径导向管的变径芯棒及加工方法，本发明变径芯棒通过组合拼接式设计，并采用分段加工，解决了现有变径芯棒尺寸精度低及加工难度大的问题，在能够制备出合格内变径导向管的同时提高了变径芯棒产品的合格率、降低了变径芯棒的制造成本，且轧制时管材易于脱模，使用效果良好，便于推广使用。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一方面，本发明提供一种核用内变径导向管的变径芯棒，所述变径芯棒采用组合拼接式结构，其由第一芯棒和第二芯棒可拆卸连接组成，且连接后两端分别设置有与芯杆连接的螺纹段；
其中，所述第一芯棒的直径与内变径导向管薄壁段的内径相同；
所述第二芯棒由第一段、第二段以及将所述第一段与第二段连接过渡的中间过渡段一体成型，所述第一段与第一芯棒可拆卸连接，且所述第一段的直径与内变径导向管薄壁段的内径相同，所述第二段的直径与内变径导向管厚壁段的内径相同。
进一步地，所述第一芯棒与第二芯棒通过螺纹连接。
进一步地，所述中间过渡段为与内变径导向管过渡区相适配的圆锥台结构，且所述圆锥台的长度为3mm～30mm，圆锥顶角为5°～30°。
另一方面，本发明提供一种上述变径芯棒的加工方法，具体包括以下步骤：
步骤一、选材
选择经锻造、退火处理后的圆钢坯料，且所述圆钢坯料的名义直径ΦD1mm应大于变径芯棒中最大圆柱段的直径；
步骤二、锯切
将步骤一处理后的圆钢坯料按照变径芯棒的长度进行定切，获得第一芯棒和第二芯棒的棒料，并对所述棒料的两端进行倒角处理；
步骤三、粗车
对步骤二倒角处理后的棒料进行粗车，粗车后第一芯棒(1)的直径尺寸应满足第二芯棒中第一段的直径尺寸应满足Φ/>第二段的直径尺寸应满足/>中间过渡段加工为圆锥顶角5°～30°的圆锥台，且所述圆锥台的长度为3mm～30mm；
步骤四、精车
将步骤三粗车后的棒料在数控车床上进行精车，精车后第一芯棒的直径尺寸应满足第二芯棒中第一段的直径尺寸应满足/>第二段的直径尺寸应满足/>并在第一芯棒和第二芯棒棒料的两端加工螺纹；
步骤五、盐浴热处理
对步骤四精车后的棒料进行调质热处理；
步骤六、研磨
将步骤五盐浴热处理后的第一芯棒和第二芯棒的棒料连接，连接后棒料的全长弯曲度应小于0.03mm，并对连接后的棒料进行研磨处理，研磨处理后第一芯棒的直径尺寸应满足第二芯棒中第一段的直径尺寸应满足/>第二段的直径尺寸应满足/>
其中，ΦD01为内变径导向管薄壁段内径，ΦD02为内变径导向管厚壁段内径。
进一步地，所述步骤一中圆钢坯料的材质为GCr15高碳铬轴承钢或H13冷作模具钢。
进一步地，所述步骤一中圆钢坯料的名义直径ΦD1mm较变径芯棒中最大圆柱段的直径大2mm～3mm。
进一步地，所述步骤四中第一芯棒的两端均加工有外螺纹；第二芯棒的一端加工外螺纹，另一端加工内螺纹，且第一芯棒与第二芯棒螺纹连接；
其中，当所述第一芯棒外螺纹的一端与第二芯棒内螺纹的一端螺纹连接时，第一芯棒另一端的外螺纹与第二芯棒的外螺纹规格完全相同，且分别与工作过程中芯杆的内螺纹螺纹连接。
进一步地，所述步骤五中盐浴热处理制度为：淬火温度800℃～850℃，保温时间120min～180min，出炉后油冷，淬火过程中保护棒料两端螺纹不淬火；淬火后立即进行回火，以消除淬火应力，回火在油槽中进行，回火温度为250℃～300℃，保温时间120min～180min，出炉后空冷。
进一步地，所述步骤五中盐浴热处理过程中的冷却速度≤20℃/h，热处理后棒料的硬度在60HRC～62HRC之间，且盐浴热处理过程中棒料应竖直悬挂。
