AP1000核电稳压器上封头内外球面的精加工方法

摘要

本发明公开了一种AP1000核电稳压器上封头内外球面的精加工方法，包括以下步骤：步骤1、对工件进行找正；步骤2、设定工件的外圆加工基准线；设定两条Z轴基准线作为上下基准线，上下基准线之间的垂直距离为15mm；步骤3、半精加工外球面，并观察黑疤情况，通过下压Z轴上基准线，将黑疤去除90％为止，并刻出最终的Z轴基准线；步骤4、半精加工内球面；步骤5、精加工外球面；步骤6、精加工内球面。采用本发明所制造的AP1000核电稳压器上封头内外球面，不仅能够实现内外球面等厚加工，而且能够保证顶部三个管嘴的精加工余量。本发明能够大大缩短精加工的加工周期，提高效率确保质量，为批量化生产提供有力的工艺技术保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属切削机械加工工艺方法，具体涉及一种AP1000核电稳 压器上封头内外球面的精加工方法。

背景技术

核电产业是新型能源的重头项目。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。AP1000核电站的关键部件，包括压 力容器、蒸汽发生器、稳压器等，其中有许多异形球体结构。而这些关键部件 全部采用整体锻压制造，特别对于热处理后的精加工零件，在加工异形球体的 内外球面时需要保证均匀留量加工，而非单单加工出内外球面即可。

根据ASME标准，要求AP1000核电零件的热处理调质表面余量为19.05mm， 也就是说零件在机加工时，零件各表面的加工余量最大只有19.05mm。但是，零 件经过热处理调质后，本身会发生变形，热处理后的实际状况是可能在某一位 置处由于热处理变形而导致可以加工的余量很少，而非理论状态。如果控制不 好，不仅内外球面的加工余量难以保证，后道工序对上部管嘴的加工也会由于 两种不同特征且又相互关联的几何体位置尺寸在不同时间的不同工序中进行存 在余量的不确定。

目前对于异形球体的制造，一般从冶炼至精加工结束需要8个月左右的加 工周期，考虑到报废重做的因素，加工周期就更为漫长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种AP1000核电稳压器上封头内外球面 的精加工方法，它可以对AP1000核电稳压器上封头内外球面进行精加工。

为解决上述技术问题，本发明AP1000核电稳压器上封头内外球面的精加工 方法的技术解决方案为：

用于对经过热处理的AP1000核电稳压器上封头的内外球面进行精加工，包 括以下步骤：

步骤1、将工件大端朝下放置，对工件进行找正，校准工件的中心；

对工件进行找正的方法如下：

对两个斜管进行找正：分别在两个斜管的外圆安装百分表找正，使用两个 斜管等高对称，百分表的表头空隙误差控制在0～2mm以内；

对外球面进行找正：分多点等高，分别在两个斜管的外侧面对称安装百分 表找正，百分表的表头空隙误差控制在5mm以内。

步骤2、设定工件的外圆加工基准线；设定两条Z轴基准线作为上下基准线， 上下基准线之间的垂直距离为15mm；

具体方法如下：

在下部外圆上擦出一个基准圆，作为外圆的加工基准线；

将千分表吸在刀架上，在的外球面上“碰靠”，将千分表的读数盘清 零，机床坐标Z轴清零；在X方向上移出刀架，Z轴向下移动1140mm理论外球 面落差，并在该位置的外圆上“碰靠”千分表直至读数至零，此时刻一圈0.5mm 深槽在外圆上，作为Z坐标原点的上基准线位置；

在上基准线的下方15mm位置处，同时刻上一圈0.5mm深槽作为Z坐标原点 的下基准线位置。

步骤3、半精加工外球面，并观察黑疤情况，通过下压Z轴上基准线，将黑 疤去除90％为止，并刻出最终的Z轴基准线；

具体方法如下：

在Z轴零点上基准线设Z＝0，X零点以外圆为基准向外移动20mm设 零点，采用机床的半精加工外球面数控程序，半精车外球面；每次加工完一遍 程序后X轴进刀2mm设原点运行外球面的数控程序，直至将外圆基准设到为原点，加工结束；

