автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение производительности обработки глубоких отверстий в трубных решётках и коллекторах теплообменных аппаратов для АЭС

МОГУТОВ ИГОРЬ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В ТРУБНЫХ РЕШЁТКАХ И КОЛЛЕКТОРАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ АЭС

Специальность 05. 02. 08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертаии на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГМЗ

Москва 2013

005532393

МОГУТОВ ИГОРЬ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В ТРУБНЫХ РЕШЁТКАХ И КОЛЛЕКТОРАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ АЭС

Специальность 05. 02. 08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертаци на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Открытом Акционерном Обществе «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» (ОАО НПО ЦНИИТМАШ), Открытом Акционерном Обществе «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» (ОАО «ЗиО-Подольск»).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Кандидат технических наук Клауч Дмитрии Николаевич

Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «Станкин» Кокарев Владимир Иванович

Кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Российский университет нефти и газа им. И.М. Губкина» Хосгнкоев Михаил Заурбекович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального обучения «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»

Защита диссертации состоится «¿Г» сентября 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 217.042.02 при ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4. Тел/факс: (495) 675-83-05; E-mail: dnkiauch@cniitmash.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), просим направлять в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан «_»_

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Распоряжением правительства РФ №1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» предусмотрен темп создания новых мощностей до 2 ГВт в год, что потребует ежегодного строительства не менее 2-х блоков АЭС, в состав которых входит различное теплообменное оборудование. Одним из наиболее трудоемких в изготовлении элементов теплообменник аппаратов являются коллектора и трубные решётки, в которых закрепляются теплообменные трубы. В процессе изготовления теплообменного оборудования для одного энергоблока типа ВВЭР-1000 в коллекторах и трубных решётках необходимо выполнить более 170 тысяч отверстий диаметром 016.25*°17 мм и глубиной от 130 до 420 мм, к которым предъявляется ряд особых требований по точности и характеристикам поверхностного слоя, обусловленных особенностями эксплуатации теплообменник аппаратов.

Обработка большого количества глубоких отверстий в деталях тепло-обменных аппаратов связана с высокой трудоёмкостью. В связи с этим изыскание и исследование эффективных процессов обработки глубоких отверстий и инструментов, обеспечивающих повышение производительности при выполнении требований к ответственным деталям тепло обменных аппаратов для АЭУ, является актуальным для энергетического машиностроения.

Цель работы. Повышение производительности обработки глубоких отверстий в ответственных деталях тегогообменной аппаратуры для АЭС с выполнением требований, обеспечивающих эксплуатационную надежность теплообменных аппаратов.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие научные и практические задачи:

1) Исследована возможность интенсификации процессов сверления и развёртывания глубоких отверстий за счёт создания новых конструкций и геометрических параметров режущей части свёрл (типа ВТА) и развёрток применительно к обработке материалов, использующихся при изготовлении теплообменного оборудования АЭУ.

2) Определено влияние геометрических параметров инструмента, точностных параметров и жёсткости применяемой оснастки, режимов резания, характеристик и техники применения СОТС на точность обрабатываемых отверстий.

3) Исследовано влияние методов обработки, конструкции инструмента, режимов резания на качество поверхностного слоя глу боких отверстий.

4) Определены стойкостные характеристики инструмента при обработке материалов, применяющихся при изготовлении теплообменных аппаратов АЭУ.

5) Разработаны рекомендации по технологии обработки глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратов для АЭС.

Объекты исследований. В качестве объектов исследований использовались коллектора парогенераторов, трубные решётки подогревателей вы-

сокого и низкого давления, подогревателей сетевой воды энергоблоков ВВЭР-1000, ВВЭР-3200, а также камеры модулей парогенераторов ПГН-270М и ПГН-272 энергоблоков БН-600, БН-800.

Методы исследований. Исследования проводились в лабораторных условиях ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и производственных ОАО «ЗиО-Подольск» с использованием специальных станков для глубокого сверления, современного измерительного оборудования. Экспериментальные исследования проводились с использованием математических методов планирования эксперимента по классическим методикам. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались графоаналитическими и статистическими методами с применением ЭВМ.

Научная новизна. Научная новизна работы представляет собой решение задачи выявления связей методов высокопроизводительной обработки глубоких отверстий с достижимыми результатами по точности и качеству поверхностного слоя применительно к обрабатываемым материалам, использующимся для изготовления теплообменных аппаратов АЭУ, при этом:

- В результате исследования характера стружкообразования при сверлении глубоких отверстий свёрлами с внутренним отводом стружки типа ВТА в деталях теплообменных аппаратов АЭУ установлено, что существуют два диапазона рабочих подач, в которых дробление стружки реализуется на разных принципах. В первом диапазоне подач дробление стружки происход ит от её изгиба и скручивания в корпусе сверла. Во втором диапазоне подач эффективность стружкодроб-ления определяется действием струлжолодшых порожков;

- Выявлено влияние технологических факторов на точность диаметра и форму отверстий, увод их оси, а также характеристики поверхносгаого слоя при однопроходной и да>|хпрохо|даой обработке глубоких отверстий с применением свёрл типа ВТА и специальных развёрток различных конструкций.

- Разработана математическая модель, связывающая увод оси отверстия при сверлении инструментом типа ВТА с характеристиками технологической оснастки (непараллельностью оси кондукторной втулки и оси шпинделя, зазором между кондукторной втулкой и инструментом, расстоянием от точки фиксации в радиальном направлении стебля сверла до торца обрабатываемой заготовки).

- Разработаны требования к геометрическим параметрам свёрл н развёрток, степени их износа, режимам обработки, характеристикам и условиям применения СОЖ, точности настройки технологической оснастки, при выполнении которых обеспечивается необходимое качество обработки глубоких отверстий в материалах, применяющихся при изготовлении коллекторов и трубных решёток теплообменных аппаратов для АЭС;

- Разработаны рациональные конструкции свёрл типа ВТА и специальных развёрток для обработки отверстий в деталях га материалов, применяющихся при изготовлении коллекторов и трубных решёток теплообменных аппаратов для АЭС, при этом обеспечена возможность двухпроводной обработки отверстий на одном рабочем месте без потерь времени на переустановку детали, минимизированы потери времени на перенастройку станка для финишной обработки, для крупных деталей реализована возможность многоштщдельной обработки.

- Установлено влияние условий обработки на стойкость свёрл тепа ВТА и специальных развёрток при обработке глубоких отверстий в коллекторах и тр>бных решётках теплообменных аппаратов, определены возможные пути её повышения;

Практическая ценность.

Разработаны практические рекомендации по ращюналъной технологии обработки глубоких отверстий в ответственных деталях теплообменных аппаратов атомных энергоустановок

Внедрение указанных разработок на ОАО «ЗиО-Подояьск» позволило повысить производительность сверления глубоких отверстий в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС в 1.5 - 3 раза, производительность развёртывания в 1.4 - 4.1 раза, при этом обеспечено выполнение требований по качеству глубоких отверстий. Результата работы были использованы при изготовлении теплообменного оборудования для АЭС «Тяньвань» (Китай) «Бушер» (Иран), «Пакш» (Венгрия), «Куданкулам» (Индия), «Козлодуй» (Болгария), Ростовской АЭС, Нововоронежской АЭС-2, Ленинградской АЭС-2 Белоярской АЭС, Калининской АЭС и др. '

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались наг Заводской научно-технической конференции среди молодёжных инженерно-технических работников ОАО «ЗиО-Подольск» (Подольск, 2001 г.); Региональном семинаре-совещашш "Смазоч-но-охлаждающие жидкости: проблемы и перспективы" (Москва, 2001 г.); Международной конференции «Влияние технологии на состояние поверхностного слоя» (Познань, 2002 г.); Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка» (Санкт-Петербург, 2002 г.); Заседании XI сессии научного совета РАН по проблемам машиноведения и технологических процессов «Проблемы обеспечения качества заготовок в машиностроении» (Москва, 2005 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана); Второй Всероссийской конференции'молодых учёных и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2009 г.); Научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ЗиО-Подольск» и ОАО «ИК «ЗИОМАР» (Подольск, 2011 г.); Десятой международной выставке

«Энергетика России» Russia Power 2012 (Москва, 2012 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура н объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения. Основная часть изложена на 169 печатных страницах, содержит 78 рисунков и графиков, 8 таблиц, список использованных источников состоит из 161 наименования. Приложение на 9 страницах содержит 4 рисунка, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность повышения производительности обработки глубоких отверстий в ответственных деталях тепло-

обменных аппаратов для АЭС с учётом обеспечения требований по качеству поверхностного слоя и точности формы.

