Способ и устройство для тонкого шлифования цилиндрических объектов, преимущественно таблеток ядерного топлива - RU2284894C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу тонкого шлифования (для получения заданных размеров) цилиндрических объектов, в частности таблеток ядерного топлива. Изобретение охватывает также устройство для тонкого шлифования таких объектов, предназначенное для осуществления названного способа.

По существу в рамках настоящего изобретения предлагаются новый способ и устройство для улавливания пыли, производимой при тонком шлифовании цилиндрических объектов.

Описание изобретения дано ниже применительно к тонкому шлифованию (называемому далее также шлифованием) таблеток ядерного топлива, но оно не ограничивается данным контекстом. Специалистам в данной области понятно, что изобретение может использоваться в любых процессах тонкого шлифования любых изделий, представляющих собой цилиндрические тела вращения, в частности, металлических и керамических изделий.

Уровень техники

Известны способы и устройства для шлифования цилиндрических объектов с использованием шлифовального абразивного круга, предусматривающие отвод образующихся при шлифовании частиц пыли в предусмотренные для этого каналы (см., например, патент России №2046695, 1995).

Способ, наиболее близкий к настоящему изобретению по своей технической сущности, раскрыт в патенте США №4091571, 1978. Согласно известному способу шлифование цилиндрических объектов осуществляют в открытом защитном устройстве (при обеспечении статического и динамического удерживания частиц) посредством воздействия вращающегося шлифовального круга на боковую поверхность (периферию) обрабатываемых объектов. Обрабатываемые объекты при этом непрерывно перемещаются под действием вращающегося ведущего круга вдоль всей толщины указанного шлифовального круга по опорному ножу, установленному между указанными шлифовальным и ведущим абразивными кругами.

Известное устройство, описанное в указанном патенте и предназначенное для осуществления описанного выше способа шлифования цилиндрических объектов, содержит размещенные в открытом защитном устройстве: шлифовальный абразивный круг, ведущий абразивный круг, средства для приведения во вращение указанных шлифовального и ведущего абразивных кругов с соответствующими скоростями, а также опорный нож, размещенный соответствующим образом между двумя указанными абразивными кругами для обеспечения опоры для указанных объектов и их подачи вдоль всей толщины указанного шлифовального круга.

Описанные способ и устройство для шлифования цилиндрических объектов, соответствующие уровню техники, использованы заявителем настоящего изобретения применительно к тонкому шлифованию таблеток ядерного топлива. Далее, для облегчения его понимания, указанное применение будет описано со ссылкой на фиг.1. Приводимое описание позволяет также лучше понять настоящее изобретение, направленное на совершенствование известной технологии.

В процессе изготовления таблеток ядерного топлива таблетки, полученные в результате прессования порошков (обычно PuO₂ + UO₂ или UO₂), подвергаются неуправляемой усадке во время операции спекания, которая осуществляется при высокой температуре (примерно до 1700°С).

Поэтому далее необходимо пропускать их через устройство тонкого шлифования для очень точного выдерживания размеров перед их перераспределением в оболочках для формирования стержней.

Шлифовальное устройство, используемое заявителем в настоящее время для осуществления известного способа применительно к таблеткам ядерного топлива, состоит, по существу, из двух абразивных кругов:

- шлифовального круга 1, изготовленного на основе абразивного порошка, связанного металлическим или органическим связующим;

- ведущего круга 2, также изготовленного на основе абразивного порошка, связанного металлическим или органическим связующим.

Абразивные круги 1 и 2 приводятся во вращение в одном направлении.

Подлежащие шлифованию цилиндрические таблетки 3 подаются скольжением в лежачем положении по горизонтальному лотку. Тонкое шлифование производится абразивным воздействием шлифовального круга 1 на эти таблетки 3, которые подаются одна за другой по опорному ножу 4 вдоль всей толщины шлифовального круга 1. Указанные таблетки 3 вращаются под действием шлифовального круга 1 и продвигаются вдоль оси Oz под действием ведущего круга 2. Таким образом, абразивное воздействие шлифовального круга 1 равномерно распределяется по всей периферии (боковой поверхности) этих таблеток 3. Направление продвижения (вдоль оси Oz) обеспечивается соответствующим наклоном ведущего круга 2.

Направление вращения шлифовального и ведущего абразивных кругов 1 и 2 таково, что шлифовальный круг 1 оказывает свое абразивное воздействие на таблетки сверху вниз. Таким образом, частицы пыли, образующейся при тонком шлифовании, движутся, в основном, в направлении вниз, что позволяет наилучшим образом использовать поверхностный эффект («скин-эффект»), возникающий за счет вращения шлифовального круга 1.