观察外球面的黑疤状况，黑疤面积在10％以内，就在此Z轴零点位置作为基 准线；如果黑疤面积大于10％，采用X轴原点不变，Z轴零点位置每次向下进刀 1mm，再次运行机床的半精加工外球面数控程序，并观察黑疤情况，直至黑疤面 积在10％以内的Z轴位置刻线作为上基准线，并光出上端面，便于工件翻身后的 找正。

步骤4、半精加工内球面；

步骤4.1、将工件翻身，按已加工的外圆作为基圆找正，校圆；

步骤4.2、光出内球面基准圆及大端端面，并将外球面上的两条Z轴基准线 移植至内基准圆上；

步骤4.3、半精加工内球面，观察黑疤情况，通过下压Z轴下基准线，将黑 疤全部去除为止，并刻出最终的Z轴下基准线；

具体方法如下：

以外部的Z轴下基准线为内部的Z轴零点基准线对刀，内部X轴以内圆为基准向内退10mm，每次X轴进刀2mm，直至将X轴压到基圆上， 采用机床的半精加工内球面数控程序，加工内球面；如果内球面黑疤能够全部 加工出，即可翻身重新加工外球面；反之，则调整Z轴零点位置，使其每次下 压1mm，并观察黑疤的情况，直至完全加工出即可重新刻Z轴的基准线。

步骤5、精加工外球面；

步骤5.1、工件翻身，按已加工外圆找正基准圆；

步骤5.2、采用机床的精加工外球面数控程序，先去除剩余的黑疤；

具体方法如下：先根据Z轴零点上基准线加工外球面，如果外球面无法车 出，则下压Z轴基准线，每次下压0.5mm，完成精加工；观察黑疤情况，在黑疤 完全能够清除的情况下，将Z轴基准线再次往下压0.5mm，完成最终精加工。

步骤5.3、测量壁厚，并与理论数据进行比较，参考得出内球面的加工余料；

步骤6、精加工内球面；

步骤6.1、工件翻身，按已加工外圆找正；

步骤6.2、将外部的Z轴基准线移植至内圆上；

步骤6.3、采用机床的精加工内球面数控程序，以此条Z轴基准线精加工内 球面。

本发明可以达到的技术效果是：

采用本发明所制造的AP1000核电稳压器上封头内外球面，不仅能够实现内 外球面等厚加工，而且能够保证顶部三个管嘴的精加工余量。

本发明能够大大缩短精加工的加工周期，提高效率确保质量，为批量化生 产提供有力的工艺技术保障。

附图说明

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是经过热处理的AP1000稳压器上封头工件的示意图；

图2是对工件进行找正的示意图；

图3是对工件设定加工基准圆及Z轴基准线的示意图；

图4是对工件进行半精加工外球面的示意图；

图5是对工件进行半精加工内外球面的示意图；

图6是对工件进行精加工外球面的示意图；

图7是对工件进行精加工内球面的示意图。

图中附图标记说明：

A为安装百分表进行找正的位置。

具体实施方式

本发明AP1000核电稳压器上封头内外球面的精加工方法，用于对经过热处 理的AP1000核电稳压器上封头的内外球面进行精加工，该AP1000稳压器上封 头工件如图1所示，半球体的顶部中央设置一个顶部管嘴，顶部管嘴两侧对称 设置有斜管，由于其球体与顶部管嘴分属两种不同特征且又相互关联的几何体， 是一种典型的异形半球体；实线表示精加工之前的理论当前形状，虚线表示经 过精加工后的形状。

