JP4248951B2

JP4248951B2 - 板状部材の加工方法

Info

Publication number: JP4248951B2
Application number: JP2003181461A
Authority: JP
Inventors: 憲治菅井
Original assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2005017085A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば原子炉で用いられる核燃料集合体の支持格子を形成するストラップ等のスリットを形成した板状部材の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば軽水炉の原子炉に使用される核燃料集合体は、上部ノズルと下部ノズルの間に複数の支持格子が所定間隔で配設され、計装用管及び複数の制御棒案内管が各支持格子と上部ノズル及び下部ノズルにそれぞれ固定され、更に各支持格子のセルに燃料棒が挿入されて構成されている。例えば下記特許文献１では、各支持格子は、薄板帯状の複数のストラップを直交させてスリット同士を嵌め合わせることで格子状に組み込んで製作している。各ストラップはその長手方向に沿って複数のスリットを所定間隔で配列し、各スリット間の壁面はセルを形成するための壁面をなしている。
ストラップの材質として、従来はインコネル合金が採用されていたが、近年、ジルカロイ合金が採用されてきている。ジルカロイ合金を用いてストラップを製作する場合、ジルカロイ合金はインコネル合金よりも強度が劣るために板厚を厚くする必要があった。その場合でも、原子炉の運転を制御する制御棒の寸法は、制御棒案内管やスリーブ等の他の部材の寸法を変更できないことから、従来設計と共通であることを要求されている。
【０００３】
ところで、ジルカロイ合金でもインコネル合金でも、制御棒案内管挿入用のシンブルセルでは制御棒案内管の挿通をガイドするスリーブをセルの上下に溶接しているが、ストラップをジルカロイ合金で製造すると板厚が増大するために、ストラップを支持格子として組み立てた際に各セル内の面積がインコネル合金を使用した場合よりも小さくなる。そのために、制御棒案内管をセル内に嵌挿するためにストラップの４つの壁面を外側に略円筒状に湾曲させている。このように面積の狭いセル内にインコネル合金製支持格子で用いたものと同一寸法のスリーブや制御棒案内管を装着している。
ストラップは、板状部材を上部金型と下部金型とで打ち抜いて製作している。板状部材を上下部金型で打ち抜いてストラップを製作するストラップ加工方法については下記特許文献２等に開示されている。通常、スリットは全長に亘ってストラップの板厚と同等の幅を有するように形成される。
【０００４】
【特許文献１】
特公平８−３０７４８号公報
【特許文献２】
特公平５−１０９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ストラップを特許文献２等の加工方法を用いて金型で打ち抜いて製作する場合、シンブルセル用の壁面において湾曲加工を完全に一様に製作できなかった。そのため、板状部材を打ち抜いてストラップを製作すると、スリットは内奥部に対して開口部の幅が狭くなったり広くなったりする不具合が生じることがあった。特にシンブルセル用の壁面の両側に形成されたスリットは、他のセル用壁面に設けたスプリング部が形成されないために、開口部が狭くなるという不具合が顕著であった。
そのため、開口部がストラップの板厚よりも狭くなったスリットは他のストラップのスリットと嵌め合わせることができず、支持格子の組み立てができないという欠点があった。
このような場合、図９に示すように打ち抜き製作したストラップ５０に対してスリット５１の開口部とは反対側の長辺の端縁を支点として第一のピン５２を当接させ、キー窓を力点として第二のピン５３を当てる。そして、第二のピン５３に荷重を与えて第一のピン５２を支点としてスリットを広げるようにストラップを湾曲させることで、スリットの開口部を広げる矯正作業を作業員が行っていた。
しかしながら、このようなピン形式によるストラップの矯正は手間がかかり、また作業スペースと多くの治具を必要とするためストラップ完成まで時間がかかりコスト高になるという欠点があった。