Все устройство заключено в перчаточной камере 6. В данном случае обеспечивается как статическое, так и динамическое удержание частиц пыли.

Создаваемая при шлифовании пыль всасывается с помощью всасывающих сопел 7, 7' и 7". При этом:

- первое сопло 7 расположено в нижней части под опорным ножом 4 с небольшим смещением в сторону шлифовального круга 1;

- второе сопло 7' расположено в верхней части на одной вертикали с указанным опорным ножом 4;

- третье сопло 7" предусмотрено для всасывания непосредственно из защитного кожуха 5' ведущего круга 2.

Защитные кожухи 5 и 5', предусмотренные вокруг шлифовальных кругов 1 и 2, имеют форму прямоугольных параллелепипедов, стенки которых более или менее удалены от поверхностей кругов, так что между кожухом и кругом образуются углы, где имеют тенденцию скапливаться частицы пыли. Эти кожухи 5 и 5' создают несовершенное статическое и динамическое удержание частиц пыли вблизи кругов 1, 2. Значительная часть образующейся пыли выбрасывается из этих кожухов 5 и 5' и загрязняет перчаточную камеру 6. Таким образом, не вся пыль отсасывается всасывающими соплами 7, 7' и 7".

Эти недостатки обуславливают необходимость использования мощных всасывающих сопел, а следовательно, и увеличенные размеры устройства всасывания пыли и устройства обработки газообразных отходов перчаточной камеры.

Кроме того, было замечено, что некоторые стенки указанных кожухов могут играть роль «инерционных фильтров», то есть они загрязняются путем инкрустации выбрасываемой пылью, и при этом их очистка от такого «осадка» почти невозможна.

Сущность изобретения

В этом контексте задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в управлении процессом в отношении образующейся пыли.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания усовершенствованных способа и устройства, направленных на снижение загрязнения образующейся при шлифовании пылью без повышения требований к системе всасывания пыли.

Способ в соответствии с изобретением является способом тонкого шлифования цилиндрических объектов посредством воздействия шлифовального круга на боковую поверхность (периферию) указанных объектов. Согласно указанному способу:

- объекты непрерывно перемещаются под действием ведущего круга вдоль всей толщины указанного шлифовального круга по опорному ножу, установленному между указанными шлифовальным и ведущим абразивными кругами;

- шлифовальный и ведущий круги приводят во вращение в одном направлении, которое определяет воздействие шлифовального круга на указанные объекты сверху вниз;

- способ осуществляют в открытом защитном устройстве (при обеспечении статического и динамического удерживания частиц) с всасыванием образующихся при шлифовании частиц пыли.

В отношении перечисленных признаков способ по изобретению соответствует современному способу тонкого шлифования, осуществляемому в устройстве, которое схематично представлено на фиг.1.

Отличительные особенности данного способа в соответствии с изобретением заключаются в следующем:

- образующиеся при шлифовании частицы пыли удерживают статическим и динамическим образом максимально близко к поверхности указанных шлифовального и ведущего абразивных кругов; тем самым ограничивают подверженный загрязнению объем (объем, ограниченный поверхностями без острых ребер) и расход подлежащего обработке газа (отводимого при всасывании); таким образом, частицам пыли придают максимальную скорость;

- по существу, все образующиеся при шлифовании частицы пыли, удерживаемые на стороне шлифовального круга и на стороне ведущего круга, транспортируют к нижней области указанного шлифовального круга в газовом потоке, создаваемом, с одной стороны, за счет вращения указанного шлифовального круга и, с другой стороны, за счет осуществляемого принудительного всасывания: эти частицы пыли захватываются всасыванием (при минимальном расходе газа благодаря удерживанию) в единственном газовом потоке, и для этого захвата (улавливания) используют поверхностный эффект, создаваемый вокруг шлифовального круга;

- эти образующиеся, удерживаемые и транспортируемые (в единственном газовом потоке) частицы пыли отводят или собирают за счет указанного принудительного всасывания.

Важным достоинством способа является то, что статическое и динамическое ограничение, или удержание в максимальной близости обеспечивают таким образом, что улавливание образующихся при шлифовании частиц пыли осуществляется с оптимальной производительностью отвода (за счет этого загрязнение сводится к минимуму) и с минимальным расходом всасывания (за счет этого ограничивается мощность компрессора, необходимого для создания всасывания, и габариты фильтрационного устройства, которое должно быть предусмотрено на выходе для сбора пыли).