进一步地，所述步骤六研磨处理后变径芯棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm，且研磨处理后变径芯棒应竖直悬挂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的核用内变径导向管的变径芯棒，该变径芯棒采用组合拼接式结构，具体由第一芯棒和第二芯棒可拆卸连接组成，相较于现有的一体式变径芯棒，其轧制后可通过拆卸两端芯棒，因此在轧制内变径导向管时易于脱离芯棒，且分段的芯棒更便于运输和储存；同时变径芯棒拆卸分开后可单独用于生产不同形状的内变径导向管材，可以实现一形多用的目的。
2、本发明提供的变径芯棒的加工方法，其工艺路线为：选材→锯切→粗车→精车→盐浴热处理→研磨，由于将变径芯棒设计为组合拼接式结构，因此可通过分段加工，从而降低了长芯棒的加工难度，采用本方法加工的长芯棒尺寸精度高、直线度好，且轧制后的管材容易脱芯棒，同时制备工艺便于实现、操作简单、实用性强，对人员的技术和经验依赖程度较低。
综上所述，本发明设计新颖合理、实用性强，可满足核用内变径导向管材冷轧制备要求，同时降低了长变径芯棒制造过程的生产成本，提高了长变径芯棒加工合格率，使用效果良好，便于推广使用。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明核用内变径导向管的变径芯棒结构示意图；
图2是本发明单内变径导向管结构示意图；
图3是本发明双内变径导向管结构示意图。
其中：1为第一芯棒；2为第二芯棒；3为螺纹段；21为第一段；22为中间过渡段；23为第二段；A为内变径导向管薄壁段；B为内变径导向管厚壁段；C为内变径导向管过渡区。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明目的是制备如图2、3所示的核用内变径导向管材(总长度大于1000mm)；其中，图2为单内变径导向管，包括上端的内变径导向管薄壁段A、下端的内变径导向管厚壁段B和内变径导向管过渡区C，整支内变径导向管的外径相同，内变径导向管过渡区C为圆锥顶角，且内变径导向管薄壁段A的内径大于内变径导向管厚壁段B的内径；图3为双内变径导向管，包括上端的内变径导向管薄壁段A、下端的内变径导向管薄壁段A和上下之间的内变径导向管厚壁段B，整支内变径导向管的外径相同，上下端内变径导向管薄壁段A的内径相同，上端的内变径导向管薄壁段A和内变径导向管厚壁段B之间、内变径导向管厚壁段B和下端的内变径导向管薄壁段A之间为内变径导向管过渡区C，内变径导向管过渡区C为圆锥顶角，且上下端的内变径导向管薄壁段A内径大于内变径导向管厚壁段B的内径。本发明特设计了辅助制作上述内变径导向管的变径芯棒，其结构如图1所示，该变径芯棒采用组合拼接式结构，其由第一芯棒1和第二芯棒2可拆卸连接组成，且连接后首末两端分别设置有与芯杆连接的螺纹段3；具体的第一芯棒1的直径与内变径导向管薄壁段A的内径相同；第二芯棒2由第一段21、第二段23以及将第一段21与第二段23连接过渡的中间过渡段22一体成型，第一段21与第一芯棒1可拆卸连接，且第一段21的直径与内变径导向管薄壁段A的内径相同，第二段23的直径与内变径导向管厚壁段B的内径相同。
其中，本发明中间过渡段22为与内变径导向管过渡区C相适配的圆锥台结构，且该圆锥台的长度为3mm～30mm，圆锥顶角为5°～30°，长度和圆锥顶角的大小具体可根据实际制作内变径导向管的规格进行适应性调整。本发明第一芯棒1与第二芯棒2通过螺纹连接，这样实际在轧制内变径导向管后脱芯棒时，可将第一芯棒1与第二芯棒2从螺纹处拆开，以实现轧制内变径导向管顺利脱芯棒的目的。
