Modernization of the cooling system of the cutter in mechanical processing of parts of the internal vessel device of WWER

Full Text

Введение

 Обработка материалов может осуществляться либо в вакууме, либо в смазочно-охлаждающей технологической среде (СОТС). Опыт показывает, что эффективные СОТС позволяют в 1,2-4 раза повысить стойкость инструмента, на 20-60 % увеличить режимы резания, уменьшить энергозатраты при механообработке. СОТС является сложной гетерогенной системой, в которой выделяют дисперсную фазу (компоненты, присадки, добавки) и основную среду (жидкую или газообразную) [1, 2]. Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ)) являются самой распространённой технологической средой при обработке материалов, что объясняется более высокой проникающей, смазывающей, охлаждающей способностью. Необходимые технико-экономические показатели СОТС проявляются в первую очередь при реализации таких функциональных свойств, как смазывающее и охлаждающее действия. Силы трения без смазочного материала для двух взаимодействующих тел являются суммой всех тангенциальных сил, возникающих в точках контакта при перемещении одного тела относительно другого. Эти силы при резании металлов могут привести к процессам схватывания. Действие смазочно-охлаждающей технологической среды состоит в уменьшении схватывания, трения, задира, изнашивания, фрикционного нагрева контактирующих поверхностей инструмента и заготовки. В процессе резания образуются физически чистые ювенильные поверхности заготовки и инструмента, которые обладают большой химической активностью за счёт не скомпенсированных атомных связей. В результате при электронном обмене между атомами происходит образование адгезионных связей между инструментом и заготовкой, что увеличивает адгезионно-усталостный износ инструмента. При наличии условий, способствующих упрочнению обрабатываемого металла при резании могут образоваться наросты, зоны прилипания третьего тела.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) оказывают влияние на процесс резания в первую очередь благодаря охлаждающим свойствам. В большинстве случаев охлаждение снижает изнашивание режущего инструмента и улучшает качество обрабатываемой поверхности. Очевидный способ увеличения охлаждающей способности СОТС перевод её на водную основу, т. е. создание истинных водных растворов.

При фрезеровании нержавеющих сталей количество теплоты, поглощаемое фрезой значительно больше, чем при обработке конструкционных сталей при равных режимах резания. Существует несколько причин перехода большего количества тепла в инструмент при обработке нержавеющих сталей по сравнению с обработкой конструкционных углеродистых сталей. Вследствие повышенной способности к упрочнению при пластической деформации жаропрочных сплавов пределы прочности могут возрасти в 2 раза (с 600 до 1200 МПа). В результате этого значительно возрастает количество работы, затрачиваемой на резание и, как следствие, происходит увеличение температуры по сравнению с температурой при резании конструкционных углеродистых сталей.

Подача СОЖ осуществляется свободно падающими или напорными струями. Во втором случае смазочная жидкость подаётся под высоким давлением тонкой струёй в зазор между задней поверхностью резца и обрабатываемой деталью. Подача СОТС может осуществляться через каналы в инструменте, что способствует лучшему удалению стружки, снижению теплообмена между стружкой и инструментом, повышению стойкости инструмента. Подача охлаждающей жидкости по каналам в теле инструмента очень эффективна, но применима не для всех инструментов [3, 4]. Другим методом является метод подвода СОЖ в распыленной состоянии. При механическом распыливании жидкость под давлением вытекает из различных форсунок в неподвижную воздушную среду. Обычно в качестве газо-носителя (дисперсионной среды аэрозоля) принимается сжатый воздух (давление до 0,2-0,4 МПа). Размер диспергированных частиц жидкости достигает 10-20 мкм. Скорость струи распыленной жидкости составляет несколько сотен метров в секунду. Диспергированные в воздушной среде частицы жидкости оказывают охлаждающее действие не только путем теплообмена, но и за счет испарения. Достаточно эффективным является способ добавления смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) в виде распыленной охлажденной жидкости. В результате двух фазовых переходов возможно поглощение на 1кг воды 2633кДж/кг=658ккал, из них 333кДж/кг = 85ккал за счет таяния льда и 2300кДж/кг =573ккал за счет испарения воды.

Несмотря на то, что количество теплоты, уходящей в режущий инструмент, значительно меньше количества теплоты, уходящей в стружку и деталь, температура поверхности инструмента значительно больше температуры детали и стружки [5-7]. Теплопроводность стали 08Х18Н10Т равна 0,0027Вт/м∙⁰С, в то время как теплопроводность cтали 45 равна 0,0040Вт/м∙⁰С, в результате чего снижается доля тепла поглощаемого деталью и стружкой и, одновременно, повышается доля тепла поглощаемого инструментом, при обработке нержавеющих сталей [8-10]. Из-за вязкости нержавеющей стали образуется непрерывная (сливная) стружка, увеличивается время постоянного контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента, что также способствует передаче тепла от стружки к инструменту. Учитывая то, что при обработке нержавеющих сталей на износ инструмента большое влияние оказывают силы трения, то в зону резания необходимо также подавать вещества, снижающие коэффициенты трения. При использовании фрез из быстрорежущих сталей или твердосплавных эффективно применение СОТС в распыленном состоянии, т.к. при этом стойкость инструмента повышается в 1,5-3 раза по сравнению с резанием без СОТС на воздухе или при поливе [11-14].

Материалы и методы

  В качестве объекта исследований выбрана деталь внутрикорпусного устройства (ВКУ) реактора ВВЭР, изготовленная из аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т - труба упорных стаканов, которые служат в качестве направляющих и опорных частей тепловыделяющих сборок (ТВС). Она обладает требуемыми эксплуатационными свойствами, чтобы в процессе работы не разрушаться под воздействием высоких температур, давления и радиации. При производстве других деталей ВКУ применяется аналогичные материалы нержавеющих сталей и коррозионностойких сплавов, например, 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т. В каждой из этих труб необходимо прорезать 390 пазов шириной 3 мм (рис. 1), общее количество таких пазов в комплекте труб для одного реактора составляет 63000, все из них должны быть изготовлены в соответствии с высокими требованиями к качеству поверхностного слоя.

Рис. 1. Чертеж детали

В филиале «АЭМ-технологии» «Атоммаш» в г. Волгодонске на вертикально-фрезерном станке 6Р13 производится основная обработка 390 пазов дисковой фрезой шириной 3,0-3,2 мм. Марка применяемого материала инструмента Р6М5. При прорезании паза боковые поверхности инструмента находятся в постоянном контакте с деталью. Такое постоянно соприкосновение материалов в условиях повышенной температуры вызывает быстрый износ как боковых поверхностей, так и режущего лезвия инструмента (рис. 2).

Рис. 2. Износ зубьев фрезы

Обработка резанием нержавеющей стали 08Х18Н10Т ведется со следующими режимами резания: t = 12 мм, b =3 мм, S = 0,12 мм/мин, , стойкость инструмента при этом Т»45 минут. Приблизительное количество обработанных пазов между переточками составляет 20 штук, количество переточек не превышает четырех, таким образом на изготовление одной детали расходуется около 50 фрез.

Фрезерование коррозионностойких сталей дисковыми фрезами из быстрорежущих сталей целесообразно осуществлять с применением эмульсионных и полусинтетических СОТС. Чем пластичнее сталь, тем большее влияние оказывает СОТС на процесс фрезерования. При фрезеровании вязких сталей более эффективны СОТС, с высокими смазывающими свойствами при одновременном обеспечении высокого охлаждающего действия. Смазочно-охлаждающая жидкость должна не только эффективно воздействовать на процесс резания, но и удовлетворять дополнительным требованиям: она должна быть дешёвой, не должна быть токсичной или пожароопасной, не должна вызывать коррозию станка или обработанной детали. Для обработки углеродистых и легированных сталей при высоких скоростях резания предпочтительно применять масляные СОТС. Это связано с тем, что действия СОТС сопровождается воздействием кислорода воздуха на процесс резания. При применении СОТС полностью или частично из зоны резания вытесняется воздух и тем самым уменьшается влияние кислорода воздуха. Кроме того СОТС и кислород воздуха могут или взаимно усиливать процессы изнашивания поверхности инструмента (водные СОЖ интенсифицируют стадии взаимодействия после хемосорбции) или ослаблять (при использовании масляной фазы в эмульсиях и масляных СОТС как препятствия доступа кислорода к поверхностям). Выбор оптимальных технологий и технических средств подачи СОТС является сложной задачей, при решении которой необходимо учитывать большое число факторов: состав и свойства среды, специфику операции, конструкцию рабочей зоны станка и инструмента, а также свойства инструмента. Подаваться СОЖ может одним компонентом (однофазная подача) и многофазно (несколько различных СОЖ).

В качестве смазочно-охлаждающей жидкости для обработки аустенитных нержавеющих сталей были выбраны отечественные СОЖ: СИНАПОЛ, Аквол-11, Модус-А. В качестве эффективной альтернативы рекомендуется смазочно-охлаждающая жидкость ТЕХМОЛ ЭКСТРА, синтетическая смазочно-охлаждающая жидкость универсального применения (концентрат СОЖ) (ТУ 2422-005-13092819-2002).

Результаты

Основными источниками теплоты в процессе резания являются зона стружкообразования и участки инструмента, которые контактируют с обрабатываемой деталью и стружкой. Снижение температуры инструмента и детали в процессе резания повышает точность обработки вследствие уменьшения температурной деформации. Повышение стойкости режущей части инструмента считается главной задачей применения СОЖ. Известно, что стойкость резцов с неперетачиваемыми твердосплавными пластинами при применении внутреннего охлаждения повышается практически в два раза по сравнению со стойкостью инструмента, работающего без охлаждения. Высокая удельная теплоемкость и коэффициент теплопередачи воды улучшают охлаждающие свойства водосмешиваемых СОТС по сравнению с масляными жидкостями. Благодаря испарению воды из водосмешиваемых продуктов теплота испарения способствует общему охлаждению. Необходимо учитывать, что одни и те же СОТС эффективные для одних инструментальных материалов, могут быть не эффективны для других. Так, например, смазывающий и охлаждающий эффект СОЖ приемлем при фрезеровании для инструмента из быстрорежущих сталей [15-17]. В результате того, что фреза нагревается до более высокой температуры, чем деталь, она в результате коэффициента линейного расширения увеличивается по ширине больше, чем прорезаемый паз, что вызывает заклинивание фрезы по боковым поверхностям. При этом возрастают нормальные силы на контакте материала детали и боковой поверхности дисковой фрезы и в результате значительно возрастает износ инструмента. Износ зубьев фрезы представлен на рис. 3. Начальный размер ширины инструмента уменьшается с 3,2 мм до 2,8 мм и ниже. В ходе обработки также уменьшается высота зуба, которую корректируют правкой инструмента, в следствии этого диаметр фрезы уменьшается с 63,0 мм до 58,0 мм.

 

Размеры фрезы до обработки: —    D= 63 мм —    b = 3,2 мм	Размеры фрезы после обработки: —   D = 58 мм —   b = 2,8 мм

Рис. 3. Износ зубьев фрезы

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей повышает технологические показатели операций обработки резанием. При этом снижается шероховатость обработанной поверхности вследствие устранения или уменьшения процессов фрикционного переноса и наростообразования; уменьшается глубина и интенсивность наклёпа обработанной поверхности, значения внутренних напряжений; уменьшается деформация заготовки и инструмента под действием механических нагрузок и снижается температура стружки, заготовки, инструмента, а, следовательно, понижаются их температурные деформации и интенсивность размерного изнашивания инструмента.

С учетом вышесказанного, возникает необходимость охлаждать не только рабочую зону фрезы, но и всю фрезу, уменьшая ее тепловое расширение, что необходимо учесть при проектировании устройства для подачи смазочно-охлаждающей среды. Для преобразования распыленной воды в иней, предлагается охлаждать жидкость воздухом, охлажденным посредством вихревых трубок, за счет использования эффекта Ранка-Хилша.

При токарной обработке твердосплавными инструментами суспензию необходимо подавать под давлением на заднюю поверхность резца, исключив перепады в охлаждении инструмента. При фрезеровании дисковыми быстрорежущими фрезами подаем СОЖ в форме мелкодисперсной фазы в виде инея (замёрзших капель) через каналы инструмента в зону резания.

Для снижения температуры в зоне резания и, как следствие, повышения стойкости инструмента предлагается способ охлаждения в зоне резания за счет эффекта отбора тепла из-за фазового перехода из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Это можно реализовать, если подавать в зону резания распыленную жидкость в виде инея (застывших частиц воды). Схема системы подвода СОТС представлена на рис. 4.

Резервуар СОТС обеспечивает наличие смазочно-охлаждающей жидкости, поступающей в дозатор-компенсатор и сбор конденсата СОТС для повторного использования.

Назначение дозатора-распылителя - преобразовать жидкость в аэрозоль, подавая такое количество жидкости, которое может быть переведено в твердое состояние охлажденным воздухом, поступающим из вихревой трубки.

Охладитель воздуха (вихревая трубка Ранка-Хилша) обеспечивает охлаждение сжатого воздуха до температуры -30^о (-50^о С). Принцип работы вихревых труб заключается в разделении потока сжатого воздуха, поступающего тангенциально внутренней поверхности трубы. Часть воздушного потока в результате сложных аэродинамических процессов, обусловленных геометрией элементов трубы разогревается и движется по периферии трубы к горячему концу. Остальная часть потока расширяется и движется противотоком по центральной части трубы к холодному концу.

Смеситель-сопло обеспечивает смешивание суспензии жидкости с охлажденным воздухом и образование инея, направляемого в зону резания. После испарения в зоне резания пар конденсируется частично на обрабатываемой детали, частично в воздушном пространстве, замкнутом кожухом станка. Конденсат попадает в поддон и возвращается в резервуар СОТС. Защитный экран (кожух) станка с числовым программным управлением (ЧПУ) препятствует попаданию пара и суспензии в окружающую среду.

Рис. 4. Схема системы подвода СОТС

В системе подвода СОТС максимально использованы покупные, серийно выпускаемые элементы (изделия), что снижает затраты на изготовления самой системы. В качестве дозатора-распылителя используется маслораспылитель, модели В44-26 по ТУ 4152-002-00220859-95, с расходом не менее 80 капель/мин, применяемый в пневматических системах. Распылитель дополнительно оборудован штуцером с обратным клапаном, который устанавливается в отверстие для заливки жидкости, что обеспечивает периодическое пополнения СОТС из резервуара посредством насоса. В качестве охладителя воздуха используется вихревая трубка производителя Ningbo XHnotion Pneumatic Technology Co., Ltd.(КНР).

Конструкция смесителя-сопла представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Смеситель-сопло

Смеситель-сопло выполнен в виде полости 3 и восьми отверстий 7 (по четыре отверстия с каждой стороны фрезы), просверленных в оправке 1. По отверстию 5 в смеситель поступает поток суспензии СОТС, а по отверстию 6 поток охлажденного воздуха, которые смешиваясь, образуют взвесь замерзших частиц в потоке воздуха (иней). На каждый зуб фрезы 12 иней поступает через отверстия 7, кольцевую выточку 8 и каналы 9 прижимных шайб 2 (каналы 9 выполнены против каждого зуба фрезы). Уплотнения 10, 11 и заглушка 13 препятствуют выходу смеси вне зоны резания.

Предложенная конструкция смесителя-сопла обеспечивает подачу СОТС в виде инея непосредственно на фрезу, исключая охлаждение самой детали. Предложенная технология обработки пазов внутрикорпусного устройства реактора ВВЭР проводилась на вертикально-фрезерном центре модели MILLSTAR LV1400, фреза менялась через каждые 40 пазов. Модернизация технологического процесса механической обработки 63000 пазов позволила повысить скорость резания (фрезерования) в 2 раза при сохранении заданной стойкости инструмента. Одновременно снижается величина заусенец и трудоемкость их удаления.

Предложенный технологический процесс можно тиражировать и на другие детали из аустенитных нержавеющих сталей, изготовляемые в филиале «АЭМ-технологии» «Атоммаш» в г. Волгодонск.

 Заключение

 Разработана инновационная система обработки упорных стаканов, выполненных в виде перфорированных труб, применяемых в ВВЭР в качестве направляющих и опорных частей тепловыделяющих сборок (ТВС), которая имеет следующие преимущества по сравнению с применяемой на предприятии:

- уменьшает тепловое расширение фрезы, исключает тем самым ее заклинивание и дефекты на боковых сторонах обрабатываемого паза;

- позволяет снизить количество используемого инструмента в 2 раза, что уменьшает расходы на инструмент;

- повышает производительность процесса в 1,5 раза (время обработки сокращается с 5300 часов до 2700 часов).

Установлено, что применение распыленных СОТС препятствует образованию наростов и наплывов на рабочих поверхностях инструмента, повышает качество обработанной поверхности; уменьшает наклеп, внутренние напряжения и температурные деформации заготовок в процессе резания. Наблюдается повышение экономических показателей операции резания за счёт увеличения стойкости инструмента, сокращения его расходов вследствие уменьшения интенсивности изнашивания.

_______________________________

© Косогова Ю.П., Федотов А.Г., 2025

About the authors

Yuliya P. Kosogova

Volgodonsk Engineering Technical Institute, the Branch of the National Research Nuclear University «MEPhI»

Author for correspondence.
Email: ypkosogova@mephi.ru
ORCID iD: 0000-0003-3952-7814

Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor

Russian Federation, 73/94Lenin str., Volgodonsk 347360, Rostov region, Russia

Anatoliy G. Fedotov

Volgodonsk Engineering Technical Institute, the Branch of the National Research Nuclear University «MEPhI»

Email: agfedotov@mephi.ru

Cand. Sc. (Technical), Assistant Professor

Russian Federation, 73/94Lenin str., Volgodonsk 347360, Rostov region, Russia

References

Supplementary files