基于超声测厚技术的Zr-4合金管壁厚数控砂带修磨工艺研究

摘要

以锆为基添加其他元素组成的合金，是一类广泛用于核反应堆的难熔金属材料。锆合金具有优良的力学性能，好的可加工性和焊接性。在300～400℃的高温、高压水和蒸汽中,锆合金具有良好的耐蚀性能，热中子吸收截面小和对核燃料相容性好等特性，是理想的核反应堆堆芯结构材料。
　　锆合金管在进入包壳管生产厂之前必须要对其内外表面做相应的处理以达到规定的管材壁厚和表面光洁度。目前国内主要引进国外技术来实现对锆合金管材内表面缺陷的修磨和几何尺寸的精整，但此方法在提高管件壁厚均匀性等几何精度方面的能力有限。锆合金管材的壁厚和外表面精度主要依赖于对外表面的砂带磨削来加以保证。在国内,尽管应用砂带磨削技术的历史较长,但发展迟缓,且锆合金管加工技术和设备长期依赖和受制于国外，一直没有适用于核用精度要求的国产自动砂带磨床。本课题在定心外圆磨削技术的基础上提出采用基于超声波检测技术来实现锆管壁厚的自动修磨。
　　本文以核用Zr-4合金管为研究对象，分别从理论和实验上开展了如下工作：
　　1）针对核用锆合金管及其材料的特性，开展可磨性和砂带磨削可行性分析。
　　2）核用锆合金材料的砂带磨削机理研究。针对难加工材料 Zr-4合金在砂带磨削加工过程中容易出现工件烧蚀、砂带磨粒与工件间发生化学反应造成锆材污染、切屑易燃以及工件表面完整性和表面形貌难以保证等问题，研究材料切除率、砂带磨削磨损以及磨削工艺参数对磨削特性的影响。
　　3）Zr-4合金壁厚规律及数控砂带修磨工艺参数研究。根据挤压及内孔磨削等工艺特点，对修磨前的锆合金管材壁厚分布规律进行研究；针对Zr-4合金管的壁厚分布情况及加工工艺要求，提出一种基于超声测厚技术的数控砂带修磨方法；对磨削策略和磨削工艺参数进行分析，得出合理的砂带修磨工艺参数；通过砂带修磨试验验证砂带修磨方法和工艺的合理性。
　　4)Zr-4合金管材砂带磨削表面质量(主要是光滑过渡和表面粗糙度)的研究。针对Zr-4合金管修磨时易产生“台阶”的难题，开展如下研究：管材外表面不圆滑的产生过程及原因研究；影响Zr-4合金管不圆滑的主要因素的研究；不同砂带组合对Zr-4合金管外表面粗糙度的影响研究。

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1 绪 论

1.1选题的背景及研究意义

1.2国内外现状综述

1.3本课题的来源及研究内容

1.4本章小结

2锆合金管砂带磨削理论及其壁厚规律研究

2.1砂带磨削技术简介

2.2锆合金材料的特性及可磨性分析

2.3锆合金管材局部砂带修磨的可行性分析

2.4锆合金管材壁厚分布规律研究

2.5本章小结

3锆合金材料砂带磨削基础工艺试验研究

3.1工艺基础试验条件和方法

3.2砂带磨削锆合金材料切除率的试验研究

3.3锆合金材料磨削过程中砂带磨损的研究

3.4锆合金材料砂带磨削推荐工艺参数

3.5本章小结

4 基于超声测厚的Zr-4合金管壁厚修磨工艺研究

4.1 Zr-4合金管的磨削特点及加工技术要求

4.2基于超声测厚技术的砂带自动修磨方法

4.3 Zr-4合金管材砂带磨削的工艺路线及修磨策略的分析

4.4Zr-4合金管磨削工艺试验机床和方法

4.5砂带磨削量试验结果及其分析

4.6基于超声测厚的Zr-4合金管数控砂带修磨效果

4.7本章小结

5 Zr-4合金管砂带磨削表面质量研究

5.1 Zr-4合金管材外表面光滑过渡研究

5.2 Zr-4合金管的表面粗糙度试验研究

5.3本章小结

6结论与展望

6.1论文总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目