（机械制造及其自动化专业论文）核电高压容器壳体焊缝高速强力砂轮磨削技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 以核反应堆压力容器、蒸发器、稳压器为代表的核电高压容器被喻为核电站 关键1 d 脏设备”，其壳体焊缝的制造水平直接影响到核电站的制造成本、效率、和 使用安全。坡口磨削、焊根清理是其必要的一道加工工序。高速强力磨削作为一 种先进的高效加工方式，已经越来越多的应用于核电高压容器壳体焊缝的制造加 工，但至今为止都还没有对核电高压容器壳体焊缝高速强力磨削技术进行全面且 深入的研究。因此研究1 6 m n d 5 这种典型核电高压容器材料的高速强力磨削技术 具有非常典型的意义，不但可以提升核电高压容器制造技术，同时有助于推广高 速强力磨削在核电高压容器加工中的应用，本文的研究对生产实际有理论指导意 义。 本文针对高速强力磨削1 6 m n d 5 核电高压容器材料的磨削机理、磨削试验设 备、材料切除率、磨削力、工件烧伤和砂轮磨损等方面进行了系统的研究，同时 联系现有的文献资料，得出如下结论： 砂轮磨料粒度越粗，平均材料去除率越大。磨削深度是高速强力磨削高材 料切除率的本质决定因素，对材料切除率的影响是很大的，随着磨削深度的增大， 材料切除率明显增加。随着砂轮速度的增高，材料切除率也随之增高。但是当砂 轮速度增加到一定值后，材料切除率的增加比较平缓。当磨削进给速度增加时， 材料切除率增加。 磨削深度和磨削进给速度一定，即在金属切除率为常数的情况下，砂轮速 度的提高意味着增加单位时间内通过磨削区域的磨粒数，将导致每颗磨粒的切深 减小，切屑减薄，切屑横断面积随之减小。其他条件相同时，磨料粒度对磨削力 的影响关系是：细粒度磨削力更大。磨削深度增大，使得单颗磨粒的最大未变形 切削厚度增大，同时参与磨削的有效磨粒数增多。导致磨削力增大且影响最为显 著。随着进给速度的增大，磨削力变化的情况都随进给速度的增大一直保持良好 的趋势单调上升，可见磨削进给速度对切向磨削力的影响程度较大。 提高砂轮磨削速度、加大磨削深度、提高工件速度均可提高磨削效率，但 在进行大切深磨削时，烧伤会比较严重，可以通过工艺优化的方法，即：粗磨时， 采用高线速度大切深缓进给磨削以提高磨削效率；精磨时，采用高线速度小切深 快进给磨削以保证加工表面质量，最终达到既大大提高了加工效率又保证了工件 的表面质量和使用性能。 当砂轮进给速度和磨削深度一定时，砂轮速度提高意味着增加单位时间内 通过磨削区的磨粒数，导致单颗磨粒的切深减小，切屑变薄，切屑截面积减小， 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 因此，有效磨粒的磨削力随之降低，磨料磨损速度下降，提高了砂轮的耐用度。 关键词：核电高压容器，高速强力磨削，材料切除率，砂轮磨损 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h en u c l e a rp o w e rh i g h p r e s s u r ev e s s e ls u e l a 勰n u c l e a rr e a c t o rp r e s s u r ev e s s e l 6 v a p o r a t o r s ，r e g u l a t o r s ，h a sb e e nk n o w na st h e h e a r te q u i p m e n t o fn u c l e a rp o w e r s t a t i o n t h em a n u f a c t u r i n gl e v e lo fi t ss h e l lw e l da f f e c t st h em a n u f a c t u r i n gc o s t , e f f i c i e n c y , a n du s e f u ls a f e t yo fn u c l e a rp o w e rs t a t i o n a s as o p h i s t i c a t e de f f i c i e n t p r o c e s s i n g , h i 曲一s p e e dh e a v yg r i n d i n gh a sb e e nm o r ea n dm o r cu s e dm a n u f a c t u r i n g s h e l lw e l di nn u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l b u ts of a rt h eh i g h s p e e dh e a v y g r i n , l i n gu s i n gi ns h e l lw e l do ft h en u c l e a rp o w e fh i 曲一p r e s s u r ev e s s e lh a sn o tb e e n r e s e a r c h e dc o m p l e t e l ya n dd e p t h a mt h e r e f o r et h es t u d yt h a t1 6 m