另一方面，本发明还提供了一种上述变径芯棒的加工方法，具体包括以下步骤：
步骤一、选材
选择经锻造、退火处理后的圆钢坯料，一般圆钢坯料的材质为GCr15高碳铬轴承钢或H13冷作模具钢，且该圆钢坯料的名义直径ΦD1mm应大于变径芯棒中最大圆柱段的直径2mm～3mm。
步骤二、锯切
将步骤一处理后的圆钢坯料按照变径芯棒的长度进行定切，获得第一芯棒1和第二芯棒2的棒料，并对所述棒料的两端进行倒角处理；第一芯棒1和第二芯棒2定切的长度分别为L1mm和L2mm，倒角为1×45°。
步骤三、粗车
对步骤二倒角处理后的棒料进行粗车，粗车后第一芯棒1的直径尺寸应满足第二芯棒2中第一段21的直径尺寸应满足/>第二段23的直径尺寸应满足/>中间过渡段22加工为圆锥顶角5°～30°的圆锥台，且圆锥台的长度为3mm～30mm。
步骤四、精车
将步骤三粗车后的棒料在数控车床上进行精车，精车后第一芯棒1的直径尺寸应满足第二芯棒2中第一段21的直径尺寸应满足/>第二段23的直径尺寸应满足/>并在第一芯棒1和第二芯棒2棒料的两端加工螺纹。
具体的，在第一芯棒1的两端均加工有外螺纹；第二芯棒2的一端加工外螺纹，另一端加工内螺纹，且第一芯棒1与第二芯棒2螺纹连接；其中，当所述第一芯棒1外螺纹的一端与第二芯棒2内螺纹的一端螺纹连接时，第一芯棒1另一端的外螺纹与第二芯棒2的外螺纹规格完全相同(相当于螺纹段3)，且分别与工作过程中芯杆的内螺纹螺纹连接。
或者第一芯棒1的一端加工外螺纹，另一端加工内螺纹；第二芯棒2的一端加工外螺纹，另一端加工内螺纹，且第一芯棒1与第二芯棒2螺纹连接；其中，当第一芯棒1外螺纹的一端与第二芯棒2内螺纹的一端螺纹连接时，第一芯棒1内螺纹的一端连接有螺纹段3，第二芯棒2外螺纹的一端与螺纹段3的规格完全相同；当第一芯棒1内螺纹的一端与第二芯棒2外螺纹的一端螺纹连接时，第二芯棒2内螺纹的一端连接有螺纹段3，第一芯棒1外螺纹的一端与螺纹段3的规格完全相同。
步骤五、盐浴热处理
对步骤四精车后的棒料进行调质热处理(淬火+回火，在淬火和回火设备上进行调质热处理)，其热处理制度为：淬火温度800℃～850℃，保温时间120min～180min，出炉后油冷，淬火过程中保护棒料两端螺纹不淬火；淬火后立即进行回火，以消除淬火应力，回火在油槽中进行，回火温度为250℃～300℃，保温时间120min～180min，出炉后空冷。进一步，盐浴热处理过程中的冷却速度≤20℃/h，热处理后棒料的硬度在60HRC～62HRC之间，且盐浴热处理过程中棒料应竖直悬挂，以保证整支变径芯棒的直线度。
步骤六、研磨
将步骤五盐浴热处理后的第一芯棒1和第二芯棒2的棒料连接，连接后棒料的全长弯曲度应小于0.03mm，并对连接后的棒料进行研磨处理，研磨处理后第一芯棒1的直径尺寸应满足 第二芯棒2中第一段21的直径尺寸应满足/>第二段23的直径尺寸应满足/>研磨处理后变径芯棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm，且研磨处理后变径芯棒应竖直悬挂。
其中，以上步骤中ΦD01为内变径导向管薄壁段A内径，ΦD02为内变径导向管厚壁段B内径。
为了验证本发明的功效，本发明具体进行了如下实施例：
实施例
本实施例轧制的Zr-4内变径导向管的外径均为19mm，薄壁段距离管端的长度1200mm，厚壁段距离管端的长度为200mm，内变径管材薄壁段的内径为17±0.04mm，管材厚壁段的内径为15±0.04mm，内变径过渡段的圆锥顶角为5°，圆锥过渡段的长度为23mm，管材结构形式如图2、3所示。