В первой главе проведён анализ работ по особенностям конструкции теплообменных аппаратов для АЭС и условиям их эксплуатации обуславливающих ряд специфических требований к глубоким отверстиям в коллекторах и трубных решётках, среда которых присутствуют как требования по точности отверстий, так и требования по состоянию поверхностного слоя.

Анализ существующих представлений о процессах обработки глубоких отверстий, выполненный на основе работ Астахова В.П., Горелика М.Е., Кижняева Ю.И., Кирсанова C.B., Кяауча Д.Н.. Кокарева В.И. Кущевой М.Е., Мещерякова Р.К., Мннксва М.А., Назаренко Д.В., Никитенко М.Ф., Овсеенко А.Н., Подураева В.Н., Плужникова С.К., Троицкого Н.Д., Терехова В.М., Уткина Н.Ф., N. Raabe, О. Webber, W. Theis, A. Katsuki, H. Onikura, T. Sajima, Horiuchi O, S.J. Torabi, M.O.M. Osman, V.N. Latinovic, F. Pfleghar и др., показал, что наиболее перспективным с точки зрения выполнения требований к точности и производительности при обработке глубоких отверстий в теплообменных аппаратах АЭУ является применение сверл с внутренним отводом стружки (типа ВТА).

Однако большинство опубликованных работ не затрагивает специфики обработки изделий АЭУ. Отсутствуют данные по обработке глубоких отверстий в ряде материалов, используемых в конструкциях теплообменных аппаратов АЭУ. Не исследована возможность повышения производительности обработки и надёжности дробления и эвакуации стружки при глубоком сверлении деталей из материалов с высокими пластическими свойствами.

Результаты ранее выполненных работ не могут быть прямым образом использованы при прогнозировании точностных параметров процессов обработки глубоких отверстий в корпусных деталях теплообменного оборудования.

Объём опубликованных сведений по исследованиям качества поверхностного слоя при обработке глубоких отверстий свёрлами с внутренним отводом стружки весьма ограничен и не может служить основой для разработки практических рекомендаций. С учётом вышеизложенного сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе изложена методика проведения экспериментов и обработки результатов исследований.

Исследования проводились в лабораторных условиях ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и производственных ОАО «ЗиО-Подольск» с применением классических методик, современного оборудования, специальной оснастки и контрольной аппаратуры.

Экспериментальные исследования процесса обработки глубоких отверстий проводились та специальной опъто-промышленной установке для глубокого сверления, специализированных станках для глубокого сверления,

6

оснащенных системами ЧПУ фирмы "SIEMENS" типа «S>numertk-S40D"-дв^стоечных шестишпиндельных горизонтально-сверлильных моделей НТВ-

Исследования проводились при обработке глубоких отверстой в заготовках и образцах го сталей ЮХ2М-ВД, 10ГН2МФА-Ш, 22К-Ш 09Г2СА-А 08Х18Н10Т-ВД. Механические свойства материалов приведены в таблице I.

. Таблица 1 Механические характеристики сталей, применяющихся для -изготовления деталей теплообменных аппаратов АЭУ.

t=20°C

Марка стаж« Временное сопротивление разрыву а,. МПа I Предел текучести а0 2, МПа Относительное удлинение 5,% Относительное сужение V-

1 2 3 4 5

ЮХ2М-ВД 505 345 27.5 815

08Х18НЮТ-ВД 490 196 35 50

10ГН2МФА-Ш 640 530 25 77

22К-Ш 540 345 30 75

09Г2 СА-А 430 1 285 32 66

Исследование процесса сверления глубоких отверстий велось с применением сверл с внутренним отводом стружки типа ВТА одностороннего и двухстороннего резания с напайными и сменными режущими и опорными

СВёрЛЗ коистРУкиии ОАО «ЗиО-Подольск», ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», ГБТУ «ВОЕНМЕХ», фирм «Botek Prâzisionbohrtechnic urabh» (Германия), «Unitac inc.» (Япония), «Sandvik Coromant» (Швеция)

Исследование развёртывания глубоких отверстий выполнялось с при-пТпНИ^пеШаЛЫШ Развёрток из быстрорежущей стали, изготовленных UAO «ЗиО-Подольск», а также твердосплавных развёрток совместной разработки ОАО «ЗиО-Подольск» и «Botek Prâzisionbohrtechnic Gmbh» (Германия) Для повышения работоспособности инструмента применялись такие методы упрочнения как магнитострикционное субструктурное упрочнение и термовиброакустическая обработка (метод ТАВО).

СОЖМрВзГСтае СМазочн°-°хлаждающей жидкости применялась масляная

Шероховатость поверхности после обработки отверстий измеряли с помощью профютографа-профююметра фирмы «Time group Inc» модели TR2O0.

Измерение тангенциальных остаточных напряжений в кольцевых образцах проводилось по методу H.H. Давиденкова на установке «ЦНИИТМАШ» (рис. 1).

1 2 .1. 7 Д ?., Ш,

] - ванна; 2 - крепежная плита; 3 - электролит; 4 - крепление катода; 5 - катод; 6 - крепление анода; 7 - анод (кольцевой образец); В - рычаг; 9 -плоский отражающий флажок; 10 - лазерный измеритель перемещения; 11 -пульт управления лазерным измерителем; 12 - компьютер; 13 - лабораторный

выпрямитель тока.

Рис. 1 Схема установки для исследования остаточных напряжений в кольцевых образцах оптико-механическим методом.

Остаточные напряжения рассчитывались по формуле:

(Tt(x) = <T°r(x)+<T? + <Г?(х)

(I)

где ст" (х). (Т*. о-гй(х)-остаточные напряжения, определённые в результате удаления напряжённого слоя X, вырезки и разрезки образца соответствен-

но.

W^ff' Xl Che

df{x)

S - x

-2/(x)(2 + -rL— W

D„ ± л

de

(Driv-

er,

,E

D„

AD„

fff(x) = ±£^№- 2x)

(2) (3)

Dl

где: Е- модуль упругости материала кольца (2,1* I О3 МПа); Ц, - средний диаметр кольца до вырезки го детали; /)Р - средний диаметр кольца после

вырезки из детали; - средний диаметр кольца после разрезки;

\D--~-Он-!\1 Щ - /Л. - Ц,

(4)

— исходная толщина кольца (до травления); Г<х) - изменение среднего диаметра кольца Ор после удаления слоя х; /(£) - функция изменения среднего диаметра кольца Ир по текущей координате - первая произ-

¿¿с

водная функции Г (х);

В третьей главе приведены результаты исследований процессов сверления глубоких отверстий.

Экспериментальные исследования процессов обработки глубоких отверстий в материалах с высокими характеристиками пластичности, применяющихся при изготовлении трубных решёток и коллекторов тегагаобменных аппаратов для АЭС с использованием различных конструкций свёрл типа ВТ А ведущих мировых производителей позволили установить, что при сверлении существуют два диапазона рабочих подач, при которых возможно эффективное дробление и эвакуация стружки (рис.2). В первом диапазоне подач (рис 2а,б) дробление стружки осуществляется за счёт её изгиба и скручивания в корпусе сверла. Во втором диапазоне подач (рис. 2е) стружка ломается за счёт работы стружколомных порожков. Между этими двумя диапазонами рабочих подач существует диапазон, где эвакуация стружки затруднена (рис. 2 в г д)

г) д) е)

Рис.2 Форма стружки при сверлении стали 08Х18НIОТ-ВД сверлом ВТА одностороннего резания с напайными пластинами. Режимы резания-скорость резания V = 46 м/мин (п = 900 мин1); подача: а)Р = 0 04 мм/об-б) ¥ =0.05 мм/об; в) Р = 0.06 мм/об; г)Р = 0.08 мм/об; д) Р = 0 11 мм/обе) Р = 0.12 мм/об.

В результате проведённых исследований были предложены две конструкции свёрл типа ВТЛ. специализированные для работы в своём диапазоне рабочих подач.

При работе первого типа сверла (далее модель №1) реализован принцип дроблешет стружки от скручивания в корпусе сверла. Сверло имеет геометрию режущей части без стружкоделитедей. но оснащённую стружкозавивающими порожками (рис. 3). При свершении стружка получает предварительную деформацию под действием стружкозавивающего порожка и разнонаправленных нагрузок на основной и вспомогательной режущих кромках, а затем окончательно дробится при скручивании в корпусе сверла под действием вращения инструмента. В зависимости от свойств обрабатываемого материала следует применять свёрла двух модификаций с разной шириной стружкозавивающего порожка.

Рис. 3 Сверло ВТ А с дроблением стружки за счёт скручивания в корпусе сверла.

В процессе испытаний были определены диапазоны режимов резания, обеспечивающих эффективное дробление и эвакуацию стружки при сверлении материалов, применяющихся при изготовлении коллекторов и трубных решёток да» АЭС.

Таблица 2

Режимы резания, реализуемые при сверлении инструментом ВТА _с дроблением стружки за счет скручивания в корпусе сверла.

материал При ширине стружкозавивающего порожка 1.5 - 2.5 мм При ширине стружкозавивающего порожка 2.5-4.5 мм

22К-Ш до 0.03 /67 -122 до 0.06/67- 122

10Х2М-ВД до 0.027 / 50 - 90 до 0.018/50- 90

08Х18Н10Т-ВД до 0.033 / 42 -70 до 0.015 /42-70

10ГН2МФА-Ш до 0.03/67- 100 до 0.026/67 - 100

09Г2СА-А до 0.031/67 - 90 до 0.02 / 67 - 90

Остановлено, что для каждого материала существует максимальная скорость резания, при превышении которой удовлетворительная эвакуация стружки возможна только три резком уменьшении подачи

Второй тип сверла (далее модель №2) предназначен для работы с повышенными подачами на оборот. Дробление стружки осуществляегся в этом случае с помощью стружколомных порожков на передней грани режущей тадастины. Для облегчения процесса стружкодробления целесообразно применять один или два стружкодеиигеля (рис.4). Изменение геометрических параметров режущей части вследствие износа может привести к снижению эффективности стружкодробления и пакетированию стружки. Для повышения надёжности работы целесообразно применение режущих пластин с износостойкими покрытиями и конструкций с механическим креплением твердосплавных пластин с заданной геометрией режущей часта.

Рис. 4 Сверло ВТА с дроблением стружки на стружколомных порожках.

Таблица 3

Режимы резания, реализуемые при сверлении инструментом ВТА с СНП __и дроблением стружки на стружколомных порожках.__

Обрабатываемый материал Подача Е (мм/об) / Скорость резания V См/мин)

СНП с одним стружкоделителем СНП с двумя стружкоделителями

22К-Ш 0.08-0.11 /55-70 0.09-0.11 / 55 - 70

10Х2М-ВД 0.08-0.11 / 55-70 0.09-0.11 /55-70

08X18Н10Т-ВД 0.06-0.11 /45 -70 0.07 -0.il/45-70

10ГН2МФА-Ш 0.085-0.11 /59-70 0.088 -0.11 /59- 70

09Г2СА-А 0.08-0.11/55-70 0.07 - 0.11 / 55 - 70

В процессе испытаний установлено, что возможность дробления стружки на стружколомных порожках в значительной степени зависит от свойств материала, а максимальная подача ограничивается прочностью корпуса сверла. При подачах Р > 0.12 мм/об корпус сверла в районе площадки под режущей пластиной деформируется, что приводит к поломке сверла.

Исследование точности обработки отверстий позволили установить что при сверлении инструментом типа ВТА модели №1 на всех режимах резания. обеспечивающих эффективное дробление и эвакуацию стружки выполняются требования к глубоким отверстиям в коллекторах и трубных ре-

11

щётках теплообменник аппаратов для АЭС по точности диаметра и формы отверстий и «разбивка» диаметра не превышает Д = 0.1 мм, при этом отклонения увеличиваются с износом инструмента (рис. 5).

Рис. 5. «Разбивка» диаметров отверстий при сверлении головками ВТА с дроблением стружки за счет скручивания стружки в корпусе: 1 - сталь 22К-Ш; режимы резания: скорость ¥ = 70 м мин. подача Р = 0.035 мм об: износ по задней поверхности "Гц = 0.3 мм; 2 — сталь 10ГН2МФА-Ш; режимы резания: скорость V = 67 м/мин, подача Р = 0.023 мм/об; износ по задней поверхности Ь3 = 0.1 мм; 3 - сталь ШХ2М-ВД: режимы резания: скорость V = 70 м/мин, подача Б = 0.03 мм об: износ по задней поверхности Ь3 = 0.4 мм; 4 -сталь 09Г2СА-А; режимы резания: скорость V = 88 м/мин, подача Р = 0.031 мм/об; износ по задней поверхности Ь , = 0.2 мм.

Исследование влияния технологических факторов на увод оси отверстия проводилось при сверлении инструментом типа ВТА модели №1 016.3 мм образцов из стали 22К-Ш. Глубина сверления составляла Ь = 300 мм. Режимы резания: скорость, резания V = 70 м/мин (число оборотов шпинделя п = 1370 мин*1); подача Р = 0.03 мм об. расход СОЖ 0 = 60 л/мин.

Для оценки влияния точности настройки станка на увод оси отверстий при сверлении инструментом ВТА был проведён полный факторный эксперимент ПФЗ-2*. При проведении ПФЭ учитывались следующие факторы: отклонение от параллельности оси кондукторной втулки и оси шпинделя инструмента, зазор между сверлом и кондукторной втулкой (разница диаметров сверла и кондукторной втулки), расстояние, от точки опоры стебля сверла до ториа обрабатываемой заготовки. Величины исследуемых технологических факторов варьировались с учётом возможности их использования в производственных условиях (таблица 4).

В качестве математической модели выбрана степенная зависимость:

г = су*к3у *ь1у (5)

где V-увод оси отверстия, мм/100мм. Су—постоянный коэффициент,

Котклонение от параллельности оси кондукторной втулки и оси шпинделя станка, мм, . !

2. - зазор между кондукторной втулкой и инструментом (разность диаметров), мм,

Ь - расстояние от точки опоры стебля инструмента до торца обрабатываемой заготовки, мм.

Таблица 4

Варьируемые факторы

Фактор К, мм/100 мм Z, мм Ь, мм

V

Уровень

Верхний 0.125 0.07 1000

Интервал 0.05 0.03 400

Нижний 0.0125 0.01 200

, Таблица 5

Матрица планирования ПФЭ-23 и результаты эксперимента для увода оси глубоких отверстий при сверлении инструментом типа ВТА.

№ - 5 и ' увод оси отверстия (у ! 1п V). \гм/1 ПО мм

пЛт Хо х2 х3 у, / 1п у, у2 / 1п у2 Уз / 1п уз Л'/1п V

! + - - - 0.05/-2.995 0.07/-2.659 0.07/-2.659 0.063/-2.759

2 + + - - 0.57/-0.56 0.49/-0.71 0.46/-0.776 0.507/-0.68

3 + - + - 0.12/-2.12 0.13/-2.04 0.16/-1.83 0.137/-1.99

4 + + + - 0.64/-0.446 0.64/-0.446 0.61/-0.51 0.6?7/-0.467

5 + - - + 0.1/-2.3 0.09/-2.4 0.П/-2.2 0.1/-2.3

6 + + - + 0.55/-0.597 0.63/-0.426 0.66/-0.415 0.613/-0.489

7 + - + + 0.26/-1.374 0.2/-1.609 0.22/-1.514 0.226/-1.484

8 + + + + 0.96/-0.04 1.1/0.095 1.02/0.02 1.027/0.026 |

После соответствующей математической обработки в окончательном виде получена следующая математическая модель для определения увода оси отверстия при сверлении инструментом типа ВТА:

у = е0-67 • к0-75 • г03 • Г026

у с - " /С • мм ^

Для уточнения влияния каждого из факторов были выполнены серии однофакторных экспериментов. Полученные данные в целом коррелируются с результатом многофакторного эксперимента.

Для повышения точности обработки глубоких отверстий было разработано устройство для глубокого сверления (патент РФ 1^2288812), в котором за кондукторной втулкой был расположен люнет с капролоновой втулкой. Применение указанного решения позволило уменьшить разбивку диаметра

13

отверстий до Д = 0.05 - 0.11 мм. Увод оси отверстий при этом не превышал 0.1 /100 мм, отклонение от прямолинейности отверстия не превышало 0.01/100 мм.

Исследование стойкости разработанных свёрл типа ВТА позволили установить, что при сверлении инструментом ВТА модели №1 износ преимущественно идёт по задней поверхности. Критический износ составляет Ь3 = 0.5 мм. Графики зависимостей стойкости сверла от скорости резания для различных материалов приведены на рисунке 6. Стабильный характер зависимостей позволяет прогнозировать стойкость сверл для других материалов с аналогичными механическим» свойствами с минимумом Дополнительных исследований. Стойкость свёрл может быть существенно повышена за счёт термовиброакустической обработки (метод ТАВО).

При сверлении инструментом ВТА модели №2 установлено, что характер износа инструмента при сверлении сталей 10Х2М-ВД и 08Х18Н10Т-ВД отличается от износа при сверлении сталей 22К-Ш, 09Г2СА-А и 10ГН2МФА-Ш. При сверлении сталей 10Х2М-ВД и 08X18Н10Т-ВД износ идёт преимущественно по задней поверхности режущей пластины. Критическим износом является = 0.3 мм. При сверлении стали 22К-Ш, 09Г2СА-А и 10ГН2МФА-Ш при принятой геометрии режущей пластины под действием затруднённого формообразования стружки интенсивный износ происходит по передней поверхности. Фаска износа изменяет направление схода стружки, которая не попадает на стружкояомный порожек и не дробится, в результате чего сверло теряет работоспособность, при этом износ по задней поверхности режущей пластины составляет К, = 0.1 —0,15 мм. Стойкостные характеристики инструмента в таких условиях работы в значительной степени определяются физико-механическими свойствами материала каждой конкретной заготовки.

50 60 70 80 90 100 120 140 V м/мнн

Рис. 6. Зависимости стойкости сверл типа ВТА модели № I от скорости резания при обработке с подачей F = 0.03 мм/об сталей, применяющихся при изготовлении теплообменных аппаратов для АЭС : 1 - сталь 08X18HI0T-ВД; 2 -сталь 10Х2М-ВД; 3 - сталь 10ГН2МФА-Ш; 4-сталь 09Г2СА-А* 5 - сталь 22К-Ш.

В четвёртой главе приведены результаты исследования процесса

развёртывания глубоких отверстий в трубных решётках и коллекторах.

Технология обработки глубоких отверстий в теплообменных аппаратов ружейными свёрлами предусматривает сверление на специальных многошпиндельных станках для глубокого сверления и последующее развёртывание на радиально-сверлильном станке. Высокая трудоёмкость при развёртывании обусловлена обработкой одним шпинделем, а также дополнительными потерями времени на переустановку детали. Для повышения производительности обработки глубоких отверстий был предложен способ обработки и специальные конструкции развёрток, отличающиеся гем, что сверление и окончательная обработка отверстий производятся на одном станке с использованием единои базы для установки инструмента (головок ВТА и развёрток) на стебле станка для глубокого сверления, а для надёжной эвакуации стружки при раз-

вёртывании применяется подача СОТС под высоким давлением (патент РФ №2413596). Были разработаны две конструкции специальных развёрток, имеющих посадочные места и присоединительную резьбу, позволяющие устанавливать их на стебли свёрл типа ВТ А (рис.7). Первая конструкция имеет режущую часть с винтовыми зубьями из быстрорежущей стали (БРС), аналогичную специальным разверткам для радиально-сверлилъного станка. Вторая конструкция предназначена для исследования возможности высокопроизводительной обработки при развёртывании и имеет прямозубую цельную твердосплавную режущро часть.

Рис. 7. Специальные развёртки для станка глубокого сверления, а) с режущей частью из быстрорежущей стали Р6М5К9; б) с режущей частью из твёрдого сплава.

При винтовом зубе формируется компактная спиральная стружка, направляемая вперёд. Поток СОЖ способствует эффективной эвакуации стружки. При работе развёртки с прямым зубом образуется ленточная стружка и её эвакуация происходит только под действием СОЖ. В этом случае большое значение имеет величина стружечных канавок, которая должна быть не менее 60% от площади поперечного сечения обрабатываемого отверстия. При площади стружечных канавок 50% от площади поперечного сечения обрабатываемого отверстия эвакуация стружки затруднена и на обработанной поверхности образуются надиры, а при площади канавок 40% стружка пакетируется.

Обобщенные данные о режимах резания, при которых возможно применение специальных развёрток, приведены в таблице 6.

Таблица 6

Режимы резания, реализуемые при развёртывании

Обрабатываемый материал Подача К (мм/об) / Скорость резания V (м мин)

Развёртка из БРС Развёртка из ТС

22К-Ш 0.35-0.5/16-25 0.3-0.5/36-102

ШХ2М-ВД 0.35 - 0.5 / 16- 23 . '- • '

О8Х18Н10Т-ВД 0.35 — 0.5 /16—21.5 -

! 0ГН2МФА-Ш 0.35-0.5/16-24 0.3-0.5/40-100

09Г2СА-А 0.35-0.5/16-25 0.3 - 0.5 / 40 - 97

Развёртка является финишной операцией и влияет на точность диаметра, формы обрабатываемых отверста"}, характеристики поверхностного слоя.

Установлено, что для обеспечения требований к глубоким отверстиям ответственных деталей теплообменной аппаратуры по точности диаметра развёртки должны иметь биение режущих зубьев относительно оси инструмента в радиальном направлении не более 0.02 мм (предпочтительно в пределах 0.01 мм), и биение режущих кромок в осевом направлении не более 0.01 мм. .

В процессе испытаний установлено, что обе разработанные развёртки обеспечивают выполнение требований к точности диаметра и формы глубоких отверстий в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС (рис. 8). «Разбивка» диаметра отверстий не превышала Д = 0.12 мм. Более высокая точность твердосплавной развёртки объясняется высоким качеством заточки, обусловленное^ простотой геомефии инструмента.

Разбивка диаметра отверстий, мм

Рис. 8 Разбивка диаметров отверстий глубиной Ь = 420 мм при развертывании стали 22К-Ш: 1 - разверткой из БРС; режимы резания: скорость V - 23 м/мин, подача Р = 0.33 мм/об; 2 - твердосплавной разверткой; режимы резания: скорость V = 51 м/мин, подача Р = 0.35 мм/об.

При выводе развёрток из отверстия на обработанной поверхности оставался след от режущих зубьев инструмента глубиной 2-3 мкм. С учётом требования о недопустимости продольных и винтовых рисок, выходящих на наружную поверхность обрабатываемой детали, было предложено производить вывод инструмента с подачей на оборот, сопоставимой с подачей на

17

оборот при рабочем ходе. Таким образом, при выводе инструмента одновременно производилось выглаживание поверхности отверстия; Поскольку вывод инструмента яз отверстия производился при подаче Fm = 500 - 600 мм/мин, то и обороты шпинделя увеличивались до п = 1700 - 2100 Mim"1. Применение вывода инструмента из отверстия с вращением и подачами, сопоставимыми с подачами при рабочем ходе, позволило устранить образование на поверхности обработанного глубокого отверстия следа от режущих зубьев развёртки. . ,

Графики износа развёрток из быстрорежущей стали при обработке материалов, применяющихся при изготовлении коллекторов и трубных решёток для АЭС, приведены на рисунке 9,

При исследовании работы развёрток из быстрорежущей стали установлено, что при одинаковых режимах резания стойкость развёрток при работе на станке для глубокого сверления до 2 раз превосходит стойкость развёрток при работе на радиально-сверлильном станке. Причиной повышения стойкости инструмента является снижение температуры в зоне резания и уменьшение адгезионного взаимодействия между обрабатываемым и режущим материалами, что обусловлено подачей в зону резания высоконапорного потока СОЖ. При обработке износ шел как по задней, так и по передней поверхности режущего зуба в периферийной зоне.

Рис. 9 Кривые износа по задней поверхности режущих зубьев разверток из быстрорежущей стали при обработке сталей, применяющихся при изготовлении теплообменных аппаратов для АЭС. Режимы резания: скорость У= 20.5 м/мин, подача Р = 0.375 мм/об. I - сталь 08Х18Н10Т-ВД; 2 - сталь 10Х2М-ВД; 3 - сталь 10ГН2МФА-Ш; 4 - сталь 09Г2СА-А; 5 - сталь 22К-Ш

При исследовании стойкости твердосплавных развёрток установлено, что износ происходит преимущественно по задней поверхности режущих зубьев. Критическим износом является Ь3 = 0.4 мм. При работе на эффективных режимах твердосплавная развёртка позволяет между переточками обработать в 3.5 - 4 раза больше отверстий, чем развёртка из быстрорежущей стали.

Исследование состояния поверхностного слоя при обработке глубоких отверстий проводилось по двум параметрам: шероховатости поверхности и остаточным напряжениям.

Согласно требованиям к глубоким отверстиям в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС шероховатость поверхности не более На = 6.3 мкм.

Исследование шероховатости поверхности при сверлении инструментом типа ВТА позволило установить, что на состояние поверхности в первую очередь влияет износ инструмента. При износе инструмента, близком к критическому, шероховатость возрастала с Иа = 0.5 - 0.63 до Яа = 2.5 - 3.0.

Шероховатость поверхности после развёртывания, как правило, более высокая, чем после сверления свёрлами типа ВТА, поскольку развёртки не имеют опорных элементов, оказывающих выглаживающее действие на поверхность.

При развёртывании глубок!« отверстий быстрорежущими развёртками с винтовым зубом на режимах резания: V = 20.5 м/мин (число оборотов шпинделя п = 400 мин"1); подача Р = 0.375 мм/об, шероховатость составляла Ка = 3.1-4 мкм. При износе инструмента по задней поверхности Ь3 = 0.4 мм шероховатость обработанной поверхности вырастала до Яа = 5 - 5.2 мкм. Повышение подачи при указанном износе до Р = 0.5 мм/об приводило к увеличению шероховатости до Ка = 5.5 - 5.7 мкм.

При обработке глубоких отверстий развёртками из твёрдого сплава отмечалось, что на скоростях резания V = 20 - 30 м/мин происходит интенсивное формирование нароста, в результате чего шероховатость поверхности составляла Яа = 3.8 - 4 мкм. При повышении скорости резания до V = 55 - 58 м/мин и подаче Р = 0.35 мм/об шероховатость снижалась до Иа = 1.1 - 2.2 мкм. С дальнейшим ростом скорости резания и подачи шероховатость возрастает и при V = 76.6 м/мин, Р = 0.4 мм/об достигает Яа = 7.3 - 8.4 мкм.

Исследования остаточных напряжений в поверхностном слое глубоких отверстий позволили установить, что при сверлении инструментом типа ВТА с дроблением стружки за счёт скручивания в корпусе на скоростях резания до V = 90 м/мин в поверхностном слое формировались остаточные напряжения сжатия. При увеличении скорости резания до V = 95 - 130 м/мин в поверхностном слое могли формироваться как остаточные напряжения сжатия, так и растяжения величиной до 40 Мпа и глубиной до 0.2 мм. Глу бина напряжённо-деформированного слоя зависит от величины подачи.

При сверлении глубоких отверстий инструментом типа ВТА с дроблением стружки за счёт работы стружколомных порожков в поверхностном слое преимущественно формируются остаточные напряжения растяжения. На

19

эффективных режимах резания их величина может достигать 200 МПа, а глубина залегания 0.2 - 0.3 мм. .

При обработке глубоких отверстий развёртками из быстрорежущей стали с подачами F = 0.375 мм/об и менее после сверления свёрлами ВТА в поверхностном слое преимущественно формировались остаточные напряжения сжатия величиной до 120 МПа и глубиной залегания до 0.25 мм.

При обработке глубоких отверстий твердосплавными развёртками на высоких скоростях резания в поверхностном слое формировались преимущественно остаточные напряжения растяжения. Величина остаточных напряжений определялась скоростью резания, а глубина залегания - подачей. Формирование остаточных напряжений сжатия отмечалось только при скорости резания V < 58 м/мин и подаче F = 0.35 мм/об, что накладывает ограничение на режимы резания при применении твердосплавных развёрток при обработке глубоких отверстий в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС.

В главе 5 приведены рекомендации по обработке глубоких отверстий в коллекторах и трубных досках теплообменных аппаратов для АЭС.

Обработку глубоких отверстий в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС рекомендуется выполнять за два прохода на одном рабочем месте, при этом сверление следует производить инструментом с внутренним отводом стружки Tima ВТА, а развёртывание выполняется специальной развёрткой, установленной на стебель сверла ВТА (патент РФ №2413596). Припуск под развёртывание должен обеспечивать удаление напряжённого слоя, сформированного при сверлении, а режимы резания обеспечивать отсутствие остаточных напряжений растяжения после развёртывания. Вывод развёртки то отверстия должен выполняться с вращением, при этом подача на оборот должна быть сопоставимой с подачей рабочего хода, отличаясь на 5-7 % (заявка на изобретение №2012154590). Для выполнения требований к глубоким отверстиям в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС по уводам оси отверстия необходимо применение устройства для глубокого сверления (патент РФ №2288812), в котором за кондукторной втулкой устанавливается люнет, при этом отклонение от параллельности оси кондукторной втулки и оси вращения шпинделя должно быть не более 0.02/80 мм; отклонение от соосности оси кондукторной втулки и оси вращения шпинделя не более 0.04 мм; зазор между кондукторной втулкой и инструментом (разность диаметров) не более 0.025 мм. Предельный допустимый износ по задней поверхности для свёрл типа ВТА с дроблением стружки за счёт скручивания в корпусе и развёрток га быстрорежущей стали и твёрдого сплава h3 = 0.4 мм, для свёрл типа ВТА с дроблением стружки за счёт работы стружколомных порожков— Ь3= 0.3 мм. При обработке глубоких отверстий рекомендуется применение масляной СОЖ «МР-ЗК» с процентным содержанием серы 2 - 2.2%. Расход СОЖ при сверлении Q = 60 - 70 л/мин. Давление СОЖ на холостом ходу 4.0 — 4.5 МПа. Расход СОЖ при развёртывании Q = 20 - 25 л/мин. Давление СОЖ на холостом ходу 1.4—1.6 МПа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В результате комплексных исследований, выполненных в лабораторных и производственных условиях; разработаны технологические основы обеспечения высокопроизводительной обработки глубоких отверстий в коллекторах и трубных решётках теплообменник аппаратов для АЭС с соблюдением требований по точности обрабатываемых отверстий и характеристикам поверхностного слоя, при этом:

1. Установлено, что при глубоком сверлении материалов, применяющихся при изготовлении трубных решёток коллекторов теплообменных аппаратов для АЭС, свёрлами Tima ВТА существуют два диапазона рабочих подач, при которых возможно эффективное дробление и эвакуация стружки. В первом диапазоне рабочих подач стружка дробится за счёт изгиба и скручивания в корпусе сверла, во втором диапазоне рабочих подач эффективность дробления стружки обеспечивается действием стружколомных порожков. Конкретные величины рабочих подач в указанных диапазонах зависят от геометрии режущей части сверла и физико-механических характеристик обрабатываемого материала.

2. Установлено, что при сверлении инструментом Tima ВТА с дроблением стружки за счёт изгиба и скручивания в корпусе сверла для каждого из обрабатываемых материалов существует максимальная скорость резания, при которой возможно эффективное дробление стружки. В случае превышения этой скорости под действием температуры в зоне резания стружка становится более пластичной и ломается только при значительном уменьшении подачи.

3. Разработаны рациональные конструкции свёрл типа ВТА и специальных развёрток а также технологической оснастки для обработки глубоких отверстий в деталях из материалов, применяющихся при изготовлении коллекторов и трубных решёток теплообменных аппаратов для АЭС, при этом обеспечена возможность двухпроходной обработки отверстий на одном рабочем месте без потерь времени на переустановку детали, минимизированы потери на перенастройку станка для финишной обработки, реализована возможность многошпиндельной обработки.

4. Выявлено влияние технологических факторов на точность диаметра и формы отверстий, увод их оси, а также характеристики поверхностного слоя при однопроходной и двухпроходной обработке глубоких отверстий с применением свёрл пша ВТА и специальных развёрток различных конструкций.

5. Разработана математическая модель, связывающая увод оси глубоких отверстой при сверлении инструментом типа ВТА с характеристиками технологической оснастки и оборудования (непараллельностью оси кондукторной втулки и оси шпинделя, зазором между кондукторной втулкой и инструментом, а также расстоянием от точки опоры стебля сверла до торца обрабатываемой заготовки).

6. Разработаны требования к геометрическим параметрам сверл и развёрток, степени их износа, режимам обработки, характеристикам и условиям применения СОЖ, точности настройки технологической оснастки, при выполнении которых обеспечивается необходимое качество обработки глубоких отверстий в деталях го материалов, применяющихся для изготовления коллекторов и трубных решёток

21

АЭУ. При этом обеспечивается точность диаметра отверстий (разбивка) в пределах Д = 0.03 - 0.05 мм, шероховатость не более Ra = 52 мкм, отклонения от прямолинейности отверстий не более 0.01/100 мм, уводы оси отверстий не более 0.1/100 мм, в поверхностном слое формируются остаточные напряжения сжатия.

7. Установлено влияние условий обработки на стойкость свёрл типа ВТА и специальных развёрток при обработке глубоких отверстий в коллекторах и трубных решётках теплообменных аппаратов для АЭС, определены возможные пути её повышения.

8. Разработаны технологические процессы обработки глубоких отверстий в ответственных деталях тешообменной аппаратуры для АЭС, обеспечивающие повышение производительности при сверлении в 1.5 — 2 раза и при развёртывании в 1.4-4.1 раза по сравнению с технологией, предусматривающей сверление ружейными свёрлами на станке для глубокого сверления с последующим развёртыванием на радиально-сверлильном станке.

9. Новые разработки защищены патентами РФ №2413596, №2288812, заявкой на изобретение №2012154590. Результаты работы получили практическое подтверждение и были использованы при изготовлении теплообменного оборудования для АЭС «Тяньвань» (Китай), «Бушер» (Иран), «Пакш» (Венгрия), «Куданкулам» (Индия), «Козлодуй» (Болгария), Ростовской АЭС, Нововоронежской АЭС-2, Ленинградской АЭС-2, Белоярской АЭС, Калининской АЭС и др.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В рецензируелгых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Могугов И.В. Метод и устройство для определения остаточных напряжений в образцах и трубках малого диаметра // Терехов В.М., Могутов И.В., Клауч Д.Н., Овсеенко Е.С./ Технология машиностроения, 2011, №2, с. 43-47

2. Могутов И.В., Кущёва М.Е., Ермолаева Н.В., Ягуткин Е.Г., Голубков Ю.В. Исследование смазочно-охлаждающих жидкостей для обработки глубоких отверстий /Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса, 2011, №6, сЗ 1-32

В других изданиях:

3. Могугов И.В. Состояние поверхностного слоя глубоких отверстий в деталях после механической обработки. //Даниленко В.Г., Белоусов В.П., Клауч Д.Н., Терехов В.М., Овсеенко А.Н., Кущёва М.Е., Могутов И.В. -Тезисы докладов Международной конференции «Влияние технологии на состояние поверхностного слоя.» — Познань, Seria: TECHNOLQGIA MASZYN, t. XX, nr.2, 2002 г, с. 105-108.

4. Даниленко В.Г., Терехов В.М., Могутов И.В. Особенности применения инструмента типа ВТА при обработке глубоких отверстий в деталях ответственного теплообменного оборудования. - Тезисы докладов заседания XI сессии Научного Совета РАН по проблемам машиноведения и технологических процессов. - М.: МГТУ им, Баумана, 2005 г.

5. Патент №2288812. Устройство для обработки глубоких отверстий / Терехов В.М., Клауч Д.Н.. Могутов И.В. и др. - 2005111734/02 Заявл. 21.04.2005, Опубл. 10.12.2006, Бюлл. №34.

6. Патент № 2413596. Способ обработки глубоких сквозных отверстий. Клауч Д.Н., Терехов В.М., Могутов И.В. и др. -2009140424/04 Заявл. 03.11.2009, Опубл. 10.03.2011. Бюлл. №7

Подписано в печать 09.04.2013 г. Тираж 100 зкз. Формат 60*84 I /16. Заказ. №117.

Типография ОАО «Машиностроительный завод «ЗиО-Подольск» 142103 Московская обл., г. Подольск, ул. Железнодорожная, д2.

ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

На правах рукописи

04201361460

Могутов Игорь Валентинович

УДК 621.951

Повышение производительности обработки глубоких отверстий в трубных решётках и коллекторах теплообменных аппаратов для АЭС.

Специальность 05. 02. 08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. Кпауч Д.Н.

Москва -2013

СОДЕРЖАНИЕ

СТР.

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1 Особенности технологии обработки глубоких отверстий

в деталях теплообменных аппаратов АЭУ..........................................7

1.1 Краткая характеристика объектов исследования................................7

1.2 Методы обработки глубоких отверстий............................................................8

1.3 Конструкции инструмента..................................................................................................12

1.4 Методы дробления стружки............................................................................................15

1.5 Обрабатываемые и инструментальные материалы..........................18

1.6 Смазочно-охлаждающие технологические средства........................21

1.7 Режимы резания..........................................................................................................................23

1.8 Точность отверстий..................................................................................................................24

1.9 Качество поверхностного слоя глубоких отверстий............................28

Выводы....................................................................................................................................................34

Глава 2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И

ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................36

2.1 Условия проведения экспериментов....................................................................36

2.1.1 Оборудование для исследования процесса обработки глубоких отверстий..................................................................................................................36

2.1.2 Инструмент, смазочно-охлаждающие среды............................................38

2.1.3 Исследуемые материалы и образцы..................................................................39

2.2 Методы исследований, приборы, установки и средства измерений............................................................................................................................................43

2.2.1 Измерение геометрических параметров..........................................................43

2.2.2 Шероховатость поверхности..........................................................................................43

2.2.3 Остаточные напряжения....................................................................................................44

Глава 3 ИЗЫСКАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В ТРУБНЫХ РЕШЁТКАХ И

КОЛЛЕКТОРАХ..........................................................................................................................50

3.1 Изыскание рациональной конструкции инструмента и

режимов резания......................................................................................................................50

^ 3.2 Исследование влияния технологических параметров

обработки на точность сверления глубоких отверстий......... 78

3.3 Исследование стойкости инструмента и возможности её повышения..................................................................... 100

3.4 Выводы......................................................................... 111

Глава 4 ИЗЫСКАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАЗВЁРТЫВАНИЯ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В ТРУБНЫХ РЕШЁТКАХ И КОЛЛЕКТОРАХ........................................ 113

4.1 Изыскание рациональной конструкции режущего инструмента и режимов резания....................................... 113

4.2 Исследование влияния технологических параметров обработки на точность развёртывания глубоких отверстий... 119

4.3 Исследование стойкости инструмента при развёртывании... 123

4.4 Исследование влияния технологии обработки на состояние поверхностного слоя глубоких отверстий........................... 127

4.4.1 Шероховатость............................................................... 127

4.4.2 Остаточные напряжения.................................................. 133

4.5 Выводы.......................................................................... 142

Глава 5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОБРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ В КОЛЛЕКТОРАХ И ТРУБНЫХ ДОСКАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ АЭС..................... 145

5.1 Общие рекомендации...................................................... 145

5.2 Рекомендации по обработке глубоких отверстий в коллекторах парогенераторов энергоблоков ВВЭР-1000, ВВЭР-1200.............................................................................. 146

5.3 Рекомендации по обработке глубоких отверстий в трубных

досках подогревателей высокого давления, подогревателей низкого давления, подогревателей сетевой воды энергоблоков ВВЭР-1000, ВВЭР-1200......................................... 147

5.4 Рекомендации по обработке глубоких отверстий в камерах ^ модулей испарителя парогенераторов энергоблоков БН-^ 600, БН-800 и модулей пароперегревателя парогенератора

энергоблока БН-800......................................................... 150

5.5 Рекомендации по обработке глубоких отверстий в трубных досках теплообменников типа «Ыа - Ыа» энергоблоков БН-600, БН-800, камерах модулей пароперегревателей энергоблока БН-600.............................................................. 151

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................... 153

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................. 156

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Высокие экономические показатели и уровень безопасности, растущий спрос на энергию и повышение цен на энергоносители создают основу для развития атомной энергетики России.

Цели государства в области энергетической безопасности определены распоряжением правительства РФ №1234-р «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года», постановлением правительства РФ №605 от 06.10.2006 г. о федеральной целевой программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года». Согласно этим программам, предусматривается доведение производства электроэнергии до 1215 млрд. кВт*ч. Доля атомных электростанций составит более 18% (до 230 млрд. кВт*ч). Для этого потребуется обеспечить темп создания новых мощностей до 2 ГВт в год.

Главными задачами в развитии атомной энергетики являются повышение её эффективности и конкурентоспособности, снижение уровня удельных затрат на воспроизводство и развитие мощностей при обеспечении соответствия уровня безопасности современным нормам и правилам.

Основу отечественной атомной энергетики составляют двухконтурные атомные энергетические установки (АЭУ) с водяным теплоносителем, более известные как «водо-водяные энергетические реакторы ВВЭР» (Р\Л/Р). В РФ реакторы ВВЭР составляют около 90% действующих, строящихся или проектируемых мощностей. /60/. Широкое распространение реакторы Р\Л/К получили также в США, Японии, Франции и других странах. Перспективным направлением развития являются АЭУ с реакторами на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. В РФ в настоящее время эксплуатируется реактор БН-600, строится БН-800, готовится к изготовлению БН-1200.

В конструкции АЭУ широко используются теплообменные аппараты различного назначения. В качестве нагревательных элементов в них применяются трубчатые системы, состоящие из большого количества труб (от нескольких сотен до нескольких тысяч), по которым под высоким давлением прокачивается теплоноситель в виде воды или жидкого металла /135/. В качестве типовых представителей теплообменных аппаратов можно назвать парогенератор и подогреватель высокого давления (ПВД) реактора ВВЭР-1000, парогенераторы реакторов БН-600, БН-800.

Одним из наиболее трудоемких в изготовлении элементов теплообменных аппаратов являются коллектора и трубные решётки, в которых закрепляются теп-лообменные трубы. Вместе с тем, к надежности этих элементов, как и к теплооб-менным аппаратам в целом, предъявляются самые высокие требования. В 1988 -1993 гг. имели место многочисленные выходы из строя парогенераторов энергоблоков ВВЭР-1000 /90 - 93, 96, 135/. Как показали проведённые исследования, одним из важнейших факторов, определяющих эксплуатационную надёжность теплообменных аппаратов, является качество выполнения в них глубоких отверстий /94, 95, 135/. Задача обеспечения требуемого качества обработки глубоких отверстий в коллекторах парогенераторов и трубных решётках в целом решена /95,135/. Вместе с тем, проблема повышения производительности при обеспечении на требуемом уровне качества обработки глубоких отверстий остаётся актуальной научно-технической задачей. Имеющихся данных о влиянии различных вариантов обработки отверстий на физико-механическое состояние поверхностного слоя глубоких отверстий недостаточно для осуществления научно-обоснованного проектирования рациональных процессов обработки глубоких отверстий с учетом современных конструкций оборудования, оснастки, инструмента, а также новых инструментальных и обрабатываемых материалов.

В диссертации представлены результаты исследований влияния различных методов, схем и режимов механической обработки отверстий на физико - механическое состояние поверхностного слоя глубоких отверстий, а также приведены результаты научного обоснования рациональной технологии и режимов обработки глубоких отверстий в теплообменной аппаратуре с разработкой специализированного инструмента и оснастки, обеспечивающих повышение производительности при сохранении необходимых параметров поверхностного слоя.

Исследования проводились в отделе технологии холодной обработки металлов ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и ОАО "ЗиО-Подольск" в период 1997 * 2013 годы в рамках государственных и отраслевых научно-технических программ.

Результаты работы получили практическое подтверждение и были использованы при изготовлении теплообменного оборудования для АЭС «Тяньвань» (Китай), «Бушер» (Иран), «Пакш» (Венгрия), «Куданкулам» (Индия), «Козлодуй» (Болгария), Ростовской АЭС, Нововоронежской АЭС-2, Ленинградской АЭС-2, Белоярской АЭС, Калининской АЭС и др.

Глава 1 Особенности технологии обработки глубоких отверстий в деталях теплообменных аппаратов АЭУ.

1.1 Краткая характеристика объектов исследования.

Оценивая состояние и перспективы развития атомной энергетической отрасли РФ можно отметить, что наиболее массовыми как в настоящее время, так и в прогнозируемом будущем являются водо-водяные энергетические реакторы ВВЭР /60/. В то же время перспективным направлением развития представляются реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем типа «Ыа-Ыа». С учётом вышеизложенного, в качестве объектов исследования принимаются коллектора и трубные решетки теплообменных аппаратов энергоблоков типа ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, БН-600, БН-800.

Анализ конструкторской документации на указанные теплообменные аппараты показывает, что в подавляющем большинстве коллекторов и трубных решеток обрабатываются глубокие отверстия 016.25+017 мм глубиной 1_ от 130 до 450 мм в зависимости от конструкции теплообменного аппарата. Количество отверстий в одной трубной решетке или коллекторе составляет от 239 до 10974 шт. Шероховатость поверхности обработанных глубоких отверстий должна быть не более (Ча = 6.3 мкм. Для изготовления коллекторов и трубных решеток применяются стали марок 22К-Ш, 10Х2М-ВД, 10ГН2МФА-Ш, 09Г2СА-А, 08Х18Н10Т-ВД, 10Х18Н9.

Кроме размера отверстий и шероховатости в чертёжно-конструкторской документации имеются требования по допустимым уводам отверстий, заданные в виде допусков на перемычки между отверстиями и допусков на перпендикулярность оси отверстий относительно зеркала трубной доски или образующей коллектора.

В качестве дополнительных требований указывается требование о недопустимости продольных или винтовых рисок, выходящих на поверхность трубных досок или коллекторов.

В отдельных случаях указывается требование о недопустимости растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных глубоких отверстий, а также требование о том, что пластически деформированный поверхностный слой после глубокого сверления не должен превышать 100 мкм, а степень наклепа (увеличение микротвердости) не более 50% по отношению к микротвердости в середине перемычки /135/.

1.2 Методы обработки глубоких отверстий

Обработка глубоких отверстий является одним из наиболее сложных видов механической обработки деталей, для выполнения которой необходимо обеспечение ряда специфических условий. Значительный вклад в совершенствование процессов глубокого сверления, специального оборудования, режущего инструмента и оснастки внесли Астахов В.П., Гуськов A.M., Горелик М.Е., Кижняев Ю.И., Кирсанов C.B., Кокарев В.И., Мещеряков Р.К., Минков М.А., Назаренко Д.В., Плужников С.К., Подураев В.Н., Терехов В.М., Троицкий Н.Д., Уткин Н.Ф., N. Raabe, О. Webber, W. Theis, A. Katsuki, H. Onikura, T. Sajima, Horiuchi O, S.J. Torabi, M.O.M. Osman, V.N. Latinovic, F. Pfleghar и др.

В книгах, монографиях, диссертационных работах Кирсанова C.B., Минкова М.А., Троицкого Н.Д., Уткина Н.Ф. и др. /28, 48, 49, 50, 57, 78, 83, 140/ дан обзор всех основных операций обработки глубоких отверстий, рассмотрены вопросы совершенствования теории процессов глубокого сверления и проектирования инструментов для глубокого сверления, дан подробный анализ применяемого оборудования, проблем механизации и автоматизации процессов и др.

Методы глубокого сверления можно классифицировать по кинематической

схеме:

- заготовка вращается, а инструмент совершает только поступательное движение подачи;

- заготовка вращается, а инструменту одновременно сообщается вращение (встречное) и поступательное движение подачи;

- заготовка неподвижна, а инструменту одновременно сообщается вращение и поступательное движение подачи.

Первые два метода применяются в основном для обработки деталей осевой формы типа валов, роторов, труб и т.п. Обширные исследования этих методов выполнены Н.Д. Троицким, Н.Ф. Уткиным, Ю.И. Кижняевым, С.К. Плужнико-вым, C.B. Кирсановым и др. Третий метод, как правило, применяется при обработке несимметричных и крупногабаритных заготовок, вращение которых затруднено. К таким изделиям можно отнести трубные доски и коллектора теплообменных аппаратов, ряд деталей топливной аппаратуры, коленвалы и др. При этом методе, как правило, возможна одновременная обработка нескольких отверстий с применением многошпиндельного оборудования. Исследования процессов обработки глубоких отверстий с неподвижной заготовкой и подвижным инструментом проводили Р.К. Мещеряков, М.Е. Горелик, В.М. Терехов и др.

Кроме кинематической схемы, методы обработки глубоких отверстий можно классифицировать по принципу эвакуации стружки:

- с принудительным отводом стружки потоком СОТС;

- с отводом стружки по спиральным каналам за счёт геометрии инструмента.

Н.Д. Троицкий /140/ определяет процесс глубокого сверления как непрерывный процесс образования в сплошном материале заготовки отверстий с относительной длиной более 3-5 диаметров сверления с применением специальных свёрл, оснастки и оборудования, обеспечивающих принудительный отвод стружки из зоны резания. Н.Ф. Уткин /83/ определил понятие глубокого сверления и растачивания как способ сверления (растачивания), отличающийся наличием принудительного отвода стружки из отверстия потоком СОЖ или какой-то иной рабочей среды и базированием инструмента на поверхность обработанного отверстия.

Под базированием рабочей части инструмента понимается состояние, когда силы сопротивления, возникающие во время сверления в поперечной плоскости сверла, действуют всё время в одном направлении по отношению к сверлу /140/. Инструмент, имеющий такую конструкцию, когда специально создаётся радиальная составляющая силы резания, прижимающая направляющие инструмента к поверхностям отверстия, обработанного впереди идущим лезвием (лезвиями), предложено считать инструментом с определённостью базирования /49, 140/. Остальные мерные инструменты, используемые при обработке глубоких отверстий, относят к инструментам без определённости базирования. Предложенная терминология получила широкое распространение.

Поскольку для обработки глубоких отверстий широко применяются как инструменты с определённостью базирования, так и без такового, справедливой будет классификация методов обработки по типам применяемого инструмента.

В современном энергетическом машиностроении при обработке глубоких отверстий применяются различные типы инструмента. Наиболее широко используется специальный инструмент для глубокого сверления, отличающийся наличием принудительного отвода стружки из отверстия потоком СОЖ или какой-то иной рабочей среды и базированием на поверхность обработанного отверстия /28, 48, 49, 50, 57, 58, 78, 83, 140/.

Вместе с тем, на ряде предприятий применяются специальные спиральные сверла и свёрла шнекового типа с каналами для подвода СОЖ, позволяющие сверлить глубокие отверстия, в том числе в труднообрабатываемых материалах,

с отношением l:d до 25-30 на универсальных станках. Вопросы применения спиральных и шнековых сверл подробно рассмотрены в работах А.М. Карвацкого, В.А. Резникова, М.Г. Сериковой, О.С. Мальцева, В.Д. Самохвалова и др. /46, 49, 71, 107, 115, 119, 126/.

Основными недостатками спиральных свёрл и свёрл шнекового типа являются:

- сравнительно невысокая точность и качество поверхностного слоя обработанных отверстий. Отсутствие определённости базирования обуславливает значительные уводы оси отверстия, особенно при неоднородностях материала за