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鎳基高溫合（hé）金管板深孔加工試驗

2020-6-16 來源：哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司作者：王福春，王強，李偉，趙躍

摘要：針（zhēn）對鎳基高溫（wēn）合金材料切削變（biàn）形大、加工硬（yìng）化嚴（yán）重，材料強度高、切削力大，導熱係數小、切削溫（wēn）度高等加（jiā）工特點，開展 BTA 深（shēn）孔加工工（gōng）藝試（shì）驗，從鑽頭直徑、切削轉速、進給速度三方麵分析了對（duì）孔加工質量的影（yǐng）響，並試驗分析了 BTA 鑽（zuàn）頭的使用壽命。

關鍵詞：鎳基高溫合金；管板；深孔；試驗

壓水堆核電站蒸汽發生器管板一般采取複合形式，即高強度的低合金鋼母材 + 鎳基（jī）堆焊（hàn）層。其目的是依靠低合金鋼承受工作介質的（de）壓力，使表麵堆焊層起到耐受一次（cì）側放射性（xìng）流體腐蝕的作用，以及管板與換熱管焊接（jiē）隔離過渡作用。目前，此類複合結構的管板深孔加工工藝比較（jiào）成熟。

某型號蒸汽發生器，因其運行溫度高、設計壓力大、工作環境惡劣，管板設計通體采用高溫下具有較高強度的（de）鎳基合（hé）金鍛件，且管板孔精度要求嚴格。管板的材料牌號為 SB-564 UNS N08810，機械性能見（jiàn）表 1 所列。管孔呈三角形布置（zhì），孔心（xīn）距 27mm，孔深 320mm。此型管板孔的尺寸精度要嚴於壓（yā）水堆蒸汽發（fā）生器，而且此種材（cái）質的蒸汽（qì）發生（shēng）器管板在工程上屬首次應用，給管板的（de）深孔加工工藝帶（dài）來了挑戰（zhàn）。

表 1 SB-564 UNS N08810 鍛（duàn）件機械性能

1、鎳基（jī）高溫合金切（qiē）削特點

鎳（niè）基高溫合金的（de）常（cháng）規切削具有如下特點：材料（liào）塑性好、切削變形大（dà）、加工硬化嚴重；材料強度高、切削力大；材料導熱係數小、切削溫度高、刀具磨損快。對於鎳基高溫（wēn）合金孔的鑽削，因為處（chù）於封閉或半封閉的加工狀態，使得孔的表麵質量（liàng）、孔的尺寸和位置精度都較差。

而且，鎳基高溫合金（jīn）鍛件上（shàng）的深孔多為回轉體上的單孔，普遍使用臥（wò）式（shì）車床通過鑽、鏜的外（wài）排屑方式進行加工。但這些傳統方法的加工效率低，多次定位和重（chóng）複定位產生累積誤差使（shǐ）得（dé）孔位置精度差，不（bú）適合本型蒸汽發生器管板孔加工（gōng）。

2 、試驗條件

2.1 試件（jiàn）材料（liào）

為（wéi）了更具有代（dài）表性，試驗（yàn）用料的材質、孔區厚度與產品管板相同，並（bìng）且（qiě）與產品管板具有相同的熔煉（liàn）爐號、相近的鍛造比和（hé）相同的熱處理工藝。

2.2 加工工藝及刀具

深孔加工（gōng）工藝有槍鑽（外排屑）、BTA 鑽（內排屑）和噴吸鑽（內排屑）3 種。槍（qiāng）鑽和 BTA 鑽削工藝在核電管板深孔加（jiā）工中應用較多，具有一定的經驗（yàn）。綜合考慮（lǜ）管（guǎn）板孔（kǒng）的加工精度和加工效（xiào）率，試驗采用 BTA 加工工藝。

2.3 加工設（shè）備

試驗采用進口臥式數控深（shēn）孔鑽，機床主要參數：X 軸（zhóu）（水平）行程 6500mm，Y 軸（垂直）行程4500mm，Z 軸（zhóu）（主軸水平）行程 1100mm；定位精度：X 軸（zhóu） 0.03mm，Y 軸 0.02mm，Z 軸（zhóu） 0.01mm；重複定位精度：0.01mm。

3 、試驗項目及（jí）結果

3.1 鑽頭直徑對擴孔量的影響

BTA 鑽頭在加工過程中，隨著（zhe）刀具磨損，孔徑會逐漸變小。由於設計的孔徑公（gōng）差範圍較（jiào）小（0.05mm），留（liú）給 BTA 鑽（zuàn）頭（tóu）直徑選（xuǎn）擇的範圍也很小，既要（yào）防止首孔直徑超差上限，又要兼顧（gù）刀具（jù）磨（mó）損後孔徑變（biàn）小超下限。圖 1 為選用 Φ19.16/19.27/19.34/19.42mm4 種規格鑽頭（tóu），加工首孔直（zhí）徑的（de）擴大量。從數據看，對於直徑為 Φ19.42mm 的鑽（zuàn）頭，平均擴孔量在 0.035mm 左（zuǒ）右，個別孔達到了 0.04mm；對於直徑為 Φ19.16mm 的（de）鑽頭，最大擴孔量達（dá）到了 0.06mm，平均擴孔量為 0.04mm。可看（kàn）出，隨著鑽頭直徑的增（zēng）大，加工鎳基合金（jīn）的擴孔（kǒng）量呈下降趨勢。