Для транспортирования к нижней области шлифовального круга частиц пыли, удерживаемых на стороне ведущего круга, необходимо предусмотреть перенос этих частиц пыли от стороны ведущего круга на сторону шлифовального круга. Эти образующиеся частицы пыли, удерживаемые на стороне ведущего круга, в оптимальном варианте переносят для транспортирования на сторону шлифовального круга:

- через, по меньшей мере, один канал, предусмотренный в указанном опорном ноже, расположенном между шлифовальным и ведущим абразивными кругами и поддерживающим объект во время шлифования. Таким образом, обеспечивается всасывание частиц пыли, которые образуются на стороне ведущего круга максимально близко к месту их образования. Для оптимизации указанного «ближнего» всасывания ось данного канала имеет наклон сверху вниз; и/или

- через, по меньшей мере, один канал, выполненный под указанным опорным ножом на уровне нижней части указанного ведущего круга. За счет этого устраняется накопление частиц пыли в этой нижней области.

В особенно предпочтительном варианте выполнения образующиеся частицы пыли, удерживаемые на стороне ведущего круга, передаются для транспортирования на сторону шлифовального круга через первый канал, предусмотренный в указанном опорном ноже, и через другой канал, выполненный под указанным опорным ножом на уровне нижней части указанного ведущего круга.

Образующиеся частицы пыли, удерживаемые вокруг шлифовального и ведущего абразивных кругов и транспортируемые к нижней части указанного шлифовального круга, отводят посредством всасывания, по меньшей мере, в одной точке, которая находится на окружности вокруг этого шлифовального круга и, очевидно, за точкой или точками скапливания частиц пыли. Особенно предпочтительно тангенциальное всасывание у нижней точки указанного шлифовального круга.

Для оптимизации этого отвода (сбора) из одной или нескольких точек (предпочтительно из одной точки) всасывание производят в таких условиях, что скорость отводимого всасыванием газа значительно выше скорости газа, который увлекается, за счет вращения шлифовального круга, в области за точкой (точками) отвода. Скорость всасываемого газа на входе предназначенного для этой цели всасывающего сопла (или каждого сопла в случае применения нескольких сопел) в оптимальном варианте превышает в 2-3 раза окружную скорость шлифовального круга. За счет этого сводится к минимуму захват частиц пыли газовым потоком, создаваемым при вращения шлифовального круга за счет поверхностного эффекта.

Несущий частицы пыли газ, отводимый всасыванием, затем подвергается очистке обычным способом. Так, очистка может производиться фильтрацией. Очищенный газ может далее использоваться повторно.

Очевидно, что способ по изобретению, как и известный способ, соответствующий уровню техники и проиллюстрированный на фиг.1, осуществляется в защитном устройстве, которое является открытым в отношении динамического удерживания. В рамках оптимального варианта выполнения способ по изобретению осуществляют внутри перчаточной камеры.

Очевидно также, что способ по изобретению разработан преимущественно для тонкого шлифования таблеток ядерного топлива. Следует, однако, вновь отметить, что это использование не является ограничительным. Данный способ пригоден для тонкого шлифования любых изделий, представляющих собой цилиндрические тела вращения. Он пригоден, в частности, для тонкого шлифования подобных изделий из твердых материалов (например, керамических или металлических).

Вторым объектом изобретения является устройство для тонкого шлифования цилиндрических объектов, предназначенное для осуществления описанного выше способа. Это устройство, как и устройство, известное из уровня техники и схематично показанное на фиг.1, содержит размещенные в открытом защитном устройстве:

- шлифовальный абразивный круг,

- ведущий абразивный круг,

- средства для приведения во вращение указанных шлифовального и ведущего абразивных кругов с соответствующими скоростями в одном направлении, которое определяет воздействие указанного шлифовального круга на указанные объекты сверху вниз,

- опорный нож, размещенный соответствующим образом между двумя указанными абразивными кругами для обеспечения опоры для указанных объектов и их подачи вдоль всей толщины указанного шлифовального круга;

- средства для всасывания частиц пыли, образующейся при тонком шлифовании.

Отличительной особенностью устройства по изобретению (представляющего собой единый блок или состоящего из нескольких частей) является то, что внутренняя часть защитного устройства выполнена с наилучшим соответствием формам указанных шлифовального круга и ведущего круга таким образом, что на их периферии оставлены только узкие пространства, или зазоры (ограниченные поверхностями без острых ребер), которые предназначены для циркуляции газовых потоков, в большей или меньшей степени содержащих частицы пыли, образующейся при шлифовании, и охватывают, по меньшей мере, половину окружности, предпочтительно три четверти окружности указанных двух абразивных кругов, с отсчетом этих трех четвертей окружностей по направлению вниз от верхнего уровня опорного ножа.