本発明は、このような課題に鑑みて、簡単且つ容易にスリットの開口部の幅を矯正できるようにした板状部材の加工方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による板状部材の加工方法は、薄板帯状の板状部材を金型で打ち抜いて前記板状部材の長手方向に直交する短手方向の一端の外部に開口する開口部から前記短手方向中央部である底部まで延びるスリットを形成した後に、前記スリットの底部と該スリットの延長線上に設けた貫通孔の窓部との間の壁面の板厚部分を打撃領域として叩くことで前記スリットの開口部の幅を広げるようにしたことを特徴とする。
金型による打ち抜き加工のひずみ等によりスリットの開口部の幅が底部よりも狭く形成された場合、スリット底部と窓部との間の壁面を打撃領域として叩くことで、打撃領域を中心としてスリットを外側に広げることができ、スリット開口部の幅を矯正できる。
【０００７】
また、打撃領域はスリットの長手方向に沿う中心線に対して対称な領域であるようにしてもよい。
対称な打撃領域を叩くことで、スリットの開口部や両側縁部を左右均等に広げることができる。
また、板状部材は核燃料集合体の支持格子を形成するストラップであり、ストラップは支持格子の各セルを形成する短手方向に延びるセル用の壁面が長手方向に沿って連続して配列され、各壁面は短手方向の一端から延びるスリットで仕切られており、壁面には短手方向に延びるスプリング部が打ち抜きで設けられ、打撃領域はスプリング部を設けない壁面の両側に形成したスリットの底部とキー挿入用の窓部との間に設けられていることを特徴とする。
シンブルセル用壁面等の壁面はスプリング部を形成するための打ち抜きがなく壁面が連続するために、打ち抜き加工時に応力でスリット開口部の幅が狭められ易いが、打撃領域を叩くことで矯正できる。
また、打撃領域はスリットと窓部から離間していてもよい。
パンチ等の打撃手段で板状部材の打撃領域を叩く際に、打撃領域がスリットと窓部に重ならないようにすることで、スリットや窓部に変形等が発生するのを防止できる。
【０００８】
尚、スリットの延長線上であってスリット底部近傍部分を第一打撃領域とし、スリット開口部と反対側の板状部材端部を第二打撃領域としてもよい。スリットの開口部の幅を広げる場合には第一打撃領域を叩き、開口部の幅を狭める場合には第二打撃領域を叩くことで、スリットの開口部の幅を矯正でき、スリットの全長に亘る幅を一様に矯正できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図４に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態によるストラップの平面図、図２は図１に示すストラップのシンブルセル用壁面部分の拡大図、図３はスリットとキー窓の間の打撃領域を打撃する打撃手段を示す分解要部斜視図、図４はストラップ加工工程を示す工程図である。
図１及び図２において、本実施の形態による支持格子組み立て用のストラップ１０は薄板帯状を呈しており、例えばジルカロイ２やジルカロイ４等のジルカロイ合金で構成されている。このストラップ１０はその長手方向に沿って支持格子の各セルを形成するセル用壁面１１が連続して配列されており、各セル用壁面１１は長手方向に略直交する短手方向の一端（図では下端）から短手方向中央部まで延びる略直線状の切り欠けをなすスリット１２で仕切られている。スリット１２は基本的には全長に亘ってストラップ１０の板厚ｈ′より若干広い基準値ｈ（＞ｈ′）程度の寸法に形成されている。
各セル用壁面１１は、その短手方向中央部に両側部を打ち抜かれて壁面１１に対して略台形状に突出するスプリング部１３が形成され、このスプリング部１３は短手方向に延びて形成されている。そして、スプリング部１３の上下両側には長手方向に沿って両側部を打ち抜かれた一対のディンプル１４、１４が突出して形成されている。各ディンプル１４はスプリング部１３とは反対方向に突出している。このような構成を備えたセル用壁面１１が、スリット１２に仕切られてストラップ１０の長手方向に順次配列されている。
【００１０】
そして、ストラップ１０の長手方向に配列されるセル用壁面１１の間には所定間隔でシンブルセル用壁面１１ａが設けられている。シンブルセル用壁面１１ａには一対のディンプル１４、１４が設けられているが、スプリング部１３は形成されていない。そのため、この壁面１１ａにおいてディンプル１４、１４間の領域は穴のない無垢の板状で、ディンプル１４と同一方向に円筒周面状に突出した湾曲部１５が形成されている。