n d 5s t e e lt y p i c a l n u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e lm a t e r i a l sh i g h - s p e e dh e a v y 蓼i n a i n gt e c h n o l o g y w i t hav e r yt y p i c a ls i g n i f i c a n c e n o to n l yc a ne i l l 】a l n c en u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r e v e s s e lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , b u ta l s oh e l pt op r o m o t eh i g h - s p e e dh e a v yg r i n d i n g a p p l i c a t i o n i n p r o c e s s i n gn u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l ，a n d d i r e c ta c t u a l m a n u f a c t u r i n g t h em a i ne f f o r t so f t h i sp a p e rf o l l o w ： t h eg r a i ns i z eo fg r i n d i n gw h e e lm o l er o u g h , t h eg r e a t e rt h ea v e r a g em a t e r i a l r e m o v a lr a t e g r i n d i n gd e p t hi st h ec s s c n c cd e t e r m i n i n gf a c t o ro f l a i g hm a t e r i a lr e m o v a l r a t eu s i n gh i g h - s p e e dh e a v yg r i n d i n g , g r e a t l ya f f e c t e dm a t e r i a lr e m o v a lr a t e w i t ht h e i n c r e a s i n go fg r i n d i n gd e p t h , m a t e r i a lr e m o v a lr a t es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e a l o n gw i t h t h ei n c r e a s e do fg r i n d i n gw h e e l 印c e d ，t h em a t e r i a lr e m o v a ll a t ea l s oi n c r e a s e d b u t w h e nt h ew h e e ls p e e di n c r e a s e dt oac c l t a i nv a l u e , t h ei n c r e a s eo f m a t e r i a lr e m o v a lr a t e h a ss l o w e dd o w n w h e ng r i n d i n gf e e dr a t ei n c r e a s e s ，t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ei n c r e a s e i nt h ec a s eo f t h em e t a lr e m o v a lr a t em a i n t a i nc o n s t a n t , i n c r e a s eo f w h e e ls p e e d l l l e a = n si n c r e a s eg r a i nn u m b e ri nu n i tt i m et h r o u g ht h eg r i n d i n gr e g i o n a l ，w i l lr e s u l ti n e a c hg r a i nc u t t i n gd e p t hd e c r e a s e s ，t h i n n i n gc h i p ，c h i pc r o s s - s e c t i o n a la r e ad e c r e a s e s m e a n w h i l eo t h e rc o n d i t i o n , t h er e l a t i o n s h i po fg r a i ns i z ee f f e c tg r i n d i n gf o r c ei st h a t g r i n d i n gf o r c eg r e a t e rw i t hm i n o rs i z e g r i n d i