陳仲權

燃料組件方形斜筋防異物板制造檢驗工藝研究

陳仲權

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000）

采用電火花和加工中心為主要設備加工方形斜筋防異物板。研究了不同工藝流程對工件變形的影響，確定了工藝流程。設計了數(shù)控銑削夾具和電加工夾具，分析了單電極和組合電極對加工效率和加工成本的影響，確定了粗精電加工參數(shù)。采用三坐標和影像測量儀檢驗方形斜筋防異物板來保證其加工的準確性，從設備精度、自動化程度、檢測效率等方面考慮，對兩種檢測方法進行數(shù)據(jù)分析和比較，確定了檢測方法。最終確定了方形斜筋防異物板的制造檢驗工藝。

燃料組件；方形斜筋防異物板；制造工藝

方形斜筋防異物板是核燃料元件的關鍵部件，其產(chǎn)品質量對核燃料元件結構的可靠性、核電站的安全運行起著至關重要的作用。

目前AFA3G工程使用的防異物板因數(shù)量大、批量制造困難，所以依賴法國進口，其價格昂貴，公司每年派人去驗收既耗人力又耗時間，因此很有必要進行國產(chǎn)化研究。先導燃料組件需要的防異物板數(shù)量小，能以目前的設備完成研制，改善依賴進口的局面，進一步完善防異物板制造技術和檢驗技術[1]。

1 方形斜筋防異物板結構

如圖1所示，方形斜筋防異物板結構十分復雜，由24個導向管孔、4個銷釘孔和1個中心孔，及五種類型共計2132個方形流水孔構成。

圖1 方形斜筋防異物板的結構示意圖

其中，24個導向管孔和1個中心孔的位置度要求為0.2 mm；4個銷釘孔的直徑要求為5.1+0.018mm，位置度要求為0.05 mm，精度要求高。2132個方形流水孔尺寸均為□3.2±0.15 mm，筋條厚度為0.45±0.15 mm，尺寸小，加工易變形。該2132個方形流水孔分別構成A、B、C、D、E五種共28塊圖案，另外，流水孔數(shù)量大，加工和檢測時間都比較長。

2 研究過程

2.1 工藝難點分析[2]

方形斜筋防異物板的原材料是220 mm×220 mm×3 mm的薄板，厚度3 mm是最終尺寸，不用加工，來料為固溶態(tài)，最終產(chǎn)品需進行時效硬化處理。時效熱處理會提高材料的硬度不利于機械加工，也會使工件變形，所以必須放在前面。

該工件屬于薄壁件，不能以四方為裝夾基準，在這里先加工24個導向管孔作為后續(xù)的精加工基準，再加工銷釘孔和方形流水孔等其他。

該工件銷釘孔間距很大，為196 mm，且位置度和孔徑要求較高，必須考慮時效熱處理和電火花加工對其的影響。

流水槽的筋寬僅為0.45±0.15 mm，加工容易變形；方形流水孔數(shù)量大，加工和檢測時間長，需選擇合理的加工和檢查方法。

2.2 制造工藝的確定[3-4]

在制造工藝中，需要考慮的是數(shù)控銑削加工、電火花加工和檢測方法的問題。數(shù)控銑削的有24個導向管孔和1個中心孔、4個銷釘孔以及四方尺寸；電火花加工方形流水孔。如果數(shù)控銑削全部加工完成后再電火花加工，會存在電火花加工變形對銷釘孔孔徑和位置度的影響；如果拆分數(shù)控銑削加工，先導向管孔，再電火花加工，最后銷釘孔加工，會存在數(shù)控銑削加工前后兩次裝夾造成的位置度誤差。所以在研究時設計了兩套方案。

方案一：導向管孔、銷釘孔及外形加工→電火花加工長方形流水孔；

方案二：導向管孔加工→電火花加工長方形流水孔→銷釘孔及外形加工。

具體加工工藝方案如下：

方案一：將工件安裝在加工中心基板工裝上，以工件中心定零點；四周固定壓板，壓緊工件，加工外圍八個導向管孔；加工完畢后，通過外圍八個導向管孔壓緊固定工件，撤除四周固定壓板，加工防異物板四方尺寸、固定銷孔及其余導向管孔。最后電火花加工。