本实施例核用内变径导向管变径芯棒的加工方法包括以下步骤：
1)选材：本实施例内变径导向管冷轧变径芯棒选择名义直径为19mm的GCr15高碳铬轴承钢锻造+退火的棒材。
2)锯切：第一芯棒1锯切后的长度L1为1215mm，第二芯棒2锯切后的长度L2为405mm，切断后棒材两端按照1×45°进行倒角。
3)粗车：将步骤2)中倒角处理后第一芯棒1和第二芯棒2的棒料进行粗车，在普通车床或数控车床上进行粗车，粗车后的第一芯棒1的直径尺寸应满足第二芯棒2中第一段21的直径尺寸应满足/>第二段23的直径尺寸应满足/>中间过渡段22加工为圆锥顶角5°的圆锥台，且圆锥台的长度为23mm。
4)精车：将步骤3)中得到的粗车棒料在数控车床上进行精车，并按照芯棒图纸加工变径芯棒两端螺纹，第一芯棒1的直径尺寸应满足第二芯棒2中第一段21的直径尺寸应满足/>第二段23的直径尺寸应满足/>中间过渡段22加工为圆锥顶角5°的圆锥过渡段组成，圆锥过渡段长度为23mm。
5)盐浴热处理：将步骤4)中的第一芯棒1和第二芯棒2在淬火和回火设备上进行调质热处理(淬火+回火)，并且在进行盐浴热处理前在两端的螺纹段3安装螺纹套保护螺纹；
具体热处理制度为：淬火温度820℃～840℃，保温时间120min～180min，变径芯棒垂直悬挂在炉内，出炉后油冷；淬火后立即进行低温回火，以消除淬火应力，回火在油槽中进行，回火温度为260℃～270℃，保温时间120min～180min，出炉后空冷。
6)研磨：将步骤5)盐浴热处理后的第一芯棒1和第二芯棒2螺纹连接，连接后的棒料全长弯曲度应小于0.03mm，并无心磨床上对连接后的棒料进行研磨处理，研磨处理后的第一芯棒1的直径尺寸应满足第二芯棒2中第一段21的直径尺寸应满足 第二段23的直径尺寸应满足/>中间过渡段22加工为圆锥顶角5°的圆锥台，且该圆锥台的长度为23mm。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种核用内变径导向管的变径芯棒，其特征在于，所述变径芯棒采用组合拼接式结构，其由第一芯棒(1)和第二芯棒(2)可拆卸连接组成，且连接后两端分别设置有与芯杆连接的螺纹段(3)；
其中，所述第一芯棒(1)的直径与内变径导向管薄壁段(A)的内径相同；
所述第二芯棒(2)由第一段(21)、第二段(23)以及将所述第一段(21)与第二段(23)连接过渡的中间过渡段(22)一体成型，所述第一段(21)与第一芯棒(1)可拆卸连接，且所述第一段(21)的直径与内变径导向管薄壁段(A)的内径相同，所述第二段(23)的直径与内变径导向管厚壁段(B)的内径相同。
2.根据权利要求1所述的核用内变径导向管的变径芯棒，其特征在于，所述第一芯棒(1)与第二芯棒(2)通过螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的核用内变径导向管的变径芯棒，其特征在于，所述中间过渡段(22)为与内变径导向管过渡区(C)相适配的圆锥台结构，且所述圆锥台的长度为3mm～30mm，圆锥顶角为5°～30°。
4.一种变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述加工方法用于加工权利要求1～3任意一项所述的核用内变径导向管的变径芯棒，所述加工方法具体包括以下步骤：
步骤一、选材