またストラップ１０において、短手方向に延びるスリット１２の外部に開口する一端を開口部１２ａとし、ストラップ１０の短手方向に切り込みが終了する内奥部を底部１２ｂとして、底部１２ｂから各スリット１２の延長上で短手方向に離間した位置には例えば略四角形状のキー窓１６が穿孔されている。このキー窓１６はストラップ１０の長手方向にはスプリング部１３と交互に配列され、シンブルセル用壁面１１ａでは湾曲部１５を挟んで配列されている。シンブルセル用壁面１１ａを挟む両側のスリット１２の底部１２ｂとキー窓１６との間の板厚部は第一打撃領域１７（打撃領域）を構成している。
第一打撃領域１７は、打撃時に変形を防ぐために、キー窓１６とスリット１２の両方から離間していることが好ましい。第一打撃領域１７はストラップ１０が打ち抜き形成された状態でスリット１２の底部１２ｂの幅ｈに対して開口部１２ａの幅Ｈが狭い場合に、開口部１２ａの幅を広げるよう矯正するのに用いられる。
【００１１】
次に図３は第一打撃領域１７の打撃手段２０を示す要部斜視図である。図中、上部金型と下部金型で型抜き成形されたストラップ１０に関して、スリット１２の開口部１２ａが狭くなるのはシンブルセル用壁面１１ａの両側のスリット１２だけであるから、これらスリット１２の延長線上に位置する第一打撃領域１７を予め設定し、図示しない制御手段にメモリしておく。
そして、金型で型抜き成形されたストラップ１０について、金型内にはストラップ１０をキー窓１６と第一打撃領域１７を囲んで下部金型に押しつけて位置決めするストリッパ２２がストラップ１０に対して進退可能に設けられている。ストリッパ２２の内部にはキー窓１６とスリット１２との間の第一打撃領域１７を叩くパンチ２４が設けられている。このパンチ２４はストリッパ２２の内面にガイドされて進退する。
パンチ２４で叩く第一打撃領域１７は同種のストラップ１０を打ち抜いて各スリット１２の開口部１２ａの幅Ｈを予め測定して、例えば、開口部１２ａの幅の基準値ｈに対して誤差が±４．５％の許容範囲を超えたものについて、そのスリット１２の開口部１２ａの幅Ｈの誤差を基準値ｈに対して−４．５％〜＋４．５％（０．９５５ｈ〜１．０４５ｈ）の範囲内に矯正することが必要なものと認定する。矯正後にスリット１２の開口部１２ａの幅Ｈが基準値ｈに対し０．９５５ｈ未満であると板厚ｈ′以下になるため、スリット１２を他のストラップ１０に嵌合させることができない。また、１．０４５ｈを越えると板厚ｈ′に対して開口部１２ａが広がりすぎて嵌合状態でスリット１２と他のストラップ１０との嵌合部に隙間ができてしまい、嵌合強度を得られない。
【００１２】
特に、本実施の形態では、シンブルセル用壁面１１ａはスプリング部１３を設けないために、打ち抜き後のスリット１２の開口部１２ａの幅Ｈは下限値０．９５５ｈより小さくなってしまう。この矯正すべきスリット１２の位置を予め設定し、基準値ｈに対する誤差が±４．５％許容範囲内に入るようにパンチ２４の打撃強度や打撃回数を予め設定しておくものとする。
また、第一打撃領域１７は下部金型内の平面上に位置しており、第一打撃領域１７がスリット１２の中心線Ｏに対して両側が略線対称になるように均等な領域を設定する。パンチ２４で叩いて打撃領域１７の板厚を薄くし、その応力によってスリット１２の周囲がわずかに略扇形に外側に広がるために、スリット１２の開口部１２ａを底部１２ｂと同等程度に拡幅することができる。
このようにしてストラップ１０の各スリット１２の幅を基準値ｈに対して許容誤差−４．５％〜＋４．５％の範囲内に広げて収めることができる。
【００１３】
次に本実施の形態によるストラップ１０の加工方法について図４に示す工程図に沿って説明する。
本実施の形態によるストラップ１０の加工方法は、板厚ｈ′を有するジルカロイ合金からなる原料板材を、例えば上記特許文献２に記載された加工方法を用いて打ち抜き加工する。先ず原料板材をストラップ加工装置に供給して金型まで搬送して、上部金型と下部金型で所望のストラップ形状に打ち抜く（工程１０１）。打ち抜きによってストラップ１０は図１及び図２に示すように塑性変形して成形される。
得られたストラップ１０は、各セル用壁面１１、１１ａが長手方向に配列して形成され、しかも各隔壁１１、１１ａの境界にはそれぞれスリット１２が略等間隔に形成されることになる。この場合、特にシンブルセル用壁面１１ａにはディンプル１４、１４を除いて短手方向上端から下端まで湾曲部１５が形成されるために、その両側のスリット１２、１２は底部１２ｂに対して開口部１２ａの幅が基準値ｈよりも狭くなっている。
【００１４】
次に、図３に示すように、ストラップ１０のシンブルセル用壁面１１ａの両側のスリット１２、１２の延長線上に位置するキー窓１６、１６の周囲にストリッパ２２を降下させて押しつけ、下部金型の平板部分との間で挟持する。そしてストリッパ２２の内側でパンチ２４をストリッパ２２の内面に沿って降下させることで、スリット１２とキー窓１６との間の第一打撃領域１７を叩く（工程１０２）。これによって打撃領域１７は展延されて板厚が薄くなるため、スリット１２が開口部１２ａを広げる方向に左右両側に開くことになる。
そして、スリット１２の開口部１２ａの幅Ｈの誤差を基準値ｈの±４．５％の許容範囲内に矯正した時点で打撃を終了する。
パンチ２４でストラップの第一打撃領域１７を叩く場合、複数の第一打撃領域１７を同時に叩いてもよいし、長手方向にそって１つづつ叩いてもよい。
【００１５】
上述のように本実施の形態によれば、打ち抜いたストラップ１０の各スリット１２の幅を基準値ｈに対して許容誤差−４．５％〜＋４．５％の範囲内に収めるよう打撃で矯正できるから、他のストラップ１２のスリット１２と確実に嵌合させて格子状に組み合わせることができる。そのため、従来のようにピン形式でストラップに支点と力点を設けて力点に荷重をかけて強制的に矯正する方法と比較して、金型によるストラップ１０の打ち抜き加工に続いてパンチ２４による第一打撃領域１７の打撃だけで矯正できるため、簡単且つ容易にスリット１２の開口部１２ａの幅Ｈを矯正でき、矯正コストを低廉にできる。
【００１６】
尚、金型による打ち抜き加工によって一部のスリット１２の開口部１２ａの幅Ｈが底部１２ｂに対し広がりすぎて１．０４５ｈ（誤差４．５％）以上大きくなることもある。このような場合には、図５に示すように、当該ストラップ１２の中心線Ｏの延長線上であって、スリット開口部１２ａに対し短手方向反対側の端部近傍に第二の打撃領域２６を設け、打撃手段２０を配置してパンチ２４で叩けばよい。第二の打撃領域２６をパンチ２４で叩くことによってこの打撃領域２６が長手方向両側に広がり、その応力によってスリット１２の開口部１２ａが狭まる方向に応力が働き、開口部１２ａの幅Ｈは基準値ｈに対し許容誤差±４．５％以内に縮幅されることになる。
【００１７】
次に本実施の形態によるストラップの加工方法について行った試験を説明する。
金型で打ち抜いたストラップ１０は図１に示すものとし、スリット１２は全部で例えば１６個設け、図中左側から順次Ｎｏ．１，２，…１６と番号を付けて特定する。Ｎｏ．３，４とＮｏ．１３，１４はシンブルセル用壁面１１ａの両側に位置するスリット１２である。
試料として、打ち抜いたストラップ１０の第一打撃領域１７に打撃を加えることで板厚ｈ′が２．６％小さくなったものを実施例１、同じく４．８％小さくなったものを実施例２とする。また、金型で打ち抜いただけで打撃を加えないストラップ１０を比較例とする。
実施例１と２では、シンブルセル用壁面１１ａを挟むＮｏ．３と４、そしてＮｏ．１３と１４の各スリット１２の延長線上の第一打撃領域１７をパンチ２４で叩いた。
そして、得られた実施例１，２、比較例の各ストラップ１０について、Ｎｏ．１乃至１６の各スリット１２の開口部１２ａの幅を測定し、基準値ｈとの比をとると表１に示すようになった。
【００１８】
【表１】

【００１９】
表１のデータをグラフ化すると図６に示すようになった。図６から、ストラップ１０を金型による打ち抜きだけで製作した比較例の場合、シンブルセル用壁面１１ａを挟むＮｏ．３と４、そしてＮｏ．１３と１４の各スリット１２について開口部１２ａの幅Ｈが許容範囲の下限値より小さかった。そのため、比較例ではストラップ１０を互いに嵌合させることは困難である。
これに対し、実施例１及び２ではいずれもスリット１２の開口部１２ａの幅Ｈを許容誤差範囲±４．５％内に矯正することができたため、ストラップ１０を互いに嵌合させて支持格子を組み立てることができることを確認できた。このデータから、第一打撃領域１７の板厚ｈ′を打撃によって板厚の減少率を４．８％以下にすることで開口部１２ａの幅Ｈを矯正できることになる。
尚、図７は、パンチ２４で叩いた第一打撃領域１７の板厚の厚み減少割合とスリット開口部１２ａの幅Ｈの増大割合を示す図である。実施例１の場合、第一打撃領域１７の板厚ｈ′を２．６％減じることで、開口部１２ａの幅Ｈを基準値ｈの１．８〜２．８％の範囲で広げることができる。実施例２の場合、同じく第一打撃領域１７の板厚ｈ′を４．８％減じることで、開口部１２ａの幅Ｈを基準値ｈの３．０〜４．３％の範囲で広げることができる。
また図８は、パンチ２４で叩いた第一打撃領域１７の板厚ｈ′の減少割合と１６個のスリット開口部１２の幅Ｈの変化量の平均値との関係を示す図である。図８において、板厚を２．６％低減させた場合、スリット開口部１２ａの幅Ｈの変化量の平均値は０であり、板厚を４．８％低減させた場合、変化量の幅Ｈの平均値は０．２％増大した。このことから、平均値で見ると実施例１ではスリット開口部１２ａの幅Ｈは変化せず、実施例２ではスリット開口部１２ａの幅Ｈは平均０．２％増大したに留まっている。そのため、打撃によるストラップ１０の長手方向全長に与える影響は極めて小さいものであるといえる。
【００２０】
尚、本発明は、支持格子のストラップに配列したスリットの幅の矯正に限定されることなく、打ち抜きで製作する各種の板状部材のスリット幅を矯正する方法に広く用いることができる。
また、上述の実施の形態では、ストラップ１０の打撃は打ち抜き終了後に金型内で行うこととしたが、これに限定されることなく金型から外して別の場所で打撃加工してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る板状部材の加工方法は、板状部材の打ち抜き時に生じるスリットの開口部の変化を打撃によって矯正でき、従来の矯正方法と比較して、金型による板状部材の打ち抜き加工後に簡単且つ容易に矯正でき、スペースをとらず矯正コストを低廉にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に用いるストラップの平面図である。
【図２】図１に示すストラップのシンブルセル用壁面の部分拡大図であってスリットの開口部を広げる打撃領域を示す図である。
【図３】パンチによるストラップの打撃工程を説明する斜視図である。
【図４】本実施の形態によるストラップの加工方法を説明する工程図である。
【図５】スリットの開口部を狭める打撃領域を示すストラップの平面図である。
【図６】本発明の実施例と比較例によるスリットの開口部の幅とスリットとの関係を示すグラフである。
【図７】ストラップの叩き量とスリット開口部の幅の変化量との関係を示す図である。
【図８】ストラップの叩き量とスリット開口部の幅の平均変化量との関係を示す図である。
【図９】従来のストラップにおけるスリット開口部の幅の矯正方法を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ストラップ（板状部材）
１１壁面
１１ａシンブルセル用壁面
１２スリット
１２ａ開口部
１６キー窓
１７第一打撃領域（打撃領域）
２４パンチ（打撃手段）

Claims

薄板帯状の板状部材を金型で打ち抜いて前記板状部材の長手方向に直交する短手方向の一端の外部に開口する開口部から前記短手方向中央部である底部まで延びるスリットを形成した後に、前記スリットの底部と該スリットの延長線上に設けた貫通孔の窓部との間の壁面の板厚部分を打撃領域として叩くことで前記スリットの開口部の幅を広げるようにした板状部材の加工方法。
前記打撃領域はスリットの長手方向に沿う中心線に対して対称な領域であることを特徴とする請求項１に記載の板状部材の加工方法。
前記板状部材は核燃料集合体の支持格子を形成するストラップであり、前記ストラップは支持格子の各セルを形成する短手方向に延びるセル用の壁面が長手方向に沿って連続して配列され、各壁面は短手方向の一端から延びる前記スリットで仕切られており、前記壁面には短手方向に延びるスプリング部が打ち抜きで設けられ、前記打撃領域はスプリング部を設けない前記壁面の両側に形成したスリットの底部とキー挿入用の前記窓部との間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の板状部材の加工方法。
前記打撃領域は前記スリットと窓部から離間していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の板状部材の加工方法。