锆管切定长装置的设计

锆管切定长装置的设计

刘宝桐，底乐，李超

（中核北方核燃料元件有限公司，包头，014035）

摘要：某燃料棒由内外两层锆合金管填充环形芯块的形式构成，必须保证两层管间的配合尺寸精度及管的端面质量。在考虑锆合金管材切割特点的基础上，研制了专用的核燃料锆管切定长装置，采用双工位切断、自动切换刀具及管传输工艺避免了长管掉头操作，并可在同一工位完成各种端面处理。通过更换弹性筒夹、夹持装置高度自适应等办法适应了不同种直径管材的切断。集成长度检测装置实现尺寸在线测量控制，满足了尺寸精确控制的工艺要求。

关键词：锆管切定长；双工位切断；端面处理；在线测量

Design of certain length cuttingdevice for nuclear zirconium tube

LiuBaotong,DiLe, LiChao

(China north nuclear fuel corporation,Baotou,014035)

Abstract: A fuel rod is made of two layers of zirconium alloy tube, which contains the circular pellets between them. The length of tubes should be matched with each other and tube end surface should be treated well. Considering the characteristics of zirconium tube cutting, a special cutting device is developed, which uses double cutting station and automatic cutting tool to save the tube turning operation, and can treat different types of tubes by using adaptive fixture design and adaptive height adjustment methodfor tubes with different diameters. Integrating on-line length measure system to measure and control dimensions. Finally, the process requirement is fully met.  

Key words: zirconium alloy tube cutting; double station cutting; end surface treat; on-line measure

0 概述

锆合金在高温环境中具有优异的抗腐蚀能力和低的热中子吸收截面[1]，压水堆核燃料生产中大量用到了锆合金管类部件，燃料棒包壳通常设计为锆合金管式结构。某燃料组件的燃料棒为环形结构，芯块填充在内、外两层锆合金包壳之间，两层管每端都要与同一个端塞进行密封环焊，需对内、外管间长度偏差进行精确控制，否则会导致其中一种管子与端塞间缝隙过大，无法焊接。此外，管端面毛刺，垂直度等表面质量也会影响焊接效果，需在切定长装置设计中考虑管子端面处理问题，为此研制了专用核燃料锆管切定长设备。

图1某燃料棒结构示意图

Fig.1Diagram of fuel rod structure

1管材切定长装置整体设计

从管材的材质、直径、长度、加工要求等特性出发，以保证切断精度、操作安全性及方便性为目标进行了装置设计。

核燃料锆管直径一般不超过20mm，长度通常均在3000mm以上，属于细长类工件，容易弯曲变形，因此设置了专门的支撑和传输机构，对其通长方向上的有效支撑，并借助重力使管材平稳前进。锆合金硬度相对小，夹持、传输中表面容易产生划痕，且与其接触的材料不能含卤族元素，选择聚氨酯、聚乙烯等材料作为支撑轨道或是夹爪衬垫。采用TIG焊接工艺将两种长度的管子与同一端塞进行焊接，需对每根管长度进行控制，并需保证端面垂直度、倒角、毛刺等指标符合要求，采用了双工位切断及端面处理设计，在主工位处理完一端后无需人工掉头，自动进行长度测量，通过测量给出的数据及目标长度，即可计算出副工位的加工量。因涉及到不同直径管材的处理，传输线夹管辊轮和支撑装置具有不同直径管材的自适应能力，管夹具更换方便。

装置床身、立柱等结构部件采用Q235－A焊接结构件，在精加前进行了时效处理，以保证刚性和强度，防止加工过程因抖动影响加工精度。工作台面厚面板20mm，床面高度以方便人员操作为原则，机头部分设置了防护罩等安全防护机构，下方设置了锆屑收集车。

综上，核燃料管材切定长装置设计应包括

1条自动传输线，2个加工和测量工位，工位布局示意图如下图。

图2装置整体布局设计

Fig.2 welding seam contour

2加工工位设计

2.1刀具选择

每个工位设置两把刀具：一把为标准切断刀（也可进行平端面操作），一把为非标倒角刀。锆合金切削加工时产生的热量，往往造成切屑和工件表面的氧化，限制切削速度的提高，切屑容易粘附到刀具表面，影响表面质量，降低刀具寿命，因此要求刀具材料的硬度和强度高，同时要有好的耐磨性和耐热性，与锆合金的亲和性差，选择了硬质合金作为刀具材料[2]。开展了刀具几何参数选择和切削量、切削速度试验，根据切屑形态和切断效果确定了管的转速，优化了刀具。

2.2 加工方式设计

采用管材旋转，刀具进给方式进行管材加工，刀具纵向进给切定长，刀具横向进给处理端面毛刺和倒角。切断、平端面和倒角工艺相互独立，可择需选择。切定长、平断面和倒角量可以在触摸屏上进行设置，某项设置为零时不进行该项操作。刀具被安装在一个横向和纵向均可以移动的伺服滑台上，伺服滑台是管材精确初定位和切断定位的关键，是靠尺挡板和刀具安装及移动的载体。伺服滑台主要采用丝杠和导轨滑块组合而成，由西门子伺服马达提供动力，能够准确定位到所需各个位置，且可通过PLC编程，实现自动定位。

因管材较长，清洗不便。为避免后续对管子整体的清洗操作，对管端的切断处理中未使用冷却液，通过风冷配合转速控制的方式实现切削中冷却。

2.3 旋转主轴设计

主轴用于对管材夹紧，为管提供旋转动力。

在主轴夹头设计方面，调研了德国雄克气动卡盘和台湾朝铨弹性夹头两种形式，二者精度均可满足要求，且卡盘精度更高，但如使用卡盘形式，在加工其它管径的工件时需要更换和调整对应的卡爪，较难保证重复安装精度，弹性夹头在加工不同直径管材时更换相应筒夹即可，相对灵活，且雄克气动卡盘价格相对较高，最终选择了朝铨弹性夹头，此型号夹头高转速可达3600RPM，夹持标准量棒的同轴跳动小于0.01mm，可实现旋转夹紧功能。定制筒夹内衬聚乙烯，可防止管材进出过程的表面划伤。