Устройство по изобретению содержит также средства для обеспечения сообщения узкого зазора вокруг указанного ведущего круга с узким зазором вокруг указанного шлифовального круга, причем эти средства расположены внутри указанного опорного ножа и/или под ним. При этом средства всасывания частиц пыли расположены с возможностью оказания воздействия, по меньшей мере, в одной точке указанного узкого пространства, окружающего указанный шлифовальный круг и, по направлению вращения указанного шлифовального круга, позади устья указанных средств обеспечения сообщения.

Внутри такого устройства образующиеся частицы пыли, удерживаемые максимально близко к поверхностям абразивных кругов, транспортируются и всасываются на стороне шлифовального круга.

Это удержание вокруг каждого из двух абразивных кругов может быть оптимизировано в отношении толщины узкого зазора и его длины по периметру каждого из этих абразивных кругов. Следует отметить, что указанное защитное устройство в оптимальном варианте открыто в области над опорным ножом для целей наблюдения и подачи газа (который может быть определен как продувочный газ).

Что касается средств обеспечения сообщения между узкими пространствами, образованными, соответственно, вокруг шлифовального круга и ведущего круга (по меньшей мере, в нижней области этих шлифовальных кругов), существуют несколько вариантов реализации этих средств, а именно:

опорный нож может содержать, по меньшей мере, один канал, причем предпочтительноось данного канала имеет наклон сверху вниз; и/или

основание указанного опорного ножа может содержать, по меньшей мере, один канал. Это основание может быть выполнено в виде части указанного защитного устройства или в виде прикрепленной к ней детали, которая является независимой от защитного устройства, но, как это очевидно, взаимодействует с ним.

Согласно предпочтительному варианту выполнения устройство по изобретению содержит два канала для обеспечения сообщения указанного узкого зазора вокруг ведущего круга с указанным узким зазором вокруг шлифовального круга, причем первый канал выполнен в указанном опорном ноже, а другой канал расположен под этим ножом, т.е. выполнен в опоре указанного ножа.

Конкретные признаки средств всасывания частиц пыли, передаваемых в узкий зазор вокруг шлифовального круга, указаны ниже. Оптимально эти средства выполнены в виде единственного всасывающего сопла, которое в особенно предпочтительном примере выполнения расположено тангенциально к указанному шлифовальному кругу у его нижней точки.

Согласно одному из вариантов устройство по изобретению может быть размещено в перчаточной камере.

Перечень фигур чертежей

Примеры осуществления способа и устройства в соответствии с изобретением будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает устройство для тонкого шлифования цилиндрических объектов, известное из уровня техники;

фиг.2 и 3 изображают устройство для тонкого шлифования в соответствии с изобретением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Представленное на фиг.2 и 3 устройство содержит шлифовальный абразивный круг 10 и ведущий абразивный круг 20. Позицией 30 обозначена таблетка, которая в процессе шлифования подается по опорному ножу 40 в направлении оси Oz.

Направления вращения абразивных кругов и таблетки показаны белыми контурными стрелками. Шлифовальный круг 10 и ведущий круг 20 вращаются в одном направлении (по часовой стрелке на фиг.2 и 3), что определяет абразивное воздействие, оказываемое шлифовальным кругом 10 на таблетку 30, в направлении сверху вниз.

Устройство по изобретению размещено внутри перчаточной камеры 60.

Устройство обладает следующими отличительными особенностями. Два абразивных круга 10 и 20 заключены в кожухе 50, который охватывает их с максимальным возможным приближением почти по всей их периферии, оставляя свободное пространство 51. Через это свободное пространство 51 поступает продувочный газ, потоки которого обозначены черными стрелками. Через это пространство 51 можно также наблюдать за процессом шлифования. При этом между кожухом 50 и абразивными кругами 10 и 20 образованы узкие пространства (зазоры) 11 и 21.

Образующиеся в процессе шлифования частицы пыли со стороны ведущего круга 20 почти полностью отводятся через канал 41, предусмотренный в опорном ноже 40 (в этом месте они отводятся сразу же после образования) и через канал 43, предусмотренный в основании 42 этого опорного ножа 40. За счет этого в области D вблизи нижней точки ведущего круга 20 полностью устраняется возможность накопления пыли, захваченной при вращении этим ведущим кругом 20, а также пыли, не отведенной на уровне первого канала 41. Отведенная по этим каналам пыль вместе с пылью со стороны шлифовального круга 10 захватывается газовым потоком, который создается, с одной стороны, вращением шлифовального круга 10, и, с другой стороны, принудительным всасыванием, которое обеспечивается всасывающим соплом 70.

