专利名称：Ap1000核电主管道热段弯管的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属切削机械加工工艺，具体涉及一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法。
背景技术：
随着核电的发展，对核电设备的要求不断提高。第三代核电技术——美国西屋公司的AP1000核电站是当前全球最先进的核电站，其功率为100兆瓦，设备的设计使用寿命为60年。主管道是核电站十大主设备之一，是核电站核反应堆一回路的主要部件。主管道将核反应堆的压力容器、蒸发器主泵连接起来组成一个环形回路。核反应堆压力容器产生的热量由介质通过主管道热段传递给蒸发器；冷却后的介质再经过主管道冷段由主泵送回核反应堆压力容器中，形成一个环形的一回路热交换系统。主管道由冷段、热段、过渡段三部分组成，分为直管和弯管。主管道的工作条件是高温(设计温度350°C)、高压(设计压力17MPa)，管道内受到流速为11米/秒介质的冲刷，介质带有高剂量的放射性元素，因此还受到介质的腐蚀。一旦一回路管道发生泄露或破坏事故，造成的危害将不堪设想。根据主管道的工作条件，AP1000主管道的设计原则是尽量减少与反应堆管道相关的焊缝，尽量减少在役检查的工作量，减少工作人员受照射剂量；缩短在役检查的时间， 缩短换料时间，以提高电厂设备可利用率，提高经济效益；反应堆管道无安装“调节段”，其两端直接与反应堆压力容器和蒸汽发生器连接。因此，要求反应堆管道为带有4英寸以上接管嘴的整体锻件，高加工精度，以保证安装过程一次接成功。限于以上设计原则，AP1000 主管道热段弯管的结构为外径尺寸Φ965，内径尺寸Φ785，管壁厚δ = 90mm，弯管弯曲变薄率< 15%，管嘴与管道设计为一体。第一代核电产品的主管道，法国为砂型铸造，材质为CF8M;俄罗斯采用电渣熔铸方法制造弯管，比砂型铸造好。第二代核电产品的主管道，主管道要求锻件采用钢锭锻成长筒体锻件，再机加工成直管(也可采用挤压法生产大口径的无缝管)，利用直管在弯管机上冷弯或高频加热热弯成形。冷弯弯管生产前一定要进行固溶化处理，提高塑性和韧性，防止内应力高，冷弯总变形量要控制在30%以下，要分几次进行。每次之间要做除应力退火或固溶处理。由于冷弯必然使材质产生冷作硬化，弯管小R处应力集中。对于设计要求更高的第三代核电产品，毛坯要求为锻件，直径比之前的AP600加大，长度加长，圆弧的弯曲度56. 4°较大，第一代产品的制造方法不可行，第二代产品的制造方法难以满足要求(甚至不能实现)，目前国际上还没有一家单位能冷弯或热弯出这么大直径的管道，最多也只能弯出大致形状及尺寸，弯好之后还需进行精加工。机床和刀具的选择也是一大难点，必须进行准确的计算，尤其是弯管内侧加工很困难。该管道的加工对于目前国际上的加工技术来说是个挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，它可以对热段弯管进行机加工。为解决上述技术问题，本发明AP1000核电主管道热段弯管的制造方法的技术解决方案为采用卧式数控镗铣床，机床的刀具采用接长刀排，加工包括短直管段、长直管段、 弯管段的弯管，加工过程包括以下步骤第一步，采用镗铣的方式加工直管段；第二步，加工弯管段；工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，加工弯管段的内壁；先加工弯管段的上半椭圆刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分，采用主轴加接长刀排，在保证主轴与孔壁不碰的情况下，先加工短直管段一侧的上半内圆弧的第一区域；然后保证主轴与孔壁不碰，保持主轴的高度不变，加工至最大长度，完成对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域的加工；再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分，加工剩余的上半圆弧，完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三、第四区域的加工；最后加工弯管段的下半椭圆主轴加接长刀排，采用比主轴直径大的刀具，进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工；加工弯管段的内壁的计算方法为已知内孔、中心圆弧的尺寸，以α角为白变量， 根据α角求得轴向深度Hl以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截面尺寸L1、L2、L0，以此推算出上半近似椭圆的长轴ALl = LO-Ll，下半近似椭圆的长轴八L2 = L2-L0，近似椭圆的短轴为管道的内孔半径；根据不同截面的尺寸，数控编程加工出近似椭圆截面，控制截面上半部分过切、下半部分少切的量在误差允许的范围内，实现弯管段内孔的加工。所述截面上半部分过切、下半部分少切的量的误差允许的范围为壁厚士 12. 5%。工序2、弯管段外壁的加工；弯管段外壁为外侧圆弧，采用球刀加接长刀排，切削工件的外侧，实现外侧圆弧的加工。本发明可以达到的技术效果是本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法，进行弯管段内壁的加工，即从变化的椭圆截面中寻找规律，并利用此规律进行弯管的仿型加工，从而实现弯管的机加工，从而解决弯管难以进行机加工的问题。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1为采用本发明对弯管上半圆弧进行机加工的加工区域图；图2为本发明的计算原理图；图3为刀具进入弯管加工的示意图4为弯管段随α变化的截面图；图5为截面线与标准椭圆线的比较图；图6为截面与标准椭圆线的误差示意图。图中附图标记说明α为弯管的不同位置与主轴垂直方向的夹角，Hl为弯管的轴向深度，Ll为弯管的圆弧中心至内侧圆弧的截面尺寸，L2为弯管的圆弧中心至外侧圆弧的截面尺寸，LO为弯管的圆弧中心至中心圆弧的截面尺寸，ALl为上半近似椭圆的长轴，Δ L2为下半近似椭圆的长轴。
具体实施例方式本发明ΑΡ1000核电主管道热段弯管的制造方法，采用Φ200卧式数控镗铣床，机床的刀具采用接长刀排；本发明可以用于加工内径为Φ785，短直管段为1412mm，长直管段为2585. 7mm，弯管段角度56. 4°的热段弯管，如图1所示；Φ 200卧式数控镗铣床机床的特点是主轴可伸长1400mm，方滑枕可伸长1000mm， 方滑枕外接圆尺寸Φ M6，工作台可移动1600mm。由于圆弧内侧向里凹，直管内壁为机床主轴的极限位置，所以刀具必须伸出机床主轴。定义刀具伸出机床主轴的距离为ΔΓ，则机床主轴的直径+2 Δ r <弯管内径艮口 Φ 200) +2 Δ r < Φ 785可以取Ar = 285mm,即加长刀排的半径为沘5讓。加工过程包括以下步骤第一步，采用镗铣的方式加工直管段；镗铣加工方式为现有技术，在此不作赘述。第二步，加工弯管段；工序1、弯管段内壁的加工；加工时，如图1所示，采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，先加工弯管段的上半椭圆(即上半内圆弧)刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分，采用主轴加接长刀排，在保证主轴与孔壁不碰的情况下，先加工至最大范围43. 52°，即短直管段一侧的上半内圆弧的第一区域①；然后保证主轴与孔壁不碰，保持主轴的高度不变，加工至最大长度，完成对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域②的加工；再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分，加工剩余的上半圆弧，完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三区域③、第四区域④的加工；最后加工弯管段的下半椭圆(即下半内圆弧)主轴加接长刀排，采用比主轴直径大的刀具，进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工；如图2所示，已知内孔、中心圆弧的尺寸(根据设计要求确定)，以α角为白变量， 根据α角可求得轴向深度Hl以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截面尺寸L1、L2、L0， 以此可推算出上半近似椭圆的长轴ALl = LO-Ll，下半近似椭圆的长轴AL2 = L2-L0。根据不同截面的尺寸，数控编程即可加工出近似的椭圆截面，实现弯管段内孔的加工。该加工方法的原理如下如图2所示，弯管沿R1429. 3圆弧半径方向的所有截面为相等的环形截面，要加工出此型面，必须使机床主轴沿弯管中心R1429. 3圆弧线运动且与半径方向法向垂直，但是由于管道长度及孔口的限制，这是无法实现的。本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法， 进行弯管段内壁的加工，即从变化的椭圆截面中寻找规律，并利用此规律进行弯管的仿型加工，从而实现弯管的机加工，从而解决弯管难以进行机加工的问题。如图3所示，刀具沿直管段轴心线的方向进入弯管部分，根据弯管与主轴垂直方向不同位置α角所截得的形面为鸭蛋形，如图如至图4g所示，α角越大，鸭蛋形的长度越长；利用标准椭圆来近似该鸭蛋形截面，根据不同α角截得的鸭蛋形截面的长度计算椭圆的长轴，同一截面以两个长轴不等的标准椭圆来近似，保证上半椭圆和下半椭圆的中心均在R1429. 3中心线上，利用数学关系自动计算分离出上下半椭圆长半轴数据， 即上半椭圆长轴为内弧线(R1036.8)至中心(R1429. 3)尺寸、下半椭圆的长轴为外弧线 (R1821.8)至中心(R1429. 3)尺寸，而短轴均为管道内孔尺寸392. 5 (Φ 785/2)不变，如图
至图5g所示。由图6a至图6g可知，在要加工范围内随着α角度的增大，标准椭圆与实际截面的误差越来越大，故截面上半部分过切，下半部分少切。通过控制椭圆度误差在允许的范围之内，计算可加工的最大范围，因加工范围关于56. 4°角平分线对称，故从短段尽可能加工至最大范围，最大长度，以减少长段加工的量。根据设计要求弯管处壁厚为理论壁厚士 12.5%，现以允许的最小壁厚值75mm计算，即士9. 375mm,由截面图知，可将上半圆弧加工至50°左右，下半圆弧加工至将近90°工序2、弯管段外壁的加工；弯管段外壁为外侧圆弧，采用球刀加接长刀排，切削工件的外侧，实现外侧圆弧的加工。外侧圆弧的加工采用现有的机加工方法即可实现。
权利要求
1.一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，其特征在于采用卧式数控镗铣床， 机床的刀具采用接长刀排，加工包括短直管段、长直管段、弯管段的弯管，加工过程包括以下步骤第一步，采用镗铣的方式加工直管段；第二步，加工弯管段；工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，加工弯管段的内壁；先加工弯管段的上半椭圆刀具沿短直管段轴心线的方向进入弯管段部分，采用主轴加接长刀排，在保证主轴与孔壁不碰的情况下，先加工短直管段一侧的上半内圆弧的第一区域；然后保证主轴与孔壁不碰，保持主轴的高度不变，加工至最大长度，完成对短直管段一侧上半内圆弧的第二区域的加工；再让刀具沿长直管段轴心线的方向进入弯管段部分，加工剩余的上半圆弧，完成对长直管段一侧上半内圆弧的第三、第四区域的加工；最后加工弯管段的下半椭圆主轴加接长刀排，采用比主轴直径大的刀具，进入内孔进行下半内圆弧的仿型加工；工序2、弯管段外壁的加工弯管段外壁为外侧圆弧，采用球刀加接长刀排，切削工件的外侧，实现外侧圆弧的加工。
2.根据权利要求1所述的AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，其特征在于所述工序1加工弯管段的内壁的计算方法为已知内孔、中心圆弧的尺寸，以α角为自变量，根据α角求得轴向深度Hl以及圆弧中心至内侧、外侧、中心圆弧的截面尺寸L1、L2、L0，以此推算出上半近似椭圆的长轴ALl = L0-L1，下半近似椭圆的长轴AL2 = L2-L0，近似椭圆的短轴为管道的内孔半径；根据不同截面的尺寸，数控编程加工出近似椭圆截面，控制截面上半部分过切、下半部分少切的量在误差允许的范围内，实现弯管段内孔的加工。
3.根据权利要求2所述的AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，其特征在于所述截面上半部分过切、下半部分少切的量的误差允许的范围为壁厚士 12.5%。
全文摘要
本发明公开了一种AP1000核电主管道热段弯管的制造方法，采用卧式数控镗铣床，机床的刀具采用接长刀排，加工包括短直管段、长直管段、弯管段的弯管，加工过程包括以下步骤第一步，采用镗铣的方式加工直管段；第二步，加工弯管段；工序1、采用上半椭圆与下半椭圆分开加工的方式，加工弯管段的内壁；工序2、弯管段外壁的加工。本发明采用变长轴半椭圆截面行星铣削法，进行弯管段内壁的加工，即从变化的椭圆截面中寻找规律，并利用此规律进行弯管的仿型加工，从而实现弯管的机加工，从而解决弯管难以进行机加工的问题。
文档编号B23P15/00GK102451976SQ20101052476
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者沈尧荣, 田彩红, 邹晔 申请人:上海重型机器厂有限公司