摘 要：核岛反应堆支撑法兰为正八边形结构，其中四个面需要加工，表面粗糙度和平面度要求高，在现场需要使用便携式机床进行加工，加工后进行测量并记录，证明加工方案可行。
关键词：机加工；表面粗糙度；平面度
1 概述
顶部法兰板用来支撑RV支撑，法兰结构为正八边形，高大约8m，两平行边的距离为6096mm，其材质为A36。该法兰分八片预制，拼焊成为一个整体后，再整体吊装并安装于法兰顶部，整个结构总重约5.8t。法兰模块与其顶部法兰结构如图1所示。4个支撑面经精加工后其厚度和公差要求为38.10+6mm，同时，需要对RV支撑预埋板部分与RV支撑接触的表面进行精加工，加工总面积达到7.0m2。详情如图2。
图1 模块与其顶部法兰
图2 顶部法兰精加工区域
法兰面的加工技术要求为：顶法兰机加工表面标高为8090.40+3；精加工表面的粗糙度1.6μm；四个机加工表面的平面度公差0.127mm，且在长度304.8mm范围内不大于0.0254mm；四个机加工表面与反应堆压力容器支撑架至少有75%的接触面；四个机加工面的法兰厚度为38.10+6。
2 加工机床选用和使用调整
2.1 加工机床选择
综合考虑，平面法兰加工机床选用需要考虑施工环境，整个施工环境在RV容器腔内，空间狭小，所选机床须考虑既能将表面机加工，又不会与周围部件相干涉（需要特别注意铣床的动力头部位）。根据需要采用便携式机床进行现场加工。
根据现场法兰的布局，设计人员经过多次探讨，确定机床须采用便携式机床，设计方案可大体分为两种。一种为横梁式平面铣削机床，一种为圆周回转铣削机床。
两种机床设计方案优劣点对比如表1。
表1
通过现场实际考察和厂家经验交流后，采用方案一作为机床设计的思路。委托外单位制造横梁式平面铣床。考虑到单个法兰面的加工面积为3811*489mm，所以确定定制的便携式机床的X轴行程为4000mm，Y轴行程为500mm，铣削主轴采用MDME502GCG伺服电机，配备的铣刀盘直径为250mm。
2.2 加工机床的使用调整
将X轴导轨放在导轨安装板上，使用紧固螺钉紧固，调整螺钉微调导轨高度，配合激光水平仪，检测两边直线导轨的水平面，控制机床的单根导轨水平误差≤0.04mm/全长，Y轴连接板平面度为0.05mm以内。
安装Y轴导轨及主轴头，Y轴导轨两侧有调整螺丝，可以微调主轴在左右方向上的倾角。主轴连接端面也有调整螺丝，可以微调主轴在前后方向上的倾角。调节调整螺栓，使刀盘的垂直度在0.02mm以内。
3 工装架的设计制造
由于顶法兰机加工表面标高为8090.40+3mm，距离地面较高，加工机床要有足够强度的支撑，避免加工振动。同时法兰面为八边形，有四个边需要加工，机床需要调换方位四次，机床需要被提供足够的支撑。考虑现场情况，结合实际情况，提出两种方案：（1）机床导轨直接支撑在法兰不加工面上，靠导轨左右两端支撑。缺点：导轨中间悬空，机床运行时不稳定，同时操作人员没有站立位置。（2）在法兰中搭设工装架，为机加工机床提供更多支撑，使机床导轨与支撑有更大的接触面积，运行更平稳。
3.1 工装架结构设计
根据上述情况，参照钢结构规范及AWS焊接标准，通过将型材、板材焊接或栓接成一个整体，为便携式机床提供稳定可靠地现场支撑。
法兰加工工装架布置见图3和图4。工装主要由牛腿、立柱、可调垫铁、机床安装底座、导轨安装板等几部分组成。
图3 顶部法兰机加工工装设置简图（a）