Указанный всасывающий поток создается со стороны шлифовального круга 10 на уровне узкого зазора 11. Согласно представленному оптимальному варианту всасывающий поток создается в единственной точке этого узкого зазора 11 вблизи нижней области С шлифовального круга 10. Под действием поля центробежного ускорения (создаваемого вращением шлифовального круга 10) наиболее крупные частицы пыли концентрируются вблизи внутренней стенки кожуха 50 и поэтому надежно отводятся соплом 70. В области В образующаяся при шлифовании пыль почти полностью захватывается потоками газа. В области С отводятся почти все частицы пыли.

Область С-А охватывается каналом двух газовых потоков противоположных направлений:

- очень тонким потоком газа в контакте со шлифовальным кругом 10, причем этот газ захватывается кругом за счет поверхностного эффекта и имеет направление, совпадающее с направлением вращения этого круга;

- потоком, который создается всасывающим соплом 70 и занимает почти весь узкий зазор 11.

Турбулентные завихрения между этими двумя потоками позволяют возвращать к области С (то есть, к находящемуся на выходе узлу обработки пыли) частицы пыли, которые были увлечены к области А. Этот эффект получают за счет сочетания указанных ниже средств и параметров, известных специалистам в данной области:

- точного размещения и выбора параметров всасывающего сопла 70;

- выбора объемного расхода сопла 70 по всасыванию;

- выбора размеров зазоров 11 и 21.

Изобретение осуществлено заявителем в виде устройства, схематично представленного на фиг.2 и 3. В качестве иллюстративного примера ниже приведены основные рабочие параметры.

Подлежащие тонкому шлифованию таблетки из PuO₂ + UO₂ имеют следующие размеры:

- типичную толщину от 10 до 14 мм,

- типичный диаметр от 8 до 11 мм.

После шлифования они должны иметь диаметр в соответствии с техническими условиями.

Шлифовальный круг имеет диаметр 350 мм, толщину 120 мм и частоту вращения 1500-1600 об/мин. Ведущий круг имеет диаметр 230 мм, толщину 120 мм и частоту вращения от 40 до 60 об/мин.

Эти два абразивных круга заключены в защитное устройство типа кожуха 50, который охватывает их, оставляя узкие свободные пространства-зазоры: примерно 6 мм по радиусу для зазоров 11 и 21 и примерно 1,5 мм для зазора между абразивными кругами и вертикальными стенками защитного устройства (на фиг.2 не показаны).

В этих условиях при объемном расходе по всасыванию 150 норм. м³/ч газовый поток между шлифовальным кругом и его защитным устройством начинает увлекать к области С все частицы, оставшиеся в контакте с этим шлифовальным кругом, и поток выброса пыли в области А становится практически нулевым. Таким образом, в области А не происходит никакого выброса пыли, а следовательно, не происходит никакого загрязнения перчаточной камеры, в которой установлено устройство по изобретению.

Объемный расход по всасыванию от 150 норм. м³/ч до 175 норм. м³/ч (для шлифовального круга толщиной 120 мм) обеспечивает улавливание пыли внутри устройства и не вызывает выброса пыли из устройства в перчаточную камеру.

Получение таких хороших результатов по сведению к минимуму, практически даже к нулю, загрязнения перчаточной камеры при весьма умеренной мощности всасывания оказалось совершенно неожиданным. Первоначально заявитель считал необходимым применение на выходе за областью С сопла подачи газа под давлением для подачи к этой области С частиц пыли, вынесенных за пределы воздействия всасывающего сопла. Однако использования такого напорного сопла не потребовалось.

Реферат

Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при тонком шлифовании цилиндрических деталей, в частности таблеток ядерного топлива. Обрабатываемую деталь располагают на опорном ноже между шлифовальным и ведущим абразивными кругами, которым сообщают вращение в одном направлении с воздействием шлифовального круга на деталь сверху вниз. Предусмотрено защитное устройство, внутренняя часть которого выполнена соответствующей формам шлифовального и ведущего кругов с образованием на их периферии узких зазоров для циркуляции газовых потоков с частицами пыли. В процессе шлифования частицы пыли, образующиеся как со стороны шлифовального, так и ведущего кругов, транспортируют к нижней области шлифовального круга в газовом потоке, создаваемом за счет вращения шлифовального круга и средством принудительного всасывания. В результате обеспечивается управляемый процесс отвода всех частиц пыли, образующихся при шлифовании, и снижается загрязнение перчаточной камеры при умеренной мощности средств всасывания. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула