DE2835161C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Herstellen von radial nach außen weisen­ den Noppen oder dgl. in rohrförmigen Werkstücken.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die formschlüssige Verbindung von Steuerstabführungsrohren mit Brennstabhaltegittern bei der Montage von Kernbrenn­ elementen.

Üblicherweise werden in die Brennstabhaltegitter kurze Rohr­ hülsen eingelötet, die dann zur Aufnahme der Steuerstab­ führungsrohre dienen und jeweils etwa 5 cm nach oben und unten über das Haltegitter hinausragen. Beim Zusammenbau des Brennelements erfolgt nach dem Hindurchführen der Steuerstabführungsrohre durch die eingelöteten Rohrhülsen der Haltergitter die axiale Fixierung der Haltegitter ent­ lang der Steuerstabführungsrohre dadurch, daß oberhalb und unterhalb des Haltegitters, aber noch im Bereich der Länge der Rohrhülsen, sickenartige Noppen durch plastische Ver­ formung des Steuerstabführungsrohrs und der Rohrhülse in diese eingedrückt werden. Dadurch wird jede Rohrhülse form­ schlüssig mit dem aufgenommenen Steuerstabführungsrohr ver­ bunden.

Das Eindrücken der Noppen erfolgt bisher mit Hilfe eines Werkzeugs, das einen in das Steuerstabführungsrohr einzufüh­ renden hohlzylindrischen Werkzeugkörper aufweist, der an seinem einen Ende axial geschlitzt und dadurch in vier Finger gegliedert ist, wobei jeder Finger eine zu seinem freien Ende hin zunehmende Dicke und an seinem freien Ende eine Öffnung zur Aufnahme einer Kugellagerkugel aufweist. Weil aber die Dicke der Finger für eine Fixierung der Kugel nicht ausreicht, muß die Kugel vor jeder Benutzung des Werkzeugs von Hand in den betreffenden Finger eingelegt werden. Durch Einschieben eines konischen Dorns in den Werkzeugkörper werden dann die Kugeln radial nach außen gepreßt, um die Noppen in die Wand des Steuerstabführungsrohr und der Rohr­ hülse einzudrücken.

Die dabei auftretende, nur punktartige Berührung zwischen Dornaußenfläche und den Kugeln erzeugt an der Berührungs­ stelle sehr hohe Hertz'sche Spannungen, die aufgrund der Verschiebebewegung des Dornes eine allmähliche Aushöhlung der wirksamen Dornaußenfläche verursachen.

Nun ist aus der US-PS 10 15 432 ein Werkzeug zum Perforieren von Rohrwänden bekannt, bei welchem ein Werkzeugkörper radial schwenkbare Perforationsfinger aufweist, die an ihrer radial inneren Seite eine nockenartige Steuerfläche aufweisen, die mit einem im Werkzeugkörper axial verschiebbaren konischen Dorn zusammenwirkt. Aber auch bei diesem bekannten Perforations­ werkzeug dürfte beträchtlicher Verschleiß zwischen den Steuerflächen des Dorns und den damit zusammenwirkenden Nockenflächen der Finger auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zum Eindrücken von radial nach außen weisenden Noppen in Rohrwän­ den zu schaffen, das einfach und ohne Handarbeitsaufwand zu handhaben ist sowie sich durch geringen Verschleiß und hohe Standzeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Werkzeug gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen Ausschnitt eines Haltegitters eines Brennelements mit einer Hülse und einem durch diese hindurchverlaufenden Steuer­ stabführungsrohr, das durch radial aus­ wärts ragende, eingedrückte Noppen form­ schlüssig mit der Hülse verbunden ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Axialschnitt durch den Werkzeug­ körper eines Werkzeuges nach der Erfin­ dung in der in Fig. 4 angegebenen Schnittebene III-III,

Fig. 4 eine Stirnansicht des in Fig. 3 gezeig­ ten Werkzeugkörpers,

Fig. 5 einen Axialschnitt in der Schnittebene V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine Ansicht eines Spreizdorns zur Be­ tätigung des in Fig. 3 gezeigten Werk­ zeugkörpers,

Fig. 7 eine Stirnansicht des in Fig. 6 gezeig­ ten Spreizdorns, und

Fig. 8 das Werkzeug innerhalb eines Steuerstab­ führungsrohres während des Eindrückens der Noppen.