方案二：將工件安裝在加工中心基板工裝上，以工件中心定零點；四周固定壓板，壓緊工件，加工導向管孔。電火花加工完畢后，再以外圍2個對角導向管孔定位工件，均勻選取8個導向管孔壓緊固定工件，加工銷釘孔和四方尺寸。

兩種方案的不同之處在于銷釘孔的加工順序。方案一的優(yōu)點是銷釘孔和導向管孔一次裝夾加工完成保證了加工精度的一致，缺點是電火花加工完長方形流水孔后，方形斜筋防異物板會產(chǎn)生變形，影響銷釘孔的位置度。方案二的優(yōu)點是銷釘孔在最后加工，不受變形的影響，缺點是導向管的位置度會受影響（其位置度是以銷釘孔建立基準）。

對比兩種方案的檢測數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 兩種加工方案檢測數(shù)據(jù)對比

根據(jù)表1可得出：

加工方案一：方形斜筋防異物板有輕微變形，導向管孔位置度合格，銷釘孔位置度超差不合格。

加工方案二：導向管孔位置度和銷釘孔位置度全部合格。

經(jīng)分析，所有的形位公差都是以方形斜筋防異物板底面和四個銷釘孔為基準建立的坐標系進行測定的。方案一由于變形使銷釘孔的位置度不合格；方案二在變形后加工銷釘孔，則可以保證位置度，雖然重復裝夾加工增大了導向管孔的位置度，但導向管孔本身位置度要求相對較低，可以通過工裝夾具精度解決。

所以選擇方案二為方形斜筋防異物板的最終制造工藝。

2.3 數(shù)控銑削工藝和夾具設計

2.3.1 數(shù)控銑削工藝

方形斜筋防異物板的最終制造工藝包含“導向管孔加工”和“銷釘孔及外形加工”兩個銑削工序。

在“導向管孔加工”工序，因為方形斜筋防異物板是薄壁件，以壓四邊的方式裝夾該工件時，工件不能完全貼合夾具底面，為了避免該問題對產(chǎn)品質量產(chǎn)生影響，先加工外圍8個導向管孔作為工藝孔。工藝卡編制如下：

（1）裝夾工件，用壓板壓四邊；

（2）8中心鉆鉆中心孔；

（3）9.8鉆頭鉆8個導向管孔；

（4）9銑刀銑8個導向管孔至尺寸；

（5）孔口倒角；

（6）通過以上加工的8個導向管孔固定工件，拆四邊壓板（裝夾過程中，工件始終處于固定狀態(tài)，加工坐標系不變）；

（7）8中心鉆對其余導向管孔鉆中心孔；

（8）9.8鉆頭鉆其余導向管孔和中間孔；

（9）9銑刀銑其余導向管孔和中間孔至尺寸，粗銑四方；

（10）孔口倒角。

在“銷釘孔及外形加工”工序，以外圍上下2個導向管孔通過定位銷定位工件，再均勻選取外圍8個導向管孔通過螺釘壓緊固定工件，加工銷釘孔及外形。工藝卡編制如下：

（1）12硬質合金刀精銑外形；

（2）8×45°倒角刀加工外形上下倒角；

（3）4.5鉆頭鉆落刀孔；

（4）3.8銑刀銑沉頭孔；

（5）3.8銑刀銑銷釘孔；

（6）另一把3.8銑刀精銑銷釘孔，保證尺寸。

2.3.2 數(shù)控銑削夾具設計[5]

夾具如圖2所示，裝夾時將工件壓在夾具上，以四周邊和內部25個支撐柱支撐，既減小了接觸面積，又滿足銑削時的強度要求。其特點是一裝多用：一是兩種加工方案都適用，二是方案二中數(shù)控加工的兩道工序都可在該工裝上完成。

圖2 數(shù)控銑削加工夾具實物圖

方案一為圖3→圖4，方案二為圖3→圖5。按圖3裝夾工件時，只需靠肉眼大概找正即可，易裝夾；圖4裝夾方式是在加工完導向管孔后，用螺釘壓緊后再拆四周壓板，加工銷釘孔和外形，工件位置度保證得很好；圖5是加工完導向管孔后，先電火花加工，再重新裝夾，靠2個定位銷保證位置度，加工銷釘孔及外形。

圖3 加工導向管示意圖

總的來說，該夾具完全滿足實驗需求，也簡單實用。

圖4 方案一加工銷釘孔示意圖

圖5 方案二加工銷釘孔示意圖

2.4 電火花加工[6-8]

2.4.1 電火花加工電極設計

如圖1所示，方形斜筋防異物板上有2132個方形孔，分析其結構，可以分為五種圖案、共28塊圖案，其中，A、B、D三種圖案中的方形流水孔排列整齊，圖案C、E與圖案A、B、D均不一致。

根據(jù)具體情況，初步設計了三種電極方案：

（1）單一電極，即一次只加工一個方形孔。優(yōu)點是電極制作容易，加工程序編制簡單；缺點是方形孔數(shù)量大致使電極損耗大，每塊防異物板最開始和最后加工的方形流水孔尺寸差異大，質量保證困難，另外，一次只加工一個方形流水孔，效率太低。

（2）整體電極，即電極有2132個小電極，工件一次加工完成。優(yōu)點是一次加工，方形孔尺寸和位置度都好，加工時間短；缺點是由于有兩種圖案方形流水孔與其余圖案方形流水孔排列不一致，電極太難加工，電極損耗一點則整體報廢，成本太高。

（3）組合電極，即以圖案為單位加工電極，一次加工一個或多個圖案。此電極加工比整體電極容易，加工效率又比單一電極高很多。

綜合比較分析，最后選擇組合電極。

根據(jù)圖1，首先計算防異物板圖紙上各方形孔圖案之間的排列距離，其次根據(jù)排列方向的不同，設計了三個單獨的組合電極。如圖6所示，將1/4流水槽七塊圖案分為三組加工：第一組采用A、B、D三種五塊圖案的電極模塊，一次可以完成五塊圖案的加工；第二組加工E圖案；第三組加工C圖案。然后，旋轉加工另外3/4。

設計的三個組合電極實物如圖7所示，加工該電極容易，成本不高，更換也方便。

2.4.2 電火花加工電極參數(shù)研究

在試驗中，根據(jù)試驗掌握的加工放電間隙和電極損耗狀況，以及考慮加工速度的快慢，每種電極只設計了一個尺寸，即加工一個方形小孔的電極尺寸，電極的單邊放電間隙和加工余量為0.2 mm。在加工中通過改變電極加工參數(shù)來完成工件的粗精加工，粗精加工在一次裝夾中全部完成。

根據(jù)粗精加工的不同和其他加工條件的不同，選擇不同的加工參數(shù)，如表2所示，1～7對應的是粗加工到精加工的參數(shù)。

圖6 流水孔加工組合示意圖

圖7 組合電極實物圖

表2 電極加工參數(shù)

2.4.3 電火花加工夾具設計

電火花加工時切削力比較小，再考慮加工時方便排屑的問題，設計夾具如圖8所示。該夾具以一個面和兩個對角導向管孔定位，必要時在支撐柱上用螺釘壓緊。

2.5 檢驗方法研究

2.5.1 測量設備的選擇及其原理

方形斜筋防異物板有2132個長方形流水槽，傳統(tǒng)的卡尺、高度儀、投影儀和量規(guī)等人工測量方式難以滿足測量要求。常用的兩種高精度、高自動化測量設備有三坐標測量機和影像測量儀。

三坐標測量機是由、、三軸控制，通過探針系統(tǒng)進行觸發(fā)式檢測，可以自如地測量三維立體工件，適用范圍廣[9]。三坐標是逐點采集擬合，靠探頭接觸式采點，需要深入孔內至少移動4次并采4個點。

圖8 電火花加工夾具實物圖

影像測量儀檢測是采用光學非接觸式測量，使用冷光源系統(tǒng)，通過光學掃描獲取、捕捉到的圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)诫娔X的數(shù)據(jù)采集卡中，之后由軟件在電腦中成像，屬于二維測量[10]。適用于薄、小、軟零部件的測量。

2.5.2 測量精度分析

該工件要求最高的是銷釘孔孔徑5.1+0.018 0 mm和位置度0.05 mm尺寸，根據(jù)GB/T 3177-2009[11]規(guī)定，檢測精度應優(yōu)于測量允許公差范圍的1/3至1/10，按普通核品測量的1/4原則，則計量器具測量精度應優(yōu)于4.5 μm。

本次所用的三坐標和影像測量儀設備經(jīng)過國防科技工業(yè)5112二級計量站校準。本次所測方形斜筋防異物板最大尺寸為四方尺寸206.5 mm×206.5 mm，對應尺寸的設備精度校準結果如表3所示，可知，三坐標和影像測量儀的示值誤差和探測誤差都滿足工件測量要求。

表3 測量設備精度對比

2.5.3 測量方法驗證

工件所有方形流水孔的長寬尺寸均一樣，所以采用一個小孔一個子程序、一個圖案一個子程序、一個象限一個子程序，即多重循環(huán)來編制。

對同一位置、同一檢驗員，在相同溫度、外界光照等條件下，極短時間對同一工件4個銷釘孔孔徑和位置度連續(xù)重復測量10次，分別計算其與標準值（三坐標測量為接觸式，可信度高，可將其重復測量的平均值作為標準值）的偏差，如表4所示。

從表4可看出，將三坐標和影像測量儀測量值分別與標準值進行比較，測量值與標準值相差的最大值即為測量誤差，三坐標的實際測量誤差最大為2.9 μm，影像測量儀的實際測量誤差最大為4.1 μm。結果表明，三坐標和影像測量儀測量方法滿足要求。

2.5.4 兩種檢測方法的比較

經(jīng)實際應用，測量一件方形斜筋防異物板，三坐標需要5 h，而影像測量儀只需在防異物板上一定高度作平面定點移動采集，一個方形孔最少節(jié)約6個移動動作，速度快，只需1.5 h。

銷釘沉頭孔孔徑、沉頭孔同軸度、沉頭孔深三坐標可以測量，影像測量儀無法測量，但可用量規(guī)替代。

經(jīng)過綜合分析，影像測量儀測量優(yōu)勢非常明顯，所以方形斜筋防異物板的測量采用影像測量儀。

表4 三坐標和影像測量儀準確性測量結果

3 結論

（1）該研究確定了方形斜筋防異物板的制造工藝路線。

（2）完成了數(shù)控加工夾具、電火花加工夾具以及電極等的圖紙設計和加工制造；完成了數(shù)控加工工藝的編制；制定了合理的電火花加工參數(shù)；設計了配套的影像測量儀和三坐標測量程序，采用影像測量儀測量方法解決了方形流水孔因數(shù)量大導致的檢測時間長的問題。

（3）該研究已應用于某工程先導燃料組件，確保了科研任務和鑒定的按期進行。

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Study on the Manufacturing and Inspection Technology of Square Inclined Reinforcement Anti-Foreign Body Board for Fuel Assembly

CHEN Zhongquan

( CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co., Ltd., Yibin644000, China)

Electric spark and machining center are used as the main equipment to process square inclined reinforcement anti-foreign body board. The influence of different process flow on workpiece deformation is studied and the process flow is determined. The numerical control milling fixture and electric machining fixture are designed, the influence of single electrode and combined electrode on machining efficiency and machining cost is analyzed, and the parameters of coarse and fine electro machining are determined. Three-coordinate measuring machine and image measuring instrument are used to check the square oblique reinforcement anti-foreign body board to ensure the processing accuracy. The data of the two detection methods are analyzed and compared in terms of the equipment precision, automation degree and detection efficiency, and the detection method is determined. Finally, the manufacturing and inspection technology of square inclined reinforcement anti-foreign body board is determined.

fuel assembly；square inclined reinforcement anti-foreign body board；manufacturing process

TD406

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.005

1006－0316 (2021) 04－0026－07

2020－07－20

陳仲權（1987－），男，四川簡陽人，本科，工程師，主要研究方向為機械制造和電加工工藝，E-mail：545018681@qq.com。