主轴动力头选用台湾翰坤整体动力头，可变频调速，主轴输出转速3000RPM 以内可调，主轴精度0.003mm以内。

图3气动卡盘（左）和弹性夹头（右）

Fig.3pneumatic chuck (left) and elastic chuck (right)

2.4 加工工艺

输入“毛坯管长度”和“成品管长度”值，再输入“主侧切断长度”即可，切完主侧后副工位切断长度就根据检测出的主工位切断后长度和成品管长度的差值计算并显示出来。管材加工流程为：管定位切断平端面倒角。管材加工前，伺服滑台[4]自动移动到设定的位置，位于加工工位传输线上的管材被气爪夹紧后在FESTO伺服电缸的带动下沿其轴线方向前进，穿过筒夹，直至运动到滑台基准面完成定位动作后被夹紧；伺服滑台后退，再定位到轴向位置进行切断；之后滑台轴向伺服电机带着切断刀向管端靠近一定距离完成平端面。倒角操作需要采用滑台上的定制倒角刀，滑台伺服按照设定参数运动到位，完成倒角后返回安全位置。

该装置除能满足燃料棒长管切定长外，还能同时满足其它相近直径管材及试样短管的加工需求，可更换不同直径的筒夹进行管子夹持，设计管子加长杆进行管子定位或手动直接将管子送入筒夹夹紧再人工定位刀具。

3自动传输机构设计

自动传输机构具有支撑、存储、自动传输管材及将管材向切断工位自动上、下料功能，自动传输线各部分的高度应与主体设备匹配，且方便调整。必须保证不同直径管的中心与切定长装置中心高度一致。自动传输机构包括料架、分料机构、传输机构等。

3.1料架架设计

上、下料缓存架一次可存放50根外包壳管，上、下料工位均安装有接近检测开关，可对各工位存料情况进行检测。自动状态下，当切定长工位无料时，分料机构每次自动传送一根至切定长工位，只有此管完成切定长和测长并移离后，方可继续上料，下料位的料满检测开关被处触发后，系统停止上料并报警。

3.2 上料分料机构设计

分料机构通过气缸带动拨料板升降的方式将上料架上的管逐根运送到加工工位，实现自动分料及上料功能。为保证升降平稳设置了直线轴承和导柱机构。

因内包壳管（直径约9mm）与外包壳管（直径约15mm）的直径差异较大，如按外包壳管进行设计，同一拨料机构无法同时满足一次只拨起一根内包壳管，因此在料架上增加了可旋转补偿块，内包壳上料时将其拨回，补偿内包壳管直径过小的问题。外包壳管上料时不需要使用该装置，将其拨到对侧即可。

图4使用补偿块（左）和不使用补偿块（右）

Fig4 Using compensation block(left) and not using compensation block(right)

3.3 加工工位传输机构设计

管材被分料机构送到主或副加工工位后，由毛刷进行支撑。毛刷采用不含卤族元素材料，且可保证管滑动或转动时不会在管上产生划痕。

为适应不同直径的管，设计了V板升降机构，在内包壳管上料时，通过气缸自动托举V型板使内包壳管中心高度与外包壳管中心高度基本一致，方便辊轮机构夹持，辊轮采用直径自定心结构设计。

管材定位采用前端定位方式，伺服电缸上的气爪夹持管材后，按照设定好的距离向伺服滑台的参考面送管，将管端伸出主轴。当管端抵紧参考面后，送管伺服电缸上的脱扣传感器即感应到了到位信号，立刻停止送管动作，管材随即被主轴夹头和各辊轮夹紧，电缸上的夹紧气爪松开。

3.4 下料分料机构

与上料分料机构原理相同，通过气缸升降将管材由加工工位下料移动到副工位。

4测长装置设计

因要对内、外包壳管各自的绝对长度和相对长度进行控制，在主工位和副工位分别设计了一套在线尺寸检测系统。系统采用非接触式影像检测[3]，可满足直径不同管的快速长度检测需求，测量范围Φ40mm，重复精度±0.08μm，测量位置精度±1μm。测长与切断同一工位，以滑台为基准，由FESTO伺服电缸将管顶到滑台上，固定于管尾部的基恩士传感器即可读出管尾端位置数值。通过与标准棒在基恩士传感器上测出的位置值相比较，即可得出被测管长度数值。主工位切断后测长是为了确定副工位精确加工量，副工位测长则是为了检测产品最终长度。管材长度可自动在工控机中进行记录保存。

5结论

通过对核燃料管材加工技术要求的分析，提出了管类切定长装置设计思路，研制了具有自动切定长和测量功能于一体的装置，基于伺服系统进行精确定位控制，稳定性好、切割精度高，实现了核燃料管类原材料的切定长和端面处理功能，切割精度和产品质量满足核燃料管类部件的定长切割要求。

参考文献：

［1］王丽霞.核电用锆合金管材在加工过程中的组织及织构研究 [D]. 重庆：重庆大学，2012

［2］丁勃.锆合金的切削加工［J］．金属加工，2014（15）：49-50．

［3］刘海仁，赵寅妮，赵文卿等．管子加工智能测长、定长切割单元研究［J］．船电技术，2020（40）：1-4．

［4］王瑾烽．基于S7-1200的定长切割控制系统设计［J］．集成电路应用，2020（37）：38-40．