Ein typisches Brennelement für Kernreaktoren besteht aus einer Vielzahl von Brennstäben, die mit Hilfe eines Kopf­ teils, eines Fußteils und einer Anzahl von über die Brenn­ elementenlänge verteilten, eierkistenartigen Haltegittern mit gegenseitigen Abständen parallel gehalten werden. Einige der Haltegitterzellen enthalten jeweils eine kurze, dünnwandige Hülse, die an den Haltegitterstreifen befestigt ist. Durch diese Hülsen verlaufen Steuerstabführungsrohre hindurch, die zur Aufnahme der verschiebbaren Steuerstäbe dienen. Da die Werkstoffe der Haltegitter und der Brennstabführungsrohre, z. B. Zircaloy und Inconel, verschieden sind, werden die Hülsen und folglich die Haltegitter mit den Steuerstabfüh­ rungsrohren mechanisch formschlüssig durch das Eindrücken von noppenartigen Ausbauchungen in das Steuerstabführungsrohr und die Hülse jeweils beiderseits eines Haltegitters verbunden, wobei eine plastische Verformung des Werkstoffes stattfindet. Dadurch wird das betreffende Haltegitter starr mit den Steuerstabführungsrohren verbunden und ist auf den Steuer­ stabführungsrohren nicht mehr verschiebbar, wenn im Reaktor­ betrieb hydraulische Kräfte auf das Haltegitter einwirken.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine solche Befestigung eines Steuerstabführungsrohres 16 an einem aus ineinandergreifenden Gitterstreifen 10 bestehenden Haltegitter. Eine Hülse 12 ist jeweils bei 14 durch Hartlöten mit den Gitterstreifen 10 ver­ bunden. Ein Steuerstabführungsrohr 16 und die Hülse 12 sind durch in ihre Wände eingedrückte Noppen 18 mechanisch form­ schlüssig miteinander verbunden.

Das zur Herstellung der Noppen 18 dienende Werkzeug ist in den Fig. 3 bis 7 dargestellt.

Gemäß Fig. 3 ist der Werkzeugkörper 20 hohlzylindrisch und weist miteinander abwechselnd angeordnete Spreizfinger 22 und Stütz­ finger 23 auf, von denen die Spreizfinger 22 radial nach außen gedrückt werden, wenn der in Fig. 6 gezeigte Spreiz­ dorn 24 axial durch den Werkzeugkörper hindurchgezogen wird. Der Werkzeugkörper 20 hat eine Länge von etwa 19 cm, wobei die Spreiz- und Stützfinger 22 und 23 durch Schlitze 26 von­ einander getrennt sind, die sich über etwa zwei Drittel der Werkzeugkörperlänge erstrecken. Bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel sind insgesamt acht Finger vorgesehen.

Jeder Spreizfinger 22 ist an seiner Außenfläche mit einem damit einstückig ausgebildeten Flächenvorsprung 28 versehen, während die zwischenliegenden Stützfinger 23 jeweils gemäß Fig. 5 einen verdickten Teil 32 haben. An ihren freien Enden sind die Spreiz- und Stützfinger 22, 23 jeweils innen und außen mit unter 60° mit Bezug auf die Werkzeugkörperachse verlaufenden Abschrägungen 34 und 36 versehen, wobei noch ein flacher Stirnflächenbereich 38 verbleibt. Dadurch läßt sich einer­ seits der Spreizdorn leicht in den Werkzeugkörper 20 und andererseits das gesamte Werkzeug leicht in ein Steuerstab­ führungsrohr 16 einführen.

Der Spreizdorn 24 hat gemäß Fig. 6 eine langgezogene Tropfen­ form mit einem kugeligen Ende 40. Das andere Ende des Spreiz­ dorns endet in einem mit Außengewinde versehenen Zapfen 42. Der Dorn 24 ist mit acht Außenflächenbereichen versehen, die hinsichtlich Ausdehnung und Gestalt in Anpassung an die Innenflächen der acht Finger des Werkzeugkörpers 20 ausgebildet sind. Jeder zweite dieser Flächenbereiche, der mit 44 be­ zeichnet ist, ist flach und verläuft vom kugeligen Spreiz­ dornende 40 aus unter einem Winkel von 2° gleichförmig einwärts geneigt über etwa zwei Drittel der Spreizdornlänge, wo er in einen Auslauf 45 übergeht, der einen gewissen Abstand vom Gewindezapfen 42 hat. Diese vier flachen, aber konisch zu­ laufenden Flächenbereiche 44 gehen unmittelbar in die kugelig gerundete Fläche des kugeligen Dornendes 40 über, wobei sie gerade vor Beginn der Kugelwölbung enden. Das andere Ende jedes dieser flachen Flächenbereiche 44 bildet eine etwa 2,5 cm lange, von dem Auslauf 45 ausgehende Nut 46, wobei die flache Form der Flächenbereiche 44 aber beibehalten wird, wie aus der Stirnansicht gemäß Fig. 7 hervorgeht, in welcher der Nutgrund im Bereich des Auslaufs 45 als gerade Linie dargestellt ist. Es ist wesentlich, daß diese flachen Flächenbereiche 44 entlang der Dornlänge vom Auslauf 45 aus konisch auswärts verlaufen, bis sie sanft in das kugelige Ende 40 übergehen.

