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陈永胜 黄云 汤曹勇
摘要：为了摆脱核用锆管加工技术和设备长期依赖于国外的现状，重庆三磨海达磨床有限公司联合重庆理工大学研制出了用于修磨锆管的首台国产自动超声测厚数控砂带磨床。该设备采用了超声波自动测厚技术，并结合了砂带磨削技术的优点，高效、精确地实现了锆管壁厚的自动修磨。
1. 背景
核燃料包壳作为包容并封装燃料芯块的载体，起着避免芯块受冷却剂的腐蚀与机械冲蚀、包容裂变产物以及为燃料元件提供结构支撑的作用，它充当了核电站安全的首道防线的角色。由于核燃料包壳所处的恶劣的工作环境以及特殊的工作要求，从而对包壳材料性能要求很高。锆合金（该项目中工件材料为Zr-4）因为其热中子吸收截面小，感生放射性低，耐蚀性与机械稳定性好，与燃料及裂变产物相容性好等优点，很好地满足了核电站包壳管对于材料的高要求，从而广泛应用于压水堆中。
包壳管从锆锭需经热挤压、机加工等工序最后加工成管坯成品，再由管坯成品经多道次Pilger轧制、热处理、除油及酸洗、机加工、无损检测等工序最终才制成成品。为了保证经多道次Pilger轧制这一重要工序后，管坯减到成品管规定的尺寸要求，必须将热挤压造成的壁厚偏差通过机加工控制合适的范围内，这是包壳加工成败的关键之一。
国外核电技术先进国家如美国、日本等目前主要采用超声测厚、手动控制磨削量的砂带磨削的方式来保证管坯的壁厚均匀。
在国内,核用包壳管管坯磨削的设备和技术方面进步相对-迟缓,使得核用包壳管管坯长期依赖进口。因此在目前超声波检测和数控技术已达到要求的情况下，2010年重庆三磨海达磨床有限公司联合重庆理工大学、重庆大学研制出首台国产自动超声测厚数控砂带磨床。该设备对于我国核电事业的发展意义重大。
2．自动超声测厚数控砂带磨削方法的提出
包壳管坯的加工工艺因各个厂家而不同，但壁厚修磨是其中必经的重要工序之一。其中主要涉及无损检测和壁厚修磨两个关键技术。
超声检测技术作为现代无损检测的重要组成部分，因为其具有穿透能力强，指向性好，监测范围广等特点，从而普遍应用于探伤、测厚、测流量和液位等方面，至今已发展成为最为广泛的无损检测手段。
本项目中涉及的是超声波在厚度测量方面的运用。原理如1所示，浸于耦合剂水中的超声波探头内置晶片经压电效应产生超声波，超声波在水中会产生界面波，然后相继产生一次、二次回波。一次回波与二次回波之间的时间差t与声速v乘积就是工件厚度w，即w=vt。
图1 超声波测厚原理图
特别值得注意的是，探头必须很好地与空气隔绝，因为即使少量的空气存在也会造成超声波的剧烈发散，使得测量不准，甚至无法测量的情况发生。
砂带磨削具有磨削、研磨和抛光等多重作用，磨削效率高，磨削表面质量好，磨削工艺灵活性大、适应性强等磨削加工性能，能够较容易地实现对锆管外表面的修磨和精整加工。国外核电技术先进国家如美国、日本等目前主要采用砂带磨削技术对锆管管坯外表面进行修磨处理。
国外壁厚修磨通常采用的是人工在超声检测机床上检测及标记，然后在另一台机床上人工控制磨削部位及磨削量进行修磨的方式。该方式工序分散，机床占地面积较大，对操作工人要求较高。“自动超声测厚数控砂带磨削”方法就是在这样的背景下提出的。它综合运用超声测厚、砂带磨削、PLC 和NC技术，依据超声测厚结果，经相关计算，直接指导磨削过程；一次装卡完成检测和壁厚修磨，工序集中，还能避免因为重复定位带来的误差。具体的流程如图2所示
3. 自动超声测厚数控砂带磨床介绍
3.1自动超声测厚数控砂带磨床的功能：
该设备依据“自动超声测厚数控砂带磨削”方法，结合了砂带磨削、超声波测厚以及PLC、NC等技术，采用“软磨削”方式去除核燃料包壳管坯外表面致密的黑色氧化皮和凸棱等缺陷以及修正管材壁厚不均，以加工出壁厚均匀的包壳管坯。
机床具备自动和手动完成从上料、进料、去氧化皮和凸棱、检测、修磨、检测、出料、下料至收料架等功能。系统根据检测数据（也可人工辅助检测，）使磨头自动定位至需修磨部位，自动进行修磨，也可人工干预修正程序。工件由主、副两顶尖定位，依靠气缸顶紧副顶尖从而夹紧工件。为了保证顶紧气缸松开后工件能从顶尖顺利卸下，所以机床还安装了专门的卸料机构。工件旋转运动（绕A轴）由交流伺服电机驱动主轴（包含主顶尖）来实现，磨头沿工件轴向（X轴）运动由另一交流伺服电机驱动。整套设备由Siemens数控系统控制，能实现管材的X轴和A轴的精确定位，以及A和X轴的联动。该机床适用于大批量外圆磨削,其磨削方式为纵向磨削, 磨削长度范围2500mm～5500mm，加工直径范围为Ф60-Ф90mm。