n gd e p t hi n c r e a s e s ，m a k i n gl a r g e s tc u t t i n g u n r e f o r m e dt h i c k n e s so fs i n g l eg r a i ni n c r e a s e s m e a n w h i l et h ee f f e c t i v eg r a i nt h a t p a r t i c i p a t eg r i n d i n gi n c r e a s i n g , r e s u l t i n g i ng r i n d i n gf o r c ei n c r e a s e da n dt h em o s t s i g n i f i c a n t l yi m p a c t a l o n gw i t ht h e 庐n df e e dr a t ei n c r e a s e s ，g r i n d i n gf o r c ei sa l w a y s m a i n t a i n e dg o o dt r e n dw i t hg r i n c lf e e dr a t ei n c r e a s i n g i m p r o v eg r i n d i n gw h e e ls p e e d ，i n c r e a s et h eg r i n dd e p t ha n di m p r o v ew o r k p i e e e 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s p e e dm a yi n c r e 勰eg r i n d i n ge f f i c i e n c y b mt h eh e a v yg r i n dd e p t hg r a d i n g , i tw i l lb e m o r es e r i o u sb u m s t h r o u g hp r o c e s so p t i m i z a t i o nm e t h o dc a ns o l v et h ep r o b l e m i nc o n d i t i o n so fd e t e r m i n i n gg r i n d i n g f e e dr a t ea n dg r i n d i n gd e p t h , t h e i n c r e a s i n go f w h e e ls p e e d m e a n si n c r e a s eg r a i nn u m b e rt h o u g hg r i n d i n gr e g i o n a li nu n i t t i m e , w i l lr e s u l t i ne a c h g r a i nc u t t i n gd e p t hd e c r e a s e s ，t h i n n i n gc h i p ，c h i p c r o s s s e c t i o n a la r e ad e c r e a s e s t h e r e f o r e ，t h ee f f e c t i v eg r i n d i n gf o r c ed e c r e a s e s w e a r r a t ei sd o w n i m p r o v et h ed u r a b i l i t yo f t h ew h e e l k e y w o r d s ：t h en u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l ，h i g h - s p e e dh e a v y g r i n d i n g , m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，w h e e lw e a r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：重亍揿 签字日期：2 47 年彳月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽盍堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：受雪彦么 签字日期：驴0 7 年5 月7 日 翩虢互多，一一己7 签字目期：上游多月7 曰 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 l 绪论 1 1 选题的背景及研究意义 1 1 1 选题的背景 随着全球环境日益恶化，核电以其核燃料资源储量丰富和清洁等特点，已经 为世界所重视，并得到较快的发展。目前我国核电机组已经进入商业运行，产生 了良好的经济效益。2 0 0 6 年3 月2 2 日，在国务院总理温家宝主持召开的国务院常 务会议上，审议并原则通过了由国家发改委撰写的核电中长期发展规划 ( 2 0 0 5 _ - 2 0 2 0 年) ，规划计划在今后1 5 年里建设至少3 0 座核电机组，到2 0 2 0 年在运行核电装机容量4 0 0 0 万千瓦，投资总额将在1 0 0 0 亿美元左右。 