Die flachen Flächenbereiche 44 sind in Umfangsrichtung im Bereich des größten Teils der Spreizdornlänge durch Nuten 48 voneinander getrennt, die in die Dornaußenfläche einge­ arbeitet sind und sich ebenfalls über fast die ganze Länge des Spreizdornkörpers erstrecken. Die vier Nuten 48 enden jeweils mit ihrem einen Ende knapp unterhalb des Beginns der Kugelwölbung des kugeligen Spreizdornendes 40. Da die Nuten 48 radial innerhalb der flachen Flächenbereiche 44 liegen, ist das jeweils in das kugelige Spreizdornende 40 übergehende Nut­ ende mittels eines Werkzeugs hergestellt, das einen Aus­ lauf 50 von maximal 5 mm Länge erzeugt. Aus Fig. 6 geht her­ vor, daß der Nutgrund 52 jeder Nut 48 gewölbt ist, wobei die Nutgrundflächen aller Nuten 48 über ihre gesamte Länge auf einem gedachten Kreiszylinder gleichförmigen Durchmessers liegen. Die Nutgrundflächen gehen daher jeweils in einen Abschnitt 49 über, der am gewindezapfenseitigen Ende des Spreizdornkörpers über die flachen Flächenbereiche 44 über­ steht.

Der Gewindezapfen 42 ist an seinem freien Ende mit einer axialen Gewindebohrung 54 versehen. In diese Gewindebohrung 54 kann eine nicht dargestellte Dornziehvorrichtung einge­ schraubt werden, die zum Hineinziehen des Spreizdorns 24 in den Werkzeugkörper 20 dient, um die erwähnten Noppen 18 in die Wände der Steuerstabführungsrohre 16 und der Hülsen 12 einzudrücken, wie oben beschrieben wurde.

Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, daß die Innenflächen 56 der mit den äußeren Flächenvorsprüngen 28 versehenen Spreiz­ finger 22 im Bereich der äußeren Flächenvorsprünge 28 flach ausgebildet sind und jeweils im wesentlichen die gleiche Breite wie die flachen Flächenbereiche 44 des Spreizdorns 24 haben und mit den letzteren zusammenwirken, wenn der Spreiz­ dorn 24 in den Werkzeugkörper 20 hineingezogen wird. Die Stütz­ finger 23 sind mit gerundeten Innenflächen 58 versehen, die zu den gerundeten Nutgrundflächen 52 des Spreizdornes 24 komplementär sind. Die miteinander zusammenwirkenden ebenen Flächenbereiche und die zueinander komplementär gerundeten Flächenbereiche der Spreiz- und Stützfinger 22, 23 des Spreiz­ dornes 24 erfüllen unterschiedliche Funktionen.

Das Werkzeug wird zusammengesetzt, indem der Spreizdorn 24 mit dem Gewindezapfen 42 voraus in das mit den Fingern versehene Ende des Werkzeugkörpers 20 eingeführt und der Spreizdorn 24 dabei so orientiert wird, daß die jeweils zueinander komple­ mentären Flächenbereiche des Spreizdornes 24 und der Finger­ innenflächen in gegenseitige Zusammenwirkung kommen. Die ge­ rundeten und flachen Flächenbereiche 44 des Spreizdornes 24 gleiten dann auf den damit zusammenwirkenden Flächenbereichen der Finger, wenn der Spreizdorn 24 mittels einer in der Gewinde­ bohrung 54 des Dornes 24 befestigten Dornzieheinrichtung in den Werkzeugkörper 20 hineingezogen wird.

Wenn das Werkzeug in ein Ende eines Steuerstabführungsrohres 16 eingeführt wird, lassen sich die mit den äußeren Flächen­ vorsprüngen 28 versehenen Spreizfinger 22 leicht einwärts in Richtung zu der zylindrischen Außenfläche des Schaftes des Gewindezapfens 42 des Spreizdorns 24 drücken. Hierfür ist genügend Spiel vorhanden, da der Spreizdorn 24 an diesem Ende dünn ist und erst hier seine unter 2° verlaufende konische Erweiterung beginnt. Die Stützfinger 23 können auch in Richtung zu der zylindrischen Schaftfläche einwärts ge­ drückt werden, damit zwischen dem Werkzeug und dem Steuer­ stabführungsrohr 14 genügend Spiel zur Verfügung steht, um das Werkzeug frei axial verschieben und positionieren zu können.

Während der Herstellung der Noppen 18 liegen jedoch die Außen­ flächen der Stützfinger 23 satt an der Innenwandung des Steuerstabführungsrohres 16 an, da dann die gekrümmten Innen­ flächen der Stützfinger 23 mit den entsprechend gekrümmten Außenflächenbereichen des Spreizdornes 24 zusammenwirken, wobei die Verhältnisse so gewählt sind, daß, wenn diese gekrümmten Flächenbereiche miteinander in Zusammenwirkung stehen, das Werkzeug genau in das Innere eines Steuerstab­ führungsrohres 16 hineinpaßt. Da die gekrümmten Nutgrund­ flächen 52 des Spreizdorns 24 im Verlauf der Dornlänge weder konisch einwärts noch konisch auswärts verlaufen, bleiben die Außenflächen der Stützfinger 23 während des Hineinziehens des Spreizdornes 24 in den Werkzeugkörper 20 ständig mit der Innenwandfläche des Steuerstabführungsrohres 16 in Berührung. Dies ist sehr wichtig, da während des Eindrückens der Noppen 12 in das Steuer­ stabführungsrohr 16 und die dieses umfassende Hülse 12 das zwischen benachbarten Noppen 18 befindliche Wandmaterial sich einwärts zur Führungsrohrachse hinzuziehen versucht, wodurch sich der Führungsrohrinnendurchmesser an dieser Stelle verringern und später dann die Verschiebung eines Steuerstabes im Führungs­ rohr 16 behindert oder blockiert würde. Die Stützfinger 23 haben deshalb die Aufgabe, während der Herstellung der Noppen 18 das Wandmaterial des Steuerstabführungsrohres 16 gegen die dieses Material zur Führungsrohrachse hinziehenden Kräfte abzustützen.

Das Werkzeug wird dann weiter in das Steuerstabführungsrohr 16 hineinbewegt, bis sich die Flächenvorsprünge 28 gerade unterhalb eines Haltegitters, aber immer noch im Bereich der axialen Ausdehnung der Hülse 12 befinden. Nach dem genauen Positionieren des Werkzeugs wird der Spreizdorn 24 in den Werk­ zeugkörper 20 hineingezogen. Dabei gleiten die ebenen Flächen­ bereiche 44 des Spreizdorns 24 auf die dazu komplementären ebenen Innenflächen 56 der Spreizfinger 22 auf. Da diese miteinander zusammenwirkenden ebenen Flächenbereiche unter einem Winkel von 2° konisch verlaufen, werden die Spreiz­ finger 22 mit den daran gebildeten Flächenvorsprüngen 28 radial auswärts gegen die Wandung des Steuerstabführungs­ rohres 16 gedrückt, und während der weiteren Spreizdornver­ schiebung werden die Noppen 18 in das Führungsrohr 16 und die Hülse 12 eingedrückt, wobei der ursprüngliche Innendurchmesser des Führungsrohres 16 unverändert erhalten bleibt.

Nach dem Herstellen der Noppen 18 wird der Spreizdorn 24 wieder aus dem Werkzeugkörper 20 herausgezogen, so daß sich die Flächen­ vorsprünge 28 aus den geformten Noppen 18 herausbewegen können und das Werkzeug wieder aus dem Führungsrohr 16 herausgezogen werden kann.

Claims (4)

1. Werkzeug zum Herstellen von radial nach außen weisenden Noppen oder dgl. in rohrförmigen Werkstücken, mit einem in das Werkstück einführbaren rohrförmigen Werkzeugkörper (20), der an seinem einen Ende eine Anzahl axial verlaufender Spreizfinger (22) aufweist, die mit radial auswärts vor­ springenden, den herzustellenden Noppen oder dgl. entsprech­ enden Flächenvorsprüngen (28) versehen und durch einen in dem Werkzeugkörper (20) verschiebbaren konischen Spreizdorn (24) radial nach außen drückbar sind, so daß die Flächenvor­ sprünge (28) entsprechende Noppen in das Werkstück ein­ drücken, wobei das Werkzeug außerdem Flächen zur Abstützung des Rohrinnendurchmessers zwischen den Noppen aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Spreizdorn (24) zu den Innen­ flächen der Spreizfinger (22) komplementäre Außenflächen als Steuerflächen aufweist, daß weiter die Steuerflächen der mit den Flächenvorsprüngen (28) versehenen Spreizfinger (22) eben sind und ihre Spreizung durch Hineinziehen des Spreizdor­ nes (24) in den Werkzeugkörper (20) bewirkt wird, und daß die Flächen zur Abstützung der Rohrinnenwand von weiteren nicht mit Flächenvorsprüngen versehenen Stützfingern (23) gebildet sind, die von zugeordneten Außenflächen des Spreizdornes (24) lediglich abgestützt werden.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizfinger (22) und die Stützfinger (23) abwechselnd ange­ ordnet sind.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Stützfinger (23) und die diesen zu­ geordneten Außenflächen des Spreizdorns (24) im Querschnitt zueinander komplementäre Zylindersegmentflächen sind.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfinger (23) jeweils einen radial verdickten, nach außen über den Umfang des übrigen Werkzeugkörpers überstehenden Stützbereich (32) aufweisen.