小孔径、高精度自动钻孔技术在核电元件生产中的应用研究

小孔径、高精度自动钻孔技术在核电元件生产中的应用研究

阳运刚

（中核建中核燃料元件有限公司 四川省宜宾市 64000）

摘要：核电元件控制棒组件组装时需要在棒状不锈钢件上进行钻孔，本研究项目研制了一台自动钻孔装置，实现了核电元件控制棒组件组装时各吸收棒和棒状螺母上的自动钻孔功能。

在研究过程中解决了待加工棒料找中心、连接柄部件定位等一系列难题；通过钻速试验、进给量试验与验证试验，初步确定了钻孔速度与进给量参数，通过孔径、孔深验证试验验证了小孔径、高精度自动钻孔技术在核电元件生产中的实现，提高了控制棒组件组装过程的自动化水平。

关键词：控制棒组件；自动钻孔；小孔径；高精度

引言

核电元件控制棒组件由带有棒状螺母的连接柄部件、销钉和吸收棒组装焊接而成，其中吸收棒与连接柄部件上的棒状螺母拧紧，在棒状螺母上进行钻孔，并在其中装配销钉，销钉焊接后完成组装。

为提高棒状螺母与吸收棒拧紧连接之后钻孔工作自动化水平与工艺可靠性，开展了小孔径、高精度自动钻孔技术在核电元件生产中的应用研究，研制了一台自动钻孔装置，并摸索出了自动钻孔的工艺参数。

1技术要求

技术条件对钻孔相关的要求是：

1）销钉孔用Ф2.4㎜销钉装配，销钉与销钉孔紧密配合；

2) 孔深公差尺寸要求：±0.25mm。

2总体思路

为优化工艺流程，提高控制棒组件组装自动化水平，结合原控制棒组件组装方式，考虑取消棒状螺母预钻孔工序，研制一台组件自动钻孔装置以实现组件的自动钻孔、组件的自动旋转与组装完成后的组件自动翻转。

2.1组件自动钻孔装置研制思路

根据生产经验和研制要求，拟定了自动钻孔装置的结构组成和钻孔工作流程。

自动钻孔装置主要由组装平台、第四轴、钻孔装置和控制系统组成。连接柄部件固定在第四轴上，吸收棒穿过组装平台上的夹具，通过人工拧紧吸收棒的方式与连接柄部件连接，然后控制系统控制钻孔装置到达指定的位置自动钻孔，人工装配销钉并焊接，最后组装平台翻转将组件吊离自动钻孔装置。

2.2关键问题

对自动钻孔装置进行梳理，需要解决钻孔位置定位和钻孔深度的控制方法两个关键难题。

2.2.1钻孔位置定位与孔深的控制；

自动钻孔过程不能加冷却剂，可以使用风冷的形式进行冷却，钻孔过程中能及时排屑，初步设想以下两种方案实施钻孔位置定位与钻深的控制：

1）视频AI控制系统：可根据图像上棒状螺母与吸收棒之间连接处的距离以及图像中轴线确定钻孔位置，根据视频下钻过程中，钻头与工件接触时钻头长度，根据图像实时识别钻头下钻过程中钻头的长度缩短值，反馈控制系统，进行实时的孔深控制。

2）CNC控制系统：建立坐标，使用探测头对棒状螺母进行分中测量及顶点测量，三个坐标确定钻孔初始位置，在钻孔初始位置进行下钻，通过下钻过程中坐标轴的变化情况，直接控制孔深。

视频AI控制系统需要在钻孔工位上布置两个摄像头，可能影响装配和焊接，由于摄像头拍摄角度的问题还有可能造成棒状螺母钻孔位置确定不准；CNC控制系统需要建立坐标系，每个工件的钻孔都通过装配后探测头实测换算坐标，保证了钻孔位置的准确，故选用CNC控制系统。

2.3关键问题的解决

2.3.1钻孔位置的确定

为了保证连接柄在三爪卡盘定位后其相对位置尽量保持不变，从而方便确定钻孔的X轴坐标，设计加工了连接柄部件端面定位工装。

该工装由聚乙烯端部和调节螺栓组成，固定于三爪卡盘中心内，可通过后面的螺栓调节伸出长度。伸出长度既要保证连接柄被夹紧，又要保证导向螺母的装配空间。试验时调整好位置，生产中不再调整。

钻孔Y、Z轴坐标的确定依靠探测头在所确定的X轴坐标位置，分别测量每个棒状螺母的两侧和中心位置高度的坐标，换算出钻孔位置的Y、Z轴坐标值,换算方法如下:

设棒位号为n的棒状螺母钻孔位置坐标为N=（xn，yn，zn），n为棒位号，则其钻孔为坐标为：

N=（xn，yn，zn）=（xn，，zn）

注：xn为根据n的棒位号是内圈棒位号还是外圈棒位号固定的两个值，在聚乙烯端部确定之后，这两个值就确定了。

yna和ynb分别为探测头在测量棒位号为n的导向螺母两边的Y轴坐标值。

zn为在X=xn，Y=时测量的Z轴坐标值。

2.3.2钻孔深度的控制

为保证钻孔深度，组件自动钻孔技术采用了对刀仪与三坐标测头配合使用的方式实现钻孔深度的控制。

探测头接触对刀仪平面时的Z轴坐标为z，钻头接触对刀仪平面时的Z轴坐标为za，则在探测头与钻头位置不变的情况下，其差值C=z-za为固定不变的值，而探测头接触棒位号为n的棒状螺母中心最高点的Z轴坐标为zn，由此可以计算出钻头接触棒状螺母中心最高点的Z轴坐标值za。

由此推算出采用钻头对棒位号为n的导向螺母进行下钻，钻孔控制深度为s时，开始钻孔位置坐标An与结束钻孔位置坐标Bn分别为：

An=（xn，，）

Bn=（xn，，）

3钻孔工艺研究

3.1钻孔流程设定

针对连接柄部件的特殊结构，为进一步保证钻孔动作的自动化进行，将控制棒组件分为4个相同的部分，分步完成钻孔。

控制棒组件自动钻孔的主要工艺流程是：正式钻孔前对所需用的中心钻及两个钻头分别进行对刀→分度头旋转至0°→测量并加工0°的5个孔→暂停，回参考点→装配销钉→分度头旋转至90°→测量并加工90°的5个孔→暂停，回参考点→装配销钉→分度头旋转至180°→测量并加工180°的5个孔→暂停，回参考点→装配销钉→分度头旋转至270°→测量并加工270°的5个孔→暂停，回参考点→装配销钉，→程序结束。

为提高Ф2.4㎜孔的钻孔精度，先由中心钻根据三座标分中确定的棒中心位置进行定中心，再用Ф2.3㎜钻头钻孔到规定深度，最后用Ф2.4㎜钻头进行扩孔。

小直径钻头工作时，排屑槽狭窄，排屑不流畅，须及时地进行退钻排屑，减少钻头折断的风险。

3.2孔径试验

组件自动钻孔装置安装调试完后，采用厂家推荐的钻孔方案(转速1000r/min；进给量15mm/s)进行了自动钻孔测试，钻孔过程中一直下钻到规定的深度，过程中没有提升钻头进行冷却和去除铁屑；抽取了其中的4个孔进行了ø2.4㎜销钉孔的检验，检验结果表明，采用自动钻孔技术所钻出的孔径全部落在销钉尺寸精度范围以内（2.38 mm ~2.41mm），满足技术条件要求。

3.3钻速试验

将连接柄部件固定于数控分度装置中心，将4支模拟吸收棒拧入连接柄部件外圈的4件棒状螺母，固定进给量参数为15mm/min，转速参数设定为800到1500r/min分别进行钻孔试验，钻孔后分别安装销钉，试验结果表明该参数范围内钻削过程出屑顺畅，钻头没有折断，销钉与销钉孔配合紧密，不凸出棒表面但当转速在1200 r/min以上偶尔有刺响声音。

3.4进给量试验

将连接柄部件固定于数控分度装置中心，将4支模拟吸收棒拧入连接柄部件外圈的4件棒状螺母，采用固定转速参数为1000 r/min，进给量参数设定为12到18mm/min分别进行钻孔试验，结果表明钻孔过程中出屑顺畅，钻头没有折断。经检查，销钉孔全都处于距不锈钢试样棒螺纹端10㎜处的中心。将Ф2.4销钉进行试装配，销钉与销钉孔配合紧密，不凸出棒表面。

3.5参数确定

根据钻速与进给量试验结果，初步将组件自动钻孔的设备参数范围确定如下:

1)小直径的钻头，进给量过大会使钻头折断，根据钻屑的形状等试验情况将进给量的范围定为（12~15）mm/min； 

2)当转速在1200 r/min以上偶尔有刺响声音，因此将转速的范围定为（800~1200） r/min。

4结论

1)通过该技术能够实现对控制棒组件组装时棒料的自动钻孔，采用选定的转速和进给量钻出的销钉孔Ф2.4㎜销钉装配，销钉与销钉孔紧密配合。

2)该钻孔技术钻孔深度控制精度满足±0.25mm要求。

参考文献

[1]陈立德，《工装设计》，上海:上海交通大学出版社，1999

[2]王银聚，侯全详等，《压水堆燃料元件制造文集》，北京：原子能出版社，2005.3

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