以核反应堆压力容器、蒸发器、稳压器为代表的核电高压容器被喻为核电站 关键1 心脏设备”。由于核电高压容器工作条件非常苛刻，除了承受高压之外，还常 常伴有交变载荷或冲击载荷，有时还伴有高温和介质腐蚀作用，因此，核电高压 容器通常由一些耐磨性和强度很高的厚钢板卷制焊接而成。 闰1 1 核电高压容器 f i g1 1n u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e l 核电高压容器工作环境恶劣，必须具备很好的焊缝质量，因此对其焊接工艺 提出了很高的要求。开坡口和焊根清理作为核电高压容器壳体焊缝焊接工艺中必 不可少的工序，其加工效率直接影响到焊接工艺的水平。由于核电高压容器材料 属于难磨削材料，相关焊缝磨削加工均属于典型大型曲面或曲线加工，又因其体 积庞大，加工难度极大。 国际上，工业发达国家法国、美国、德国、日本等生产核电装备的大公司， 如法国阿海珐、美国西屋电气、德国西门子、日本东芝、日立、日本三菱重工等 公司，已普遍使用基于h e d g 技术的高效重型自动化加工设备( 瑞士f a r r o s 公 司、德国d e u m a 公司、日本三菱重工进行核电高压容器加工制造，使得核电高 压容器的整体加工效率得到大幅度提高。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 2 本课题的研究意义 核电高压容器焊缝高速强力磨削性能研究是核电高压容器磨锉机研制过程中 不可缺少的一项前期基础工作，它涉及砂轮磨料与核电高压容器焊缝材料的交互 作用机理、砂轮磨损、磨削工艺与参数优化等具体内容。该项基础研究是整个研 究工作的前提，对核电高压容器焊缝高速强力磨削性能的研究将有利于后续各项 研究的顺利开展。例如，通过研究砂轮磨损规律，可以采取相应的自动砂轮磨损 补偿手段来提高核电高压容器焊缝磨削的加工精度；对磨削工艺的研究，则可以 为机床结构设计提供指导和优化磨床结构等。 本课题正是在以上背景条件和大量调研工作的基础上提出的，期问理论分析 了高速强力磨削的加工机理，系统地完成了核电高压容器壳体焊缝材料的磨削试 验。本研究成果能够为核电高压容器磨锉机顺利研制成功提供保障，对最终实现 核电高压容器壳体焊缝高速强力磨削有重要的理论和现实意义。同时，开展核电 高压容器壳体焊缝高速强力磨削技术研究，不仅可以促进我国高效磨削技术的发 展，而且可以提高我国大型加工装备设计和制造能力，对打破国外公司在专用重 型磨削装备技术垄断，促进我国核电装备国产化能力，都有着重要的战略意义， 发展以高速强力磨削加工为代表的机床行业必将促进我国机床行业的进一步发 展。 1 2 国内外高速强力磨削技术研究现状与发展趋势 1 2 1 国内外高速磨削技术的历史 欧洲高速超高速磨削技术的发展起步比较早，最初在2 0 世纪6 0 年代末期就 开始进行高速超高速磨削的基础研究，当时试验室的磨削速度就已经达到2 1 0 2 3 0 m s 。1 9 7 9 年德国b r e m e n 大学的p g w e r n e r 教授撰文预言了高效深磨区存在 的合理性，由此开创了高效深磨的概念。1 9 8 3 年德国b r e m e n 大学出资由德国 g u h r i n g a u t o m a t i o n 公司制造了当时世界上第一台高效深磨的磨床，功率为6 0 k w ， 转速为1 0 0 0 0 r m i n ，砂轮直径为4 0 0 m m ，砂轮线速度达到了2 0 9 m s 。a a c h e n 工业 大学试验室磨削速度己达到5 0 0 m s ，这一速度已突破了当前机床与砂轮的工作极 限。瑞士s t u d e r 公司开发的c b n 砂轮磨削线速度在6 0 m s 以上，并向1 2 0 1 3 0 m s 方向发展【j 。 美国6 0 年代中期开始提高陶瓷砂轮的线速度，1 9 6 7 年诺顿公司在市场上出售 线速度为6 1 m s 的砂轮和磨床。到7 0 年代初，6 0 m s 的磨床已有相当数量，7 0 m s ， 8 0 m s 乃至9 0 m s 的磨床也相继出现。1 9 9 3 年，美国的e d g e t e k m a c h i n e 公司首次 推出的超高速磨床，采用单层c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 3 m s ，用以加工淬硬 的锯齿等可以达到很高的金属切除率。美国c o n n e c t i c u t 大学磨削研究与发展中心 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的无心外圆磨床，最高磨削速度2 5 0 m s 。2 0 0 0 年美国马萨诸塞州立大学的s m a l k i n 等人，以1 4 9 m s 的砂轮速度，使用电镀金刚石砂轮通过磨削氮化硅，研究砂轮的 地貌和磨削机理。目前美国的高效磨削磨床很普遍，主要是应用c b n 砂轮。可实 现以1 6 0 m s 的速度，7 5 m m 3 m m s 的磨除率，对高温合金i n c o n c l 7 1 8 进行高效磨 削，加工后r a l 2 岬，尺寸公差士1 3 p m 。