选择经锻造、退火处理后的圆钢坯料，且所述圆钢坯料的名义直径ΦD1mm应大于变径芯棒中最大圆柱段的直径；
步骤二、锯切
将步骤一处理后的圆钢坯料按照变径芯棒的长度进行定切，获得第一芯棒(1)和第二芯棒(2)的棒料，并对所述棒料的两端进行倒角处理；
步骤三、粗车
对步骤二倒角处理后的棒料进行粗车，粗车后第一芯棒(1)的直径尺寸应满足第二芯棒(2)中第一段(21)的直径尺寸应满足/>第二段(23)的直径尺寸应满足/>中间过渡段(22)加工为圆锥顶角5°～30°的圆锥台，且所述圆锥台的长度为3mm～30mm；
步骤四、精车
将步骤三粗车后的棒料在数控车床上进行精车，精车后第一芯棒(1)的直径尺寸应满足第二芯棒(2)中第一段(21)的直径尺寸应满足/> 第二段(23)的直径尺寸应满足/>并在第一芯棒(1)和第二芯棒(2)棒料的两端加工螺纹；
步骤五、盐浴热处理
对步骤四精车后的棒料进行调质热处理；
步骤六、研磨
将步骤五盐浴热处理后的第一芯棒(1)和第二芯棒(2)的棒料连接，连接后棒料的全长弯曲度应小于0.03mm，并对连接后的棒料进行研磨处理，研磨处理后第一芯棒(1)的直径尺寸应满足第二芯棒(2)中第一段(21)的直径尺寸应满足/>第二段(23)的直径尺寸应满足/>
其中，ΦD01为内变径导向管薄壁段内径，ΦD02为内变径导向管厚壁段内径。
5.根据权利要求4所述的变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述步骤一中圆钢坯料的材质为GCr15高碳铬轴承钢或H13冷作模具钢。
6.根据权利要求4所述的变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述步骤一中圆钢坯料的名义直径ΦD1mm较变径芯棒中最大圆柱段的直径大2mm～3mm。
7.根据权利要求4所述的变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述步骤四中第一芯棒(1)的两端均加工有外螺纹；第二芯棒(2)的一端加工外螺纹，另一端加工内螺纹，且第一芯棒(1)与第二芯棒(2)螺纹连接；
其中，当所述第一芯棒(1)外螺纹的一端与第二芯棒(2)内螺纹的一端螺纹连接时，第一芯棒(1)另一端的外螺纹与第二芯棒(2)的外螺纹规格完全相同，且分别与工作过程中芯杆的内螺纹螺纹连接。
8.根据权利要求4所述的变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述步骤五中盐浴热处理制度为：淬火温度800℃～850℃，保温时间120min～180min，出炉后油冷，淬火过程中保护棒料两端螺纹不淬火；淬火后立即进行回火，以消除淬火应力，回火在油槽中进行，回火温度为250℃～300℃，保温时间120min～180min，出炉后空冷。
9.根据权利要求4所述的变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述步骤五中盐浴热处理过程中的冷却速度≤20℃/h，热处理后棒料的硬度在60HRC～62HRC之间，且盐浴热处理过程中棒料应竖直悬挂。
10.根据权利要求4所述的变径芯棒的加工方法，其特征在于，所述步骤六研磨处理后变径芯棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm，且研磨处理后变径芯棒应竖直悬挂。
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