CC BY
17
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ опыт
УДК 621.039.548
Специальные коронки для вырезки пеналов с дефектными отработавшими тепловыделяющими сборками, приваренных к плите хранилища плавучей технологической базы «ЛЕПСЕ»
А. В. Шокин, С. А. Швецов, И. В. Поляков
Специальный режущий инструмент — коронки — созданы в ОАО «ОКБМ Африкантов» для вырезки пеналов с дефектными отработавшими тепловыделяющими сборками, приваренных к плите хранилища плавучей технологической базы «ЛЕПСЕ». Конструкция коронок определена ограничивающими размерами и жесткими условиями обработки. В конструкции и геометрии коронок был применен целый ряд новаторских решений. В «ОКБМ Африкантов» проведены испытания в рамках ОКР, в результате которых выявлена конструкция коронки с геометрией заточки, позволяющая наиболее эффективно выполнять вырезание на подобранных режимах резания. Применение комплекса конструктивных решений привело к созданию быстросъемного инструмента, способного работать в жестких условиях при радиационной обстановке.
Ключевые слова: коронки кольцевые, головки для кольцевые, сверла для кольцевого сверления.
Плавучая технологическая база (ПТБ) «ЛЕПСЕ» для перезарядки ядерного топлива ядерных энергетических установок ледоколов была создана в 1961 г. путем переоборудования из сухогрузного теплохода. С 1981 г. ПТБ «ЛЕПСЕ» используется для хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и технологической оснастки. Со временем вследствие коррозионных процессов ухудшается состояние корпусных конструкций хранилища, пеналов и отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), что является серьезным основанием для утилизации ПТБ «ЛЕПСЕ» путем выгрузки ОЯТ, дезактивации и разделки загрязненных конструкций судна на фрагменты.
В хранилище ОЯТ в пеналах двух баков (общая вместимость 732 пенала) размещены 639 ОТВС. Некоторые ОТВС были помещены в пеналы с усилием, деформировавшим грибовидные головки подвесок для захвата ОТВС при
кольцевого сверления, сверла корончатые, сверла
загрузке-выгрузке. Другие ОТВС из-за длительного «мокрого» хранения в пеналах стали аварийные, их активные части распухли, и выгрузить ОТВС штатным способом из пеналов невозможно. Одним из способов выгрузки ОТВС является их вырезка вместе с пеналами, приваренными к плите хранилища.
Известны способы демонтажа дефектных ОТВС (патент RU 2154864 С1, опубликованный 20.08.2000 г., и патент RU 2253158 а, опубликованный 27.05.2005 г.), в которых вырезка кольцевой проточки во фланце втулки пенала выполняется кольцевым сверлом, закрепленным на шпинделе устройства для вырезки пеналов (патент RU 2220465 C2, опубликованый 27.12.2003 г.) (рис. 1). Режущий инструмент — кольцевое сверло — вырезает только один сварной шов неглубокой проточкой во фланце втулки пенала, приваренной к трубной доске.
Недостатком этого способа является то, что кольцевое сверло установлено на резьбе
ШШШМБОТКА
Рис. 1. Вырезка кольцевой проточки устройством:
1 — шпиндельный блок; 2 — дефектная ОТВС; 3 — пенал; 4 — кольцевое сверло; 5 — поворотная плита; 6 — вырезаемая кольцевая проточка; 7 — втулка пенала
шпинделя без базовой поверхности, что уменьшает точность позиционирования инструмента. Режущая кромка инструмента выполнена прямолинейной, углы при вершине режущей кромки острые, что может вызвать скалывание вершин режущей кромки при большом вылете шпинделя и несоосный вырез пенала.
Известен способ демонтажа дефектных ОТВС (патент RU 2287194 С1, опубликованный 01.2006 г.) (рис. 2).
Механизм вырезки пенала с ОТВС состоит из защитного скафандра 9, внутри которого установлен фрезерный станок 7 с пустотелой штангой 10, оснащенной торцевой фрезой 11 и захватом 8 ОТВС 3. Скафандр оснащен гидроподъемником 6 и установлен на защитную подушку 5 из бетона соосно отверстию 4 в подушке, ниже которого расположено трубное гнездо 1, в котором размещена сборка 2, состоящая из каскада трубных досок 13 и пеналов 12, приваренных кольцевыми швами к трубным доскам 13. В пеналах 12 размещены ОТВС 3.
В патенте описан способ демонтажа дефектных ОТВС, об инструменте — торцевой фрезе — ничего не сказано, кроме наименования.
Для вырезки пеналов с дефектными ОТВС в «ОКБМ Африкантов» был разработан проект устройства для срезки сварного шва приварки пенала к плите хранилища специальным режущим инструментом, установленным на шпинделе устройства.
Режущий инструмент — коронка — не только обеспечивает срезку сварного шва приварки пенала к плите хранилища, но и позволяет провести дальнейшую обработку пенала в необходимый размер < (рис. 3) для размещения его в защитном тонкостенном пенале. Коронка представляет собой кольцевое сверло, с одной стороны которого расположены по диаметру четыре режущих зуба, а с другой стороны имеется внутренняя трехзаходная прямоугольная резьба, расположенная между посадочными поверхностями.
Конструкция коронки во многом определена ограничивающими размерами и жесткими условиями обработки в условиях радиационного излучения.
10
11 12
13
Рис. 2. Вырезка пенала с ОТВС:
I — трубное гнездо; 2 — сборка; 3 — ОТВС; 4 — отверстие в подушке; 5 — защитная подушка; 6 — гидроподъемник; 7 — фрезерный станок; 8 — захват; 9 — скафандр; 10 — штанга;
II — торцевая фреза; 12 — пенал; 13 — трубная доска
1
6
7
8
9
6
2
РАБОТКИ
Посадочная поверхность
6
• одновременная обработка за один проход сталей, различных по химическому составу и обрабатываемости;
• одновременная вырезка пенала и дальнейшая обработка его в необходимый размер d через посадочную поверхность конусной втулки пенала с трубной доской;
• обработка в условиях радиационного излучения, под действием которого в течение длительного времени изменяется структура металла, влияющая на обрабатываемость;
• обработка на большом вылете шпинделя (753 мм) (рис. 4), что уменьшает жесткость системы «станок—приспособление—инструмент—деталь» (СПИД);
• большая глубина вырезки — не менее 36 мм (см. рис. 3);
• вырезка на проход с выходом режущего инструмента из обрабатываемого материала;
• запрет применения смазочно-охлажда-ющих жидкостей (СОЖ) в процессе резания.
Коронка состоит из корпуса из стали 45 и четырех зубьев с напаянными пластинами из быстрорежущей стали Р18. Так как предполагается вырезка большого количества пеналов и
&210
Рис. 3. Вырезка дефектного пенала:
1 — шпиндель устройства; 2 — коронка; 3 — дефектная ОТВС; 4 — пенал; 5 — посадочный конус пенала; 6 — вырезаемая кольцевая поверхность; 7 — плита хранилища
К ограничивающим размерам относятся:
• внутренний размер d вырезаемого коронкой отверстия определен внутренним размером защитного тонкостенного пенала, в который будет помещен вырезанный пенал с ОТВС;
• внутренние посадочные поверхности коронки ограничены наружным диаметром фланца пенала, который должен пройти внутри коронки в процессе вырезания;
• наружный размер корпуса коронки определен отверстием в поворотной плите 2 (рис. 4) координатно-наводящего устройства, через которое будет вырезаться пенал.
К условиям обработки относятся:
• обрабатываемая сталь — корозионно-стой-кая аустенитного класса;
• одновременная обработка за одну операцию несколько сварных швов;
Рис. 4. Обстановка, определяющая конструкцию и условия работы коронки:
1 — бак хранилища; 2 — поворотная плита; 3 — дефектная ОТВС; 4 — пенал; 5 — плита хранилища
2
3
7
1
3
1ЕIАЛЛОО^РАБОТКД
для этого необходимо достаточное количество коронок, в целях экономии инструмент спроектирован с напаянными пластинами. Пластины выполнены из быстрорежущей стали Р18 ГОСТ 19265—73, так как она менее подвержена образованию микротрещин и выкрашиванию по сравнению с твердыми сплавами.
Для установки коронки на шпинделе применяется трехзаходная прямоугольная резьба с посадочными поверхностями. Посадочные поверхности, одна из которых является базовой, обеспечивают жесткое позиционирование инструмента на шпинделе, а резьба обеспечивает надежное закрепление инструмента и позволяет быстро заменить инструмент, что немаловажно при работе в зоне излучения. Для монтажа-демонтажа инструмента на шпинделе устройства коронка имеет на корпусе четыре отверстия под ключ для круглых гаек с ради-ально расположенными отверстиями.
В геометрии коронки применен целый ряд решений, улучшающих ее надежность и долговечность:
• передняя поверхность режущей части зубьев имеет в плане несимметричную У-образ-ную форму с увеличенной наружной режущей
Базовая посадочная
Рис. 5. Коронка: 1 — корпус; 2 — пластина; 3 — зуб
кромкой при вершине; при такой форме заточки все углы режущего зуба являются тупыми, что повышает устойчивость зуба к разрушению, а увеличенная наружная режущая кромка обеспечивает центрирование коронки в процессе резания, уменьшая тем самым биение при большом вылете шпинделя;
• на вершинах углов режущих кромок в плане выполнены радиусы для увеличения стойкости инструмента;
• на режущих кромках выполнены вибро-гасящие фаски;
• на передней поверхности режущих зубьев имеются стружколомательные галтельки;
• на наружном профиле режущих кромок выполнены стружкоразделительные канавки;
• число режущих зубьев удвоено по сравнению с обычными сверлами, имеющими по два зуба, что увеличивает стойкость инструмента и плавность в работе коронок.
Для подтверждения эффективности принятых конструктивных решений и проверки работоспособности коронок в условиях, приближенных к реальной обстановке, в «ОКБМ Африкантов» разработана конструкторская и технологическая документация на коронку и изготовлен комплект оснастки, необходимый для проведения испытаний.
Комплект оснастки состоит из девяти коронок с тремя вариантами заточек, оправки для определения оптимальной геометрии коронки, оправки для отработки режимов резания, имитаторов, подвергающихся обработке, и комплекта инструмента и принадлежностей, предназначенных для установки и демонтажа коронок на оправки. Так как изготовление режущего инструмента с напаянными пластинами из быстрорежущей стали требует специального оборудования и определенной технологии, было принято решение для проведения ОКР коронки выполнять цельными из стали Р18 ГОСТ 19265-73. Испытания проходили в три этапа на радиально-сверлильном станке с широким диапазоном регулировки числа оборотов и ступеней подач.
На первом этапе опробованы три различные геометрии заточек режущих кромок инструмента на оправке, выполненной минимально возможной длиной для обеспечения жесткости системы СПИД в процессе резания. Задача заключалась в выборе коронки с оптимальной
геометрией и доведении ее заточки до достижения наилучших результатов в процессе резания.
На втором этапе отрабатаны режимы резания на оправке, имитирующей размеры шпинделя устройства, на которое выпущен технический проект. Рабочая длина оправки соответствует глубине, на которой будет вырезан пенал. Такая конструкция оправки позволяет отработать и выбрать режимы резания, максимально приближенные к условиям объекта.
На третьем этапе определены стойкость инструмента и машинное время вырезки имитатора пенала на оправке, имитирующей размеры шпинделя устройства при выбранных режимах резания коронками с различной (для сравнения) геометрией заточки. Процесс резания иллюстрирует рис. 6.
Испытания показали, что решения, принятые в процессе проектирования и заложенные в конструкцию и технологию устройства и коронок, являются верными. В процессе проведения испытаний коронка производила устойчивое резание с достаточной точностью и низкой шероховатостью обработанных поверхностей. Крепление инструмента на трехзаходной резьбе с двумя посадочными поверхностями обеспечивает жесткое позиционирование при быстрой смене инструмента. Передняя поверхность режущей части зубьев, имеющая в плане несимметричную ^образную форму, была устойчива к ударным нагрузкам, поломок зубьев не произошло. Увеличенная наружная режущая кромка производила центрирование коронки в процессе резания при проведении обработки на оправке с большим вылетом, имитирующим
Рис. 6. Процесс резания
шпиндель устройства. Применение радиусов на вершинах углов режущих кромок предотвратило выкрашивание вершин при врезании коронки в сварной шов и при выходе инструмента в момент прорезания канавки. Выполнение на передней режущей кромке виброгасящей фаски уменьшило низкочастотную вибрацию при обработке на большом вылете инструмента, стабилизировало процесс резания, и обрабатываемая поверхность из ребристой стала гладкой. Выполненные на передней поверхности зуба стружколомательные галтельки дробили стружку на мелкие элементы при обработке сварочного шва и завивали ее в мелкую спираль при обработке коррозионно-стойкой стали. Стружкоразделительные канавки выполняли свое предназначение — разделяли стружку на ленточки разной ширины. Основным их достоинством явилось то, что они уменьшили длину режущих кромок, и это способствовало уменьшению усилий при резании. Четыре зуба на диаметре 110 мм, с расположением их на одном уровне при малых подачах, работают плавно, распределяя нагрузку равномерно между собой, что увеличивает стойкость инструмента к затуплению.
Использование при обработке СОЖ запрещено техническим заданием на выгрузку ОЯТ из баков хранилища ПТБ «ЛЕПСЕ». Поэтому применение специального устройства и подача сжатого воздуха в зону резания позволило добиться положительных результатов. Струя воздуха удаляла стружку из вырезанной канавки и охлаждала зубья коронки, в результате чего коронка работала 168 мин почти непрерывно и вырезала пять имитаторов суммарной длиной 202,4 мм. Время на замену одного имитатора (2 мин) не входит в суммарное время работы коронки. Это важно при работе в условиях повышенной радиационной обстановки. В проекте устройства подача сжатого воздуха предусмотрена внутри шпинделя для выдувания стружки изнутри коронки наружу с одновременным охлаждением ее зубьев.
В результате проведения сравнительного анализа получаемых результатов непосредственно в процессе испытаний определилась наиболее работоспособная коронка из трех вариантов заточек инструмента по производительности количеству вырезанных имитаторов пенала (5 шт.) (рис. 7).
МЕШЛООБРАБОТКА
МЕТ^АЛЛ
Определены режимы резания, при которых процесс резания проходил наиболее стабильно, стойкость инструмента по суммарной длине резания в течение суммарного непрерывного процесса резания, время вырезки имитатора пенала, затраченное на проведение резания с технологическими переходами, и время замены инструмента (в среднем оно составило всего 1,5 мин, что очень важно при работе в радиационной обстановке).
Таким образом, по результатам проведенных испытаний коронки признаны работоспособными и рекомендуются к применению на устройстве для вырезки сварного шва приварки пенала к плите хранилища ПТБ «ЛЕПСЕ». Использование коронок на устройстве для срезки сварного шва обеспечит стабильную и надежную работу по выполнению этой операции
в технологическом процессе утилизации ПТБ «ЛЕПСЕ».
В перспективе конструктивные особенности коронок и технологию проведения резания для вырезки пеналов с дефектными ОТВС можно применять на инструментах, предназначенных для подобных операций при утилизации других ПТБ.
Литература
Основы учения о резании металлов и режущий инструмент / Рубинштейн С. А. [и др.]. М.: Машиностроение, 1967.
Аршинов В. А., Алексеев Г. А. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1964.
Расчет и конструирование режущего инструмента / Алексеев Г. А. [и др.]. М.: Машгиз, 1951.
Троицкий Н. Д. Глубокое сверление. Л.: Машиностроение, 1971.