经过热处理的AP1000核电稳压器上封头的内外球面分布有黑疤，需经过精 加工将其去除。

本发明包括以下步骤：

第一步，划线：

将工件置于划线平台上，垫平工件，划出工件中心十字线，并画出工件的 高度位置线；

第二步，采用6.3米数控立车，对工件进行精加工；

工序一，将机床工作台校水平，校正滑枕的垂直度，以保证机床的加工精 度；

工序二，在旋转台面的四周放置四个垫块，并擦平，将工件大端朝下，放 置于等高垫块上；如图2所示，采用百分表对工件多次打点，进行找正，校准 工件的中心；

找正方法如下：

1、对两个斜管进行找正：分别在两个斜管的外圆安装百分表找正，校两个 斜管外圆，使两个斜管等高对称，百分表的表头空隙误差控制在0～2mm以内；

2、对外球面进行找正：分5点等高，分别在两个斜管的外侧面对称安装百 分表找正，百分表的表头空隙误差控制在5mm以内。

本发明通过上述找正方法，能够将工件外球面(即两个斜管的外侧面)的 余量均匀控制在3～5mm范围内；将三个管嘴的偏移量控制在3mm之内，以保证 管嘴的加工余量均匀，从而减少后续工序的加工难度。

由于热处理后的工件会发生不规则性变形，原先的加工基准已经丧失。本 发明在不同的高度、不同的位置多次打表测量，以保证余料尽量均匀，特别是 斜管嘴处的余量。

工序三，如图3所示，设定工件的外圆加工基准线，同时设定Z轴的15mm 范围的上下基准线；

设定外圆加工基准线的方法如下：

在下部外圆上擦出一个基准圆，作为外圆的加工基准线；

将千分表吸在刀架上，在的外球面上“碰靠”，将千分表的读数盘清 零，机床坐标Z轴清零；在X方向上移出刀架，Z轴向下移动1140mm理论外球 面落差，并在该位置的外圆上“碰靠”千分表直至读数至零，此时刻一圈0.5mm 深槽在外圆上，作为Z坐标原点的上基准线位置。由于理论壁厚余量是单面15mm 余量，因此在上基准线的下方15mm位置处，同时刻上一圈0.5mm深槽作为Z坐 标原点的下基准线位置，使整个加工过程中球面中心的上下偏移量在这15mm范 围内。

由于热处理的关系，球形体一般都会膨胀收缩，导致外表面变形严重，外 部的加工余量也同样变小，只能通过内部的理论余量值进行调整，测量上部球 面至下部球面的高度，确定出一个基准线的范围，这样既能有上下调整的空间， 又可以避免因调整基准位置而无法加工出其余部分的风险。

工序四，如图4所示，半精加工外球面，并观察黑疤情况，通过下压Z轴 上基准线，将黑疤去除90％为止，并刻出最终的Z轴基准线；

具体方法是：

在Z轴零点上基准线设Z＝0，X零点以外圆为基准向外移动20mm设 零点，采用机床的半精加工外球面数控程序，半精车外球面。每次加工完一遍 程序后X轴进刀2mm设原点运行外球面的数控程序，直至将外圆基准设到为原点，加工结束。观察外球面的黑疤状况，黑疤面积在10％以内，就在此Z轴 零点位置作为基准线；如果黑疤面积大于10％，采用X轴原点不变，Z轴零点位 置每次向下进刀1mm，再次运行机床的半精加工外球面数控程序，并观察黑疤情 况，直至黑疤面积在10％以内的Z轴位置刻线作为上基准线，并光出上端面，便 于工件翻身后的找正。测量壁厚，实测数据与理论数据进行比较，保证加工余 量。

2)光平小端外圆及端面。

工序五，如图5所示，半精加工内球面；

1、将工件翻身，小端平面置于等高平面，按已加工的外圆作为基圆 找正，卡爪适当带紧，垫平小端端面；

工件以5～10转/min的速度正转2分钟，急停；反转2分钟，急停。重新 校圆，同时调整卡爪，并且按此方法反复校调，直至工件外圆与卡爪服帖为止。

2、光出内球面基准圆及大端端面，并将外球面上的两条Z轴基准线 移植至内基准圆上；

3、半精加工内球面，观察黑疤情况，通过下压Z轴下基准线，将黑疤全部 去除为止，并刻出最终的Z轴下基准线；

以外部的Z轴下基准线为内部的Z轴零点基准线对刀，内部X轴以内圆为基准向内退10mm，每次X轴进刀2mm，直至将X轴压到基圆上， 采用机床的半精加工内球面数控程序，加工内球面。如果内球面黑疤能够全部 加工出，即可翻身重新加工外球面；反之，则调整Z轴零点位置，使其每次下 压1mm，并观察黑疤的情况，直至完全加工出即可重新刻Z轴的基准线。完成后 按图5测量壁厚，保证底部厚度＞85mm即可。

虽然在工序三中已经确定了调整范围，但无法估量确切的调整位置，只能 通过不断的调整加工尺寸，一步步地向两条边界基准线“逼近”，即采用“整体 迫近式”，同时观察实际加工状况，来判断后续的加工基准。

4、去除外基准圆上的Z轴下基准线，将内基准圆上的Z轴下基准线重新移 植至外基准圆上。

工序六，如图6所示，精加工外球面；

1、工件翻身，按已加工外圆找正基准圆，垫平大端端面；

2、采用机床的精加工外球面数控程序，先去除剩余的黑疤；

由于Z轴零点上基准线即为原理论参考的Z轴基准线，因此先根据此基准 线加工外球面，如果外球面无法车出(既黑疤仍有保留)，则下压Z轴基准线， 每次下压0.5mm，完成精加工；

观察黑疤情况，在黑疤完全能够清除的情况下，将Z轴基准线再次往下压 0.5mm，完成最终精加工，保证外球面的表面粗糙度达到Ra3.2。

3、测量壁厚，并与理论数据进行比较，参考得出内球面的加工余料，以保 证加工的准确性；

4、去除其余基准线，只保留外球面最终精加工状态时的Z轴基准线，并在 小管嘴的外圆上刻出总高线及上部可加工的可加工区域。

工序七，如图7所示，精加工内球面；

1、工件翻身，按已加工外圆找正，垫平小端端面；

2、抹去内部的两条Z轴基准线，将外部唯一的Z轴基准线移植至内圆上；

3、采用机床的精加工内球面数控程序，以此条Z轴基准线，精加工内球面， 保证内外球面同心；并通过测量最终壁厚，以保证图纸尺寸。

即留1mm余量时，用测厚仪测下厚度，确保加工余量与理论值的误差在0.3mm 范围内即可完成最后的精加工。

本发明通过工序四、工序五，基本能控制出最终的基准位置的范围内，但 是为了保证外部剩余部分的加工余量，尽量把基准位置向上基准线靠拢，可以 避免两个后续加工的问题：1、保证斜管嘴加工余量的均匀；2、尽量减少外部 剩余球面的加工余量，从而可以减少一部分加工工时。

本发明采用“整体迫近式”加工方法，对AP1000核电稳压器的异形半球体 上封头的内外球面进行精加工。在易变性方面，由于在热处理余量确定以后， 几何体在处理过程中的变形量随着尺寸的大小而变化，几何尺寸大变形量就越 大；另外，变形量大小随着零件壁厚的大小而变化，壁厚薄的变形量越大。因 此，对于本零件球体部分的几何尺寸明显要比上部三个管嘴大得多，球体部分 壁厚要比管嘴壁厚小的多。另外，在异构件主次特征方面，球体表面面积在零 件中占极大部分，表面面积越大，对分布表层的加工余量的依赖度就越高，而 实际上热处理变形恰恰不能满足这种要求。因此，只要首先解决余量分布状况 差的球体内外表面加工，并确定这时的球体中心保证以后加工上部管嘴时它们 有足够的余量。

本发明依据整体逼近思路，实现“整体迫近式”工艺方法，能够实现异形 体的精加工。