核电高压容器强力高效砂带磨削方法及应用研究

摘要

核电高压容器材料本身的难加工特性导致其磨削效率低，成本高，另外加工过程不能添加冷却润滑的特殊要求使得加工过程极易引起表面烧伤及其它表面损伤等不良现象产生，同时这些容器构件体积与重量巨大，磨具需要适应不同空间姿态调整和进给，加之工业发达国家对研发高效砂带磨削装备完成上述核电容器多道磨削工序的方法及其相关工艺参数严格保密与技术垄断，导致我国对核电容器制造过程中涉及上述关键磨削工序均采用人工进行砂轮修磨与抛光，其加工效率和精度都极低，且工人的工作环境极端恶劣和危险程度极大，这些难点严重制约了我国核电装备国产化制造进程。本文从这种现状出发，基于砂带磨削的“万能”和“冷态”特性思路，提出了一种核电高压容器高效磨削工艺方法，研制了新型强力高效砂带磨削自动化加工装备，创新性地提出了基于BP神经网络的核电容器材料高效强力砂带磨削工艺参数预测与优化方法，并将其应用于核电高压容器的高性能磨削，对实现我国核电高压容器国产化制造瓶颈的突破起到了重要作用。
　　 本文主要完成了以下几项工作：
　　 1.阐明了核电高压容器高效磨削所涉及的关键基础问题，搭建了高效强力砂带磨削工艺基础试验平台。同时利用有限元方法建立了强力砂带磨削过程中接触轮与工件接触模型；确立了砂带单颗磨粒切刃切除材料理论模型并开展了强力砂带磨削去除材料试验，探讨了不同磨削参数对核电容器材料去除率的影响，为实现现场磨削参数工艺优选调控提供理论及应用的研究依据。
　　 2.利用现代理化测试分析手段，率先完成了对两种国产核电高压容器典型材料因科镍690合金钢和20Cr-10Ni高效砂带磨削的综合测试分析研究工作。首次明确提出在砂带磨削核电容器材料进入稳定磨损期内磨具磨损形式是磨耗磨损和部分的破碎磨损并存的新观点，这一新观点对正确认识强力砂带磨削过程磨粒磨损的本质及其形成机理具有重要的启示作用。
　　 3.研制了实现核电高压容器强力磨削用的多功能高效磨削自动化装备样机，结合相关单元及辅助装置研制，并利用CAD/CAE手段进行该机系统化结构优化设计。同时为确保该新型磨削加工装备复杂控制功能，开展了高效强力砂带磨削加工装备的相关数控系统开发研究，为后续项目研究实现多坐标联动的高效强力砂带磨削智能控制奠定了完备的机电硬件基础。
　　 4.完成了基于BP神经网络的核电容器材料高效强力砂带磨削工艺参数预测模型建立，重点对因科镍690合金钢的磨削工艺参数进行了预测分析，砂带粒度、砂带速度预、磨头进给速度、磨头施加压力预测值与实测值间的误差均在可接受范围，大大缩短了装备样机进行现场应用磨削调试的时间，其BP工艺预测模型的建立对解决国产核电高压容器磨削工艺现场应用具有重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：注释表

声明

1 概述

1.1核电高压容器特点及其应用

1.2核电高压容器磨削加工的研究现状

1.2.1核电高压容器磨削的主要工艺方法

1.2.2强力高效砂带磨削加工技术研究现状

1.2.3目前研究中存在的问题

1.3本课题的选题背景及意义

1.3.1课题来源

1.3.2课题目的意义

1.4本课题拟开展的主要研究内容

2强力高效砂带磨削核电容器材料加工机理分析

2.1核电容器高效强力砂带磨削工艺基础试验研究思路与方案设计

2.1.1核电高压容器相关材料可磨性能分析

2.1.2高效强力砂带磨削工艺基础试验研究思路

2.1.3高效强力砂带磨削工艺基础试验方案

2.2强力砂带磨削去除材料的机理分析

2.2.1强力砂带磨削过程中接触轮变形分析与选择

2.2.2单颗磨粒切除材料作用过程理论假设

2.2.3强力砂带磨削去除材料试验分析

2.3强力磨削中砂带磨损机理试验与分析

2.3.1砂带磨损试验设计

2.3.2磨削时间对砂带磨损程度的影响规律试验研究

2.4砂带磨削热理论分析

2.5强力砂带磨削表面残余应力分析

2.5.1试验原理和条件

2.5.2磨削过程对残余应力的影响

2.5.3砂带磨削残余应力形成机理

2.6本章小结

3核电高压容器的新型强力高效砂带磨削加工装备的研制

3.1新型强力高效砂带磨削加工装备的总体研制方案

3.2新型强力高效砂带磨削加工装备的结构设计

3.2.1强力高效砂带磨削加工核电容器工艺形式的确定

3.2.2新型强力高效砂带磨削加工装备结构的方案设计

3.2.3新型强力高效砂带磨削加工装备结构的参数化设计与优化

3.2.4新型多功能磨头结构设计

3.2.5磨削装备结构动态特性分析

3.3新型磨削装备控制系统设计

3.3.1新型磨削装备控制系统总体方案设计

3.3.2新型磨削装备的控制系统软件设计

3.4本章小结

4核电高压容器的强力高效砂带磨削加工性能应用研究

4.1实验条件和方法

4.2磨削力研究

4.3磨削温度研究

4.3.1磨削温度测试信号

4.3.2磨削用量对磨削温度的影响

4.3.3试件磨削温度分析

4.4材料去除率与砂带磨粒磨损特性研究

4.4.1测试项目简介

4.4.2磨料种类对材料切除率的影响

4.4.3砂带速度和被加工材料种类对材料切除率的影响

4.4.4磨削深度与磨削时间对材料切除率的影响

4.4.4接触轮硬度与表面形状对材料切除率的影响

4.5砂带磨粒磨损研究

4.5.1砂带磨损的研究

4.5.2磨料种类和结构的影响

4.5.3理论磨削深度的影响

4.5.4材料种类的影响

4.6本章小结

5基于BP神经网络的核电容器材料高效强力砂带磨削工艺参数预测

5.1 BP神经网络模型及基本原理

5.1.1 BP神经网络结构

5.1.2 BP网络学习基本原理

5.2 BP神经网络的设计

5.2.1输入和输出层的设计

5.2.2隐层的设计

5.2.3初始值的选取

5.3磨削工艺参数BP模型建立及预测

5.3.1 Matlab及其神经网络工具箱简介

5.3.2磨削工艺参数BP网络的GUI实现

5.3.2磨削工艺参数BP模型建立及预测

5.4本章小结

6结论与展望

6.1本文主要研究成果及结论

6.2开展后续研究工作的设想

致谢

参考文献

附录