另外采用直径4 0 0 m m 的陶瓷c b n 砂 轮，以1 5 0 2 0 0 m s 的速度磨削，可达到r a o 8 1 岬，尺寸公差士2 5 5 p m 7 , s l 。 日本的高速磨削主要不是以获得高生产率为目的，而对磨削过程的综合性能 更感兴趣。日本7 0 年代中期，就能生产4 5 m s 和6 0 m s 的高速磨床。1 9 8 5 年前后， 在凸轮和曲轴磨床上，磨削速度达到了8 0 m s ，9 0 年代日本推出了1 2 0 m s 和2 5 0 m s 的高速磨床。日本广泛地用c b n 砂轮取代一般砂轮，其目的是达到加工的高效率 化、省力和无人化。至2 0 0 0 年，日本已进行5 0 0 m s 的超高速磨削试验。s h i n i z u 等人，为了获得超高磨削速度，利用改制的磨床，将两根主轴并列在一起；一根作 为砂轮轴，另一根作为工件主轴，并使其在磨削点切向速度相反，取得了相对磨 削速度为v s + v w 的结果，砂轮和工件间的磨削线速度实际接近1 0 0 0 m s 。日本的 丰田工机、三菱重工、冈本机床制作所等公司均能生产应用c b n 砂轮的超高速磨 床，日本的三菱重工推出的c a 3 2 - u 5 0 a 型c n c 超高速磨床，采用陶瓷结合剂c b n 砂轮，圆周速度达到了2 0 0 m s 【2 2 2 5 1 。 我国高速磨削起步较晚，1 9 5 8 年开始推广高速磨削技术。1 9 6 4 年郑州磨料磨 具磨削研究所和洛阻迤拉机厂合作进行了5 0 m s 高速磨削试验。1 9 7 4 年郑州磨料 磨具磨削研究所进行了5 0 6 0 m s 的磨削试验，1 9 8 2 年1 0 月，湖南大学进行了 6 0 r n s 高速强力凸轮磨削工艺试验研究，为发展高速强力磨削凸轮轴磨床和高速强 力磨削砂轮提供了试验数据。八十年代初，东北大学进行了大量的高速磨削试验 研究。以东北大学为主开发的y i m l 型双面立式半自动修磨生产线，磨削速度 达到8 0 n d s ，磨削压力在2 5 0 0 5 0 0 0 n 以上。1 9 9 5 年，汉江机床厂使用陶瓷c b n 砂轮，进行了2 0 0 m s 的超高速磨削试验。广西大学于1 9 9 7 年前后开展了8 0 m s 的高速低表面粗糙度的磨削试验研究工作。至2 0 0 0 年湖南大学一直在开展商速磨 削研究工作。在2 0 0 0 年中国数控机床展览会上，湖南大学推出了最高线速度达 1 2 0 m s 的数控凸轮轴磨床。从2 0 0 2 年开始，湖南大学开始针对一台2 5 0 m s 超高 速磨床主轴系统进行高速超高速研究，并在国内首次进行了磁浮轴承设计。2 0 世 纪9 0 年代至现在，东北大学一直在开展超高速磨削技术的研究，并首先研制成功 了我国第一台圆周速度2 0 0 m s 、额定功率5 5 k w ，最高砂轮线速度达2 5 0 m s 的超 高速试验磨床，并先后进行了超高速大功率磨床动静压主轴系统研究、2 0 0 m s 电 镀c b n 超高速砂轮设计与制造、超高速磨削成屑机理研究、超高速磨削热传递机 制研究、高速钢的高速深磨研究等方面的研究，部分研究成果达到国际先进水平、 重庆大学硕士学位论文】绪论 部分研究成果与国际水平持平【6 t7 ，引。 1 2 - 2 高效深磨技术的发展趋势 高效深磨( h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ，h e d g ) 技术是近几年发展起来的一 种集砂轮高速度( 1 0 0 2 5 0 m s ) 、高进给速度( o 5 i o t a r a i n ) 和大切深( o 1 3 0 m m ) 为一体的高效率磨削技术。高效深磨概念是由德国b r e m e n 大学w e r n e r 教授于1 9 8 0 年创立。目前欧洲企业在高效深磨技术应用方面居领先地位，高效深磨可直观地 看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。与普通磨削不同的是高效深磨可以通过 一个磨削行程，完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗精加工过程，获得远 高于普通磨削加工的金属去除率( 磨除率比普通磨削高1 0 0 1 0 0 0 倍) ，表面质量也 可达到普通磨削水平。由于它使用比缓进给磨削快得多的进给速度，生产效率大 幅度提高。后来又进一步在c b n 砂轮基础上开发出2 0 0 3 0 0 t r d s 的超高速深磨磨 床。采用陶瓷结合剂砂轮以1 2 0 m s 的速度磨削，比磨削率可达5 0 0 1 0 0 0 m m 3 m m s ，比车削和铣削高5 倍以上。英国用盘形c b n 砂轮对低合金钢 5 1 c r v 4 进行了1 4 6 m s 的高效深磨试验研究，材料去除率超过4 0 0 m m 3 m m s 。德 国g u h r i n ga u t o m a t i o n 公司f d 6 1 3 超高速平面磨床，1 5 0 m s 及c b n 磨削宽l 1 0 m m 、深3 0 m m 的转子槽时工作台迸给速度达3 0 0 0 m m j m i n ，在1 2 5 m s 沟槽磨床 上，磨削深2 0 m m 的钻头沟槽可一次完成，金属磨出率达5 0 0 4 0 0 m m 3 m m s o 高效 成形磨削作为高效深磨的一种也得到广泛应用，并可借助c n c 系统和c b n 成型 砂轮完成更复杂型面的加工，表面质量可与普通磨削媲美。此项技术已成功地用 于丝杠、螺杆、齿轮、转子槽、工具沟槽等以磨代铣加工陬“”。 1 3 本课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 重庆三磨海达磨床有限公司和清华大学合作开展了国家8 6 3 目标导向类课题 核电高压容器高效磨削加工智能装备研制( 编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 2 0 4 ) ，本课题作 为该课题的前期基础研究被列为子课题。 1 3 2 本文主要的研究工作 概述国内外高速强力磨削技术的发展及研究成果，对其基本原理和相关技 术进行了分析。 理论分析高速强力磨削过程中的磨削加工机理、磨损机理。建立砂轮单颗 磨粒切刃切除材料的理论模型，并以此为基础研究砂轮磨削过程的特征和提高难 加工材料高速强力磨削性能的方法及途径。 完成1 6 m n d 5 典型核电高压容器材料在各种条件下的磨削力和材料切除率 试验，重点研究其磨削性能。分析试验结果找出高速强力磨削典型核电高压容器 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 材料的磨削力和材料切除率变化规律。 在材料切除率试验的基础上完成高速强力磨削核电高压容器材料工件烧 伤和砂轮磨损的基础试验，探讨不同磨削条件下的工件烧伤和砂轮磨损规律及特 征。 综合磨削力、磨削效率、工件烧伤和砂轮磨损等要求给出核电高压容器焊 缝材料高速强力磨削推荐工艺参数。 1 4 本章小结 本章重点在于提出了本课题的研究意义，核电高压容器壳体焊缝高速强力磨 削技术的前期基础研究，能够有效的为后续的设备开发和系统设计提供理论依据， 同时可以指导制定核电高压容器生产实践中的磨削加工工艺。并介绍了国内外高 速强力磨削技术的研究现状以及发展趋势，同时明确了本课题的研究内容。 重庆大学硕士学位论文 2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分 析 2 1 高速强力磨削的基本概念及原理 2 1 1 单颗磨粒的磨削模型 单颗粒磨粒磨削过程如图2 1 所示，它表示了磨粒从刚与工件接触到磨粒使切 屑形成的过程。在e p 段中，由于切削深度极小，磨粒刃尖圆弧形成的实际负前角 很大，磨粒仅在工件表面滑擦而过，所引起的变形完全可以弹性恢复，在工件表 面不会留下加工沟槽，称为滑擦阶段的弹性阶段。p c 段中，随着磨粒挤入工件深 度的增大，磨粒与工件表面间的压力逐步增加，磨粒在工件表面上挤压、刻画出 加工沟痕，沟痕的两侧由于材料的塑性滑移而隆起，称为塑性耕犁阶段。当磨粒 的挤入深度继续增加到某一值时( c 点以后) ，被磨粒挤压的区域就会出现明显的滑 移，并形成切屑从磨粒的前刀面流出，形成切削阶段。单颗粒磨粒磨削的整个过 程包括滑擦( e p ) 、耕犁( p c ) 和切削( c 后) - - 个阶段。此模型从单颗磨粒的角度揭示 了磨削中磨粒切削工件材料的过程【2 ，3 6 1 。 n 图2 1 单颗磨粒磨削模型 r i 9 2 1s i n g l eg r a i ng r i n d i n gm o d a l 这里存在一个临界磨削厚度a 。，它是指能够产生切削作用的最小切入量，当 磨粒的磨削厚度在临界磨削厚度以下时，磨粒只在工件表面滑擦和耕犁，不产生 切屑。临界磨削厚度与磨削速度、工件材料、磨刃状态等有关，而与磨粒种类无 关。 砂轮上单颗粒磨粒的切削过程与图2 1 类似，考虑单颗磨粒作为砂轮圆周上固 定的一点，在砂轮的旋转运动和工作台的进给运动下，它的相对运动轨迹是沿一 6 重庆大学硕士学位论文2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 条特定的摆线，切削路径方程可以用抛物线方程来近似。 v ：； 苎： =( 2 n v 2 = _ 一 z i 。【d - ( 1 屹) l 、 所切削的材料层是前后两相邻有效磨粒磨削轨迹之间的部分，如图2 2 。可以 看出待切削材料层的厚度是不断由小变大，再由大变小，其中切削厚度最大的位 置在与垂直方向夹角为口处，称为最大未变形切屑厚度h 。，也称为磨粒切深。 最大未变形切屑厚度h 一是磨粒磨削工件的模型中重要的物理量，它不仅影响 到作用在磨粒上力的大小，同时还有比磨削能的大小以及磨削区的温度，从而造 成对砂轮的磨损以及对加工表面完整性的影响。h 。取决于磨削条件和连续磨削微 刃间距等参数，是磨削状态和砂轮表面几何形状的一个非常复杂的函数。 蘸 沁 l d 3 2 i l l ， 冽 、一l 图2 2 磨粒最大切削深度 f i 9 2 2g r a i ng r e a t e s tc u t t i n gd e p t h 完整的砂轮上单颗磨粒磨削作用过程可分为五个阶段，如图2 3 所示，产生三 种作用，即i 弹性摩擦( 即滑擦) ，i i 微隆起( 塑性耕犁) ，i 切削。三种作用的界限 以及残留在磨削表面上的比例，与磨粒的瞬时切削厚度以及材料的力学性能等有 关。图2 3 中前两个阶段的加工痕迹将留在己加工表面上，主要影响微观不平度和 表面完整性：第三个阶段由于磨粒切削深度最大，将影响裂纹损伤层有效深度。 最长的新生裂纹长度将在这个阶段形成，其中一部分将残留于将要形成的己加工 表面，一部分将被后面的磨粒的磨削作用去除掉。第四、第五阶段生成的损伤层 将随待加工表面一起被去除【2 】。 7 重庆大学硕士学位论文 2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 图2 3 砂轮上磨粒的磨削模型 f i 9 2 3g r i n d i n gm o d e lo f w h e e lg r a m 2 1 2 高速强力磨削原理 高速强力磨削是高速磨削与强力磨削相结合的一种新的加工方法。主要指的 是在提高砂轮速度的同时，在不改变磨削表面粗糙度的条件下，加大磨削深度4 。及 工件速度，从而提高单位宽度金属切除率乞。在逆磨中，由于磨削速度是砂轮 速度与工件速度之和，所以提高工件速度也就提高了磨削速度。 在蠕动微进给磨削中，工件进给速度低，生产效率较低，能量转换的慢，接 触弧长，磨粒所经历的时间长，能量的一部分缓慢地传导给工件，易引起工件表 面烧伤。 高速强力磨削与缓进给磨削相反，其加工中的能量在短时间内转化为热被传 散，为降低热能量传给加工零件，工作台快速迸给( 即工件进给速度快) 。砂轮高速 转动，工件快速进给，砂轮很快与磨削区脱离，热量主要传散到切屑与磨削液。 在磨削深度a e 增加的情况下，金属磨除率乏lm m 3 ( r a m s ) i 增加，e p t _ 件速度增 加，温度下降，比磨削能增加，接触区温度则下降。随磨削深度吼增加，温度有 一定上升倾向，工件表面温度增加，但总的趋势是随、z ：增加磨削工件表面温 度下降 2 , 3 6 1 。 2 1 3 高速强力磨削的特点 在其他磨削用量不变的条件下，随着砂轮转速加快，即磨削速度的提高，单 颗磨粒切下的切屑厚度将变薄，磨粒切入工件的干涉切入角将变小；与此同时， 单位时间内参与切削的磨粒数将增加，而每一磨粒切下的切屑长度则没有多少变 化。这表明，在高速超高速磨削条件下，如果其他参数保持不变，则会使磨下的 磨屑明显变细变薄，其断面积将仅为正常磨屑的几十分之一，这时每个磨粒所受 的磨削力也大大的变小：如果我们通过调整参数使磨屑厚度保持不变，则会因作 用磨粒数增加而大大提高磨削效率。由于磨削速度很快，切屑形成时间很短，而 在高速超高速磨削条件下时间就更短，在这一极短时间内完成的切屑的高应变率 重庆大学硕士学位论文2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 形成过程，将有一些不同普通磨削的表现。如：会使工件表面塑性变形层变浅， 磨削沟痕两侧因塑性流动而形成的隆起高度变小，使磨屑形成中的耕犁和滑擦距 离变小，以及使工件表面层硬化及残余应力减小。特别地，高速磨削时磨粒在磨 削区上的移动速度快了几倍，工件进给速度大大加快，加上应变率响应的温度滞 后，会使工件表面磨削温度有所降低，能超过容易发生热损伤的区域，因而极大 地扩展了磨削工艺参数的应用范卧3 5 ，4 ”。 2 2 核电高压容器壳体制造工艺分析 核反应堆压力容器( 简称r p v ) 属厚壁压力容器。是一个承受高温、高压、受放 射性辐射的特殊高压容器。一台9 0 0 m w 压水堆压力壳的内径约4 m ，高l o 1 2 m ， 其活性区壁厚可达2 2 0 r a m ，而接管段的壁厚则接近3 0 0 m m ，整个压力壳的重量在 3 5 0 4 0 0 t 之间。核燃料的裂变反应就在这个高压容器内进行。由于存在着辐照脆 化效应及冷却剂腐蚀环境可能引起的损害，因此，要求压力容器在结构上必须相 当安全可靠。要做到这些，对压力容器制造的各环节提出了严格的要求。 压力容器的制造一般按a s m e 规范第1 卷的规定进行，有些国家( 如法国、德 国、日本等) 除参照a s m e 规范外，还根据本国的具体情况作了一些补充规定。这 些规范对压力容器的制造，包括焊接和热处理等作了明确的规定，此外对压力容 器的质量检验要求也作了详细说明。 2 2 1 核电高压容器材料 核电高压容器材料的选择受许多因素限制，诸如合适的机械性能和物理性能、 可加工性、可焊性、设备的制造能力、材料的成本和制造费用，以及材料制造所 积累的经验等。 r p v 材料易受到来自堆芯的中予轰击而引起辐照损坏。影响钢的辐照脆化程 度的因素很多，其中辐照温度和中子通量是两个主要外因，而钢的质量则是内因。 因此r p v 钢对化学成分有着严格的要求 4 , 4 5 , 4 9 。 c ：在标准钢中，c 的含量是保证强度满足规范要求的主要元素。c 含量 低强度可能满足不了要求，c 含量高会降低钢的可焊性，同时会提高辐照脆化性。 因此最好把c 控制在0 1 8 o 2 0 的范围内。 m n ：主要合金元素m n ，除了起强化基体作用外，还能有效地提高钢的淬 透性。在r p v 钢的实际生产中大多将m n 控制在1 3 5 1 4 5 。 n i ：n i 能明显改变钢的冷态韧性，但试验证明高n i 比低n i 辐照脆化较大。 由于n i 是扩大y 相的元素，降低钢的a 3 点温度，在热蜂作用下使晶格畸变增多， 辐照效应较大，众所周知n i 又是保证厚截面钢淬透性所必需的。因此，n i 量在保 证冷态韧性达到要求的情况下尽量按规格下限控制。 9 重庆大学硕士学位论文2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 d o ：也是主要合金元素，其作用是提高耐热性和减少回火脆性，在实际生 产中把m o 控制在o 5 左右。 s i ：s i 是强化元素，但s i 高增加辐照脆性，所以应把s i 含量控制在低限 为好。 v 、n b ：r p v 钢要求是细晶粒钢。细晶粒钢比粗晶粒钢辐照脆性小。加y 或n b 有细化晶粒的作用，可提高强度。s a 5 0 8 钢中以前规定的加0 0 8 v ，但实 际使用中发现v 使焊接开裂的敏感性增加，容易引起焊接热影响区脆化，增加了 钢的“再热裂纹”的敏感性。因此后来规定含v 量在0 0 5 以下。至于微量n b ( 0 0 2 0 0 6 ) 的作用，一方面细化晶粒，提高铜的屈服强度，辐照试验表明，它能减少辐 照脆化效应。 c u ：大量试验证明，它是对辐照脆化最有害的元素。为限制c u 的有害作 用，r p v 钢的补充规范要求c u 含量应低于0 1 0 。 p ：辐照试验指出，p 对辐照脆化亦非常敏感。因此有的r p v 钢补充规范 要求含p 量低于0 0 1 2 。 s ：s 在钢中形成m n s 和f e s ，降低了钢的冲击韧性，影响钢的焊接性能。 因此r p v 钢要求把s 限制在0 0 1 5 以下。 残余元素a s 、s n 、s b ：残余元素一方面增加钢的回火脆性，另一方面也增 加辐照脆性，所以对r p v 钢要求p + s + a s + s n + 1 0 s b o 0 4 。 q ) 气体n 、h 、o ：它们对钢的性能均有害，增加辐照脆化效应，核容器钢希 望把它们的含量降低到最低水平。 总之，综合冷、热态性能要求，一方面调整钢的合金成分含量，另一方面从 工艺上尽量降低钢的杂质元素含量，严格控制c u ，p 以及残余元素、气体含量， 提高钢的纯净度，改善性能。 世界各国普遍采用m n - m o - n i 型低合金高强度钢作为核电高压容器的材料， 该材料较m n - m o 型低合金钢有良好的韧性。典型的核电容器用钢，主要有美国的 s a5 0 8 c 1 3 ，德国的2 0 m n m o n i 5 5 ，法国的1 6 m n d 5 ，日本的s f v v 3 等。虽然这 些材料的钢号不同，而且化学成分也略有差异，但是均属m n - m o - n i 型钢，性能 相差无几。我国生产的$ 2 7 1 ，是在1 8 m n m o n b 钢的基础上添加0 6 0 0 9 0 n i 而 改进成的，亦属此类钢种，与美国的s a 5 0 8 c 1 3 钢类似。 2 2 2 核电高压容器焊缝加工工艺 r p v 是一个由顶盖组合件、简体组合件、容器密封环、螺栓及螺帽组合而成 的圆柱形容器，其环焊缝可达2 0 3 0 米，纵焊缝甚至达到5 0 米。为了保证焊缝 焊接之后的力学要求能满足核电高压容器工作的恶劣环境，其焊缝加工采用了特 殊的加工工艺。下面简要介绍核电高压容器壳体焊缝焊接工艺的三种形式。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 一般核电高压容器壳体焊缝需要首先加工成图2 4 ( a ) 所示，在坡口下方堆 焊。然后用高速强力砂轮对上方焊缝开坡口，并进行堆焊，接着对下方焊缝开坡 口，并进行堆焊。 _ + 誓_ i i + i ( d )( c )c o 图2 4 一般核电高压容器壳体焊缝焊接工序 f i 9 2 4w e l d i n gp r o c e s s e so f n o r m a ln u c l e a rp o w e rh i ；1 1 1 m 瓣v e s s e ls h e l lw e l d 有些特殊核电高压容器壳体焊缝需要对接成如图2 5 ( a ) 所示，用高速强力 砂轮对其上部进行开坡口、堆焊，然后再对其下部开坡口、堆焊。 物彪+ 曩+ 蹈 露+ 嚣。叠 ( d ) ( c ) 图2 5 特殊核电高压容器壳体焊缝焊接工序 f i 9 2 5w e l d i n gp r o c e s s e so f s p e c i a ln u c l e a rp o w e rh i g h - p r e s s u r ev e s s e ls h e l lw e l d 核电高压容器壳体焊缝焊接质量需要进行探伤检测，如果不符合焊接质量 要求，则需要对其重新进行开坡口和焊根清理，具体加工工序如下图所示： 盔+ 誓。囊 ( a ) 翻+ 叠 ( d )( c ) 图2 6 焊缝修正的焊接工序 f i 9 2 6w e l d i n gp r o c e s s e so f w e l da m e n d m e n t 重庆大学硕士学位论文2 高速强力磨削的原理及核电高压容器壳体焊缝焊接工艺分析 2 3 高速强力磨削在核电高压容器加工中的应用 高速强力磨削作为一种新兴的磨削工