圖 1 鎳基（jī）合金材料擴孔量隨鑽（zuàn）頭直徑的變化

3.2 轉速對加工精度的影響

使用 Φ19.16mm 的 BTA 鑽頭，采（cǎi）用（yòng）相同進給速度、不同轉速（800~1400r/min）鑽孔時，除（chú）個別孔徑達到Φ19.22mm 外，其餘基本都在 Φ19.18~19.20mm 範（fàn）圍內波動，均可滿足設計圖（tú）紙的要求（qiú）。對於本目標產品，可以認為在（zài）選定的參數（shù）範圍內（nèi），轉速對孔徑基本無影（yǐng）響（xiǎng）。但是隨著（zhe）轉（zhuǎn）速的提高，孔壁的表麵粗糙度明顯變好。這（zhè）是因為主軸（zhóu）轉速較小時，部分切屑不是由切削刃（rèn）直接切出，而是靠刀具擠壓形成（chéng），導致孔壁質量差。

然而隨著轉速的增加，刀（dāo）具磨（mó）損明（míng）顯加劇（jù）。主要原因是，隨著主（zhǔ）軸轉速（sù）的增（zēng）大，切削過程中摩擦熱產生的時間就會很（hěn）短，熱量（liàng）來不及向切屑和刀具內部傳導，從而導致切削（xuē）溫度升高，又因為鎳基高（gāo）溫合金本身導（dǎo）熱性（xìng）能差，使得熱量在切削位置積聚、刀具磨損加快。

3.3 進給速度對加工質（zhì）量的影響（xiǎng）

進給速度是影響深孔加工（gōng）效（xiào）率的主要因素，在上述選定的切（qiē）削轉（zhuǎn）速下，采用（yòng）不同的進給速度進行試驗。圖 2 為采用大於 70mm/min 的大進給時切屑的形狀，明顯厚而且寬，還不易斷屑。這是因為在轉速一定的情況下，當進給（gěi）速度增（zēng）大（dà）時，切削深度會隨之增大（dà），切（qiē）屑從（cóng）工件上被切除後發（fā）生卷曲，由（yóu）於鎳基合金有（yǒu）較好的韌性，雖然切屑（xiè）經曆了冷作硬化，仍不易斷屑，極易堵塞排屑通道。

圖 3 為采用小（xiǎo）於 70mm/min 的小進給時切屑（xiè）的形狀，雖然長但不易斷（duàn）屑，呈（chéng）窄而薄的褶皺長條形態，能隨著切削液順暢的（de）排出。而且切削平穩，避免了斷屑時的衝（chōng）擊，從一定程度上還可提（tí）高鑽（zuàn）頭的耐用度。

3.4 鑽頭壽命試驗

試（shì）驗采用 4 支相同規格的鑽頭，按照（zhào）相同（tóng）的參數連續（xù）加工 40 孔，首孔孔徑（jìng）均為設計值的上限或者超過上限；隨著打孔數量的增加（jiā），鑽頭磨損加重，使得孔（kǒng）徑（jìng）逐漸減（jiǎn）小（xiǎo）。對於（yú）尾孔，大部分孔徑已經達到設計（jì）值的下限（xiàn），有的已超過下限。

圖 2 大進給時切屑形態

圖（tú） 3 小進給時切屑形態

在 BTA 鑽頭的 3 個刀齒中（zhōng），由於外齒（chǐ）線速度最大，因此外齒距離鑽頭中心最遠處磨損最為嚴（yán）重。在導向條的磨損方麵，第一導向條和第二導向條表麵塗層顏色（sè）變化明顯，其中（zhōng）第（dì）一導向條的顏色變化要小於第二導向條，並且第一導向（xiàng）條最頂端均不同程度的發生（shēng）磨損，第二導（dǎo）向條的磨損（sǔn）不明顯。

4 、結語

通過 BTA 鑽頭加工鎳基高溫合金管板（bǎn）孔的工藝（yì）試驗，得（dé）到如下結論：

（1）BTA 鑽頭擴孔量隨（suí）鑽頭直徑的增加而減（jiǎn）小，對於 Φ19.16~19.42mm 的鑽頭，最大擴孔量達到0.06mm，平均擴孔（kǒng）量約為 0.04mm。（2）相同進給速度時，800~1400r/min 的轉速，對孔徑影響不大（dà），但隨著轉速提高，孔壁表麵粗糙度變好（hǎo）。（3）相同轉速時，隨著進給速度的增加，切屑變厚而（ér）且不（bú）易斷屑，易發生堵屑現象；采用小進給時，切屑呈窄而薄的褶皺型長條，可順暢排出。（4）選用加工精度最佳的切削（xuē）參數，連續加工 40孔時，尾（wěi）孔已接近或超過孔徑公差的下限，BTA 鑽（zuàn）頭的外刃及第一導向條磨損嚴重。

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