在法兰筒体内壁上焊接8个牛腿，位置距离法兰表面一定高度。立柱与机床安装底座之间设立可调垫铁，可以快速调平安装底座。机床安装底座在调平后通过径向支撑和下面的焊接板（使用角焊缝与立柱连接）固定。径向支撑在机床安装底座的外端与法兰筒体顶紧后，内端使用螺母紧固。机床安装底座上面再铺设导轨安装板，安装板与机床导轨通过螺栓和顶丝来连接，顶丝用来调整机床安装水平，螺栓连接用于机床的压紧固定。立柱与牛腿、立柱与可调垫铁通过螺栓连接固定。同时在八根立柱之间增加斜撑，确保整体工装的稳定性。为了现场使用方便，在设计的时候考虑使用悬臂吊，因此在机床安装底座中间设置吊车安装底座，使用中间立柱支撑到筒体底部，并使用工字钢径向支撑中间立柱。
3.2 工装架与筒体焊接部位载荷计算
由工装架结构看，工装架与筒体焊接部位（牛腿）主要受弯剪作用，与法兰筒体内壁的焊接的牛腿上的焊接板的厚度为30mm，焊脚高度为6mm，焊缝有效长度至少为4200mm，工装设计总重小于5吨，机床重量约为3吨，经计算，焊缝受力情况满足强度设计要求。
顶部法兰机加工工装设置简图
图4 顶部法兰机加工工装三维图
4 法兰面机加工流程概述
4.1 机加工流程概述
顶部法兰机加工流程如下：（1）焊接或者栓接固定工装架；（2）初步调平校正工装台架；（3）吊装、安放、紧固机床安装板；（4）将X轴导轨放在机床安装板上，使用紧固螺钉紧固，调整螺钉微调导轨高度，控制导轨平面度；（5）安装机床Y轴导轨与主轴头，调节调整螺栓，使主轴的垂直度在0.02mm以内；（6）粗、精铣削第一个面，检测各项指标直至合格；（7）加工完成第一个面之后，将机床吊起并旋转90°，重新安装调整机床，对第二个面进行加工。
4.2 加工工作描述
表面加工之前检测各片法兰面顶部标高，根据最终加工之后的标高值计算得到各片法兰面加工余量，同时保证最小板厚为38.1mm。法兰面的整个铣削过程粗、精加工分开，合理确定粗、精加工的背吃刀量，精加工进给量为0.05～0.20mm，分多次进给实现.铣削时大电机转速：1000-1600转/分钟、小电机转速：100-300转/分钟。
表2
图5 一个法兰加工面的平面度测量
粗加工时需检测法兰顶部的标高，精加工时需检测表面平面度及标高，确保法兰表面精加工要求。平面度的测量采用激光测平仪，选择155个点来采集数据，数据经仪器自带软件处理后得到法兰板的平面度。
加工过程中，不更换刀盘，只更换铣削刀片。更换刀片一次，铣削整个钢板表面。更换刀片前，记录光栅显示屏上显示的数字，然后提升刀盘高度，更换好刀片后，按照记录的数字下调刀盘高度。
5 现场加工
机床采购后，经过厂内初步调试后运输到现场，在工装安装调试平面度后，将机床吊装到工装上进行安装调平，在各项文件及工机具准备充分的情况下进行法兰的现场机加工。经过实际试用，现有机床加工能力满足法兰加工要求，加工出来的法兰面各项参数均达到指标，为现场加工获取了宝贵的经验，大大提高后期工作的效率。选取一个法兰加工面精铣后（选取155个点使用激光水平仪进行测量）测量数据如表2和图5。
6 结束语
根据激光水平仪测量结果，可以看出精加工后法兰面的平面度为0.116mm，达到了平面度0.127mm的要求。加工面的表面粗糙度在精加工后使用对比块对比，得出粗糙度值可以达到1.6μm，局部位置可以达到0.8μm，证明该加工方案可以应用于大型法兰的现场机加工。实践中发现存在的问题和可改进提升的地方如下：（1）机床导轨调平难：机床X轴导轨放在机床安装板上，使用紧固螺钉紧固，调整螺钉微调导轨高度，控制Y轴连接块平面度在0.05mm以内；这些工作需要使用扳手配合激光水平仪进行手动调节，调节耗时较长，需反复进行才能达到要求。（2）机床重心前移：机床在加工法兰时，按照从内到外分三刀加工，机床重心逐步向外移动，Z方向吃刀量逐步增大，加工后的钢板有一定的倾斜度。即便在Y轴刀臂后追加6个配重块，还是存在重心前移的问题，需要在加工时适当减小Z方向吃刀量。（3）机床手动进给：机床Y方向进给为手动进给，操作不便，致使沿止挡块方向进刀痕迹明显，最后局部需要进行手工打磨。