3.2自动超声测厚数控砂带磨床的机械结构：
设备主要由上料机构、下料机构、辅助浮动托轮机构、工件旋转伺服驱动机构、尾座、床身、磨头、磨头移动伺服驱动机构、超声波壁厚在线检测系统、输送辊道、冷却过滤循环系统、数控控制系统及气动系统组成。图3所示为机床在宝鸡某企业车间现场的图片，图中所示为机床床身部分。
图3 机床床身
3.3磨头机构
磨头是该机床的核心部件之一，起着去除多余材料，保证工件表面质量的作用，其结构与一般砂轮磨头差异较大。磨头结构如下图4所示
磨头由驱动电机、接触轮、张紧机构、 铰链机构、浮动抬刀机构、磨头移动机构、主轴等组成。磨头驱动电机通过V型带驱动磨头主轴旋转，使接触轮带动包络在其上的砂带高速旋转来磨削工件。张紧机构靠气缸力将砂带张紧，工作时如果砂带跑偏可用调偏机构调砂带位置防止跑偏，铰轴机构联结主轴座与磨头体，以使主轴座可绕铰轴旋转，重力平衡机构靠拉簧支撑磨头，让磨头可绕铰轴旋转浮动，保持磨削力的恒压,磨削完后抬刀气缸将磨头主轴抬起。
图4 磨头结构示意图
磨头的磨削量，通过限制磨头最低磨削点进行控制。砂带更换只需操作控制阀控制张紧气缸的张、紧即可，操作方便快捷。
3.4超声波在线检测部分
超声波在线检测部分相当于整个设备的“眼睛”,起着测量工件壁厚从而为自动修磨提供磨削参考数据的作用。检测部分使用超声波水浸聚焦探头，并采用专门的超声波PCI板卡与机床NC系统进行通信。
超声波PCI 卡控制程序UTMonitor主界面如图5所示,图中前三个完整波形分别为界面波、一次回波、二次回波。该界面可进行声速、增益、收发方式、扫查范围等参数的设置。该程序将检测结果分三种形式给出,其一是以图6所示的壁厚偏差三维分布图,横坐标是探头相对工件在X轴原点的位置,纵坐标是探头相对工件A轴零点的位置;其二是以记事本的方式将数据存储.方式一用不同颜色表示该区域壁厚偏差值的大小,该方式直观清晰,但不能定量;而方式二则能定量地将偏差值记录下来,便于后续数据比较和处理。 采集的数据经过相关的数据处理自动生成相应的磨削程序 。
图5 PCI卡控制程序UTMonitor主界面
图6 壁厚偏差三维分布图
由于需要一次装夹完成检测和磨削，为了实现自动化，提高生产效率，所以该机床采用了超声波探头部分水浸的方式。但是耦合剂的密封以及消除空气影响是面向管件的部分水浸方式的难题，为此专门研制的连接块很好地解决了该问题，保证了检测的可能性和精度。此外还可以通过更换不同尺寸连接块可实现对多尺寸管坯的测量，从而扩展了机床加工范围。
4.核燃料包壳管坯磨削试验
用于本实验的管坯长3m，最大外径为Ф89mm，内径为Ф69mm的毛坯管（如图7所示），最终成品管的要求为锆管截面每处的壁厚公差范围在±0.15mm，表面粗糙度Ra≦1.6μm。
图7 包壳管坯磨削前
该管在修磨之前经过热挤压，使得管表面形成一层致密的、高硬度、黑色薄氧化皮和若干沿管长度方向的连续凸棱，因此自动修磨之前需要用去除量较大的粗粒度砂带抛光，以提高生产效率。
经自动检测和修磨后，测得管件每处的壁厚都保证在±0.15mm内，表面粗糙度Ra最大值小于1.6μm，砂带线速度为10m/s时机床磨削量约为0.6mm/20min。图8所示为修磨后的包壳管坯。
图8 包壳管坯磨削后
5.结论
该设备是重庆三磨海达磨床有限公司研制的国内第一台具有自主知识产权的核燃料包壳管坯壁厚修磨机床，通过结合超声波测厚、砂带磨削和数控技术，高效、精确地实现了核燃料包壳管坯壁厚的自动修磨。实践表明，经机床修磨后，包壳管坯表面粗糙度和壁厚偏差都完全符合相关技术要求。该磨床的成功研制表明我国已完全打破了国外对此类装备的技术垄断，有助于加快实现核电用Zr-4合金管材完全国产化加工的步伐，从而摆脱了我国核电发展长期依赖国外的尴尬局面，一定程度上促进了我国核电事业的进一步发展。
作者简介：
黄云（1962-），男，现任重庆三磨海达磨床有限公司总经理、全国金属切削机床标准化委员会磨床分技术委员会砂带磨削机床工作组组长、中国机械工程学会生产工程分会磨粒技术委员会副主任等职务。20余年来为促进了砂带磨削加工技术的应用与推广做出了重要的贡献。2010年11月当选为中国机床工具工业协会涂附磨具分会专家委员会委员。
陈永胜（1988—），男，重庆大学硕士研究生，主要从事自动超声测厚技术在数控砂带磨床中的应用
汤曹勇（1987—），男，重庆大学硕士研究生，主要从事核用锆管砂带磨削机理研究
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