825鎳基合金空冷器絲堵管箱機(jī)械加工研究

張丹丹 張偉健 湯恒木

【摘要】絲堵式管箱是絲堵式空冷器管束的關(guān)鍵部件，由于其特殊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和較高的精度要求，給機(jī)械加工過程造成很大困難，而Incoloy 825材料又存在塑性變形大、切削力大、刀具的銑削磨損a快、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重等多重因素，更造成管箱的機(jī)械加工難度，本文針對這一系列問題，從板材坡口的銑削加工、成品管箱管板與絲堵板的機(jī)械加工中出現(xiàn)難點問題進(jìn)行的研究，通過不斷試驗改進(jìn)，最終解決問題，使管箱加工達(dá)到圖紙設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】Incoloy 825材質(zhì)絲堵管箱；坡口加工；管孔、絲堵孔加工

1、Incoloy 825鎳基合金的物理和化學(xué)性能

鎳基合金是化學(xué)、石油、有色金屬冶煉、航空工業(yè)、核能工業(yè)領(lǐng)域中耐高溫、高壓、高濃度等各種苛刻腐蝕環(huán)境中較理想的金屬材料。Incoloy 825合金由于富含Cr、Mo、Cu，對氧化性酸和非氧化性酸均有良好的耐腐蝕性能。尤其對硫酸具有極高的耐腐蝕性。由于Cr、Mo、Ni含量高，在氯化物環(huán)境下的耐點腐蝕性能、耐間隙腐蝕性能、耐應(yīng)力腐蝕開裂性能優(yōu)異。Incoloy 825合金將碳含量控制在極低水準(zhǔn)，焊接時不易敏化，且晶間腐蝕敏感性較低。

Incoloy 825合金鎳含量為38-46%，其余主要元素有Fe、Cr、Mo等見下表。鎳基合金應(yīng)用廣泛，主要原因在于，一是鎳基合金中可以溶解較多合金元素，且能保持較好的組織穩(wěn)定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金屬間化合物γ[Ni3（Al，Ti）]相作為強(qiáng)化相，使合金得到有效的強(qiáng)化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強(qiáng)度；三是含鉻的鎳基合金具有比鐵基高溫合金更好的抗氧化和抗燃?xì)飧g能力。鎳基合金含有十多種元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蝕作用，其他元素主要起強(qiáng)化作用。由于Incoloy 825含有大量的多種合金元素形成了復(fù)合碳化物，其合金化程度很高，使基體的強(qiáng)化效果好，合金的熱穩(wěn)定性高，其機(jī)械物理性能見表2；Incoloy 825固溶處理后，組織和性能會更好，一般使用狀態(tài)經(jīng)過固溶處理，固溶處理后會形成很穩(wěn)定的碳化物和特殊碳化物，其共同點是熔點低、硬度低、穩(wěn)定性好。這些碳化物既難溶于晶格中，又難于使晶粒聚集長大，并彌散狀分布在晶界處，阻礙晶界滑動與漂移，使該合金的強(qiáng)度、硬度、耐熱性得到很大的提高。正由于這些特殊的性能，對其進(jìn)行加工變得極其困難。

2、Incoloy 825鎳基合金加工性能分析

鎳基合金由于自身較高的強(qiáng)度和一定的抗氧化腐蝕能力，在石油、化工、電力等各種耐腐蝕環(huán)境中應(yīng)用較為廣泛，但由于該材料本身切削溫度高，在高溫區(qū)易與刀具材料發(fā)生非常強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，而且容易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，因此，被認(rèn)為是比較典型的難切削材料，坡口銑削、刀具選取成為難點之一；

絲堵管箱制作工藝復(fù)雜，尤其是管孔與絲堵孔分別在相對的管板與絲堵板上，兩者間距206 mm，管孔尺寸為Φ25.25 + 0.15 mm，絲堵孔加工到Φ28.2 mm，管箱上絲堵孔與管孔的同軸度為0.5 mm，管箱上相鄰兩孔中心距允差為±0.5 mm，任意兩孔中心距允差為±1 mm，絲堵孔锪孔的深度為1.7 mm，直徑Φ37 mm， 锪孔的表面粗糙度為1.6，锪后的密封面不允許有橫紋，斑痕和貫通的刻痕，Incoloy 825加工時存在切削力大，粘刀等問題，因此要保證其加工精度要求，加工管孔、絲堵孔成為難點之二。

3、研究對象的提出

我們研究是在型號為GP12×3.5-6-296-20.5S-23.4/DR-Ⅲf Incoloy 825空冷器上進(jìn)行的，該空冷器設(shè)計壓力為25.4Mpa，管箱焊接采用坡口形式為U型坡口，板周邊余量5mm，銑削坡口寬度為36mm，深度為8mm，加工余量大；該合同管箱共計648個孔，其中一半為管孔需要鉆、擴(kuò)、半精鉸孔及精鉸孔、一半為絲堵孔需要鉆、擴(kuò)、攻絲、锪平密封面等工藝過程。由于設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊、加工精度要求嚴(yán)格，在加工過程中會存在多重難題，解決好這些難題是空冷器實現(xiàn)設(shè)計要求的必要前提。

以下分別對坡口加工、管孔、絲堵孔加工中出現(xiàn)問題進(jìn)行描述、原因分析并提出解決措施。

4、問題產(chǎn)生原因及解決措施

4.1 坡口加工出現(xiàn)問題及解決

4.1.1 坡口加工過程中，主要出現(xiàn)以下幾種問題

銑削過程中，板的塑性變形很大。在板材銑削過程中，板材出現(xiàn)不同程度的彎曲（俗稱鐮刀彎）；

刀具磨損過快。由于鎳基合金的材料特性，加工過程中出現(xiàn)刀具機(jī)械磨損、粘刀嚴(yán)重、刀具崩刃、片狀剝落等多種現(xiàn)象，刀具使用壽命極低；

加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，易生成積屑瘤而使加工表面惡化。通過硬度分析加工前后加工表面硬度，發(fā)現(xiàn)鎳基合金加工時其表面硬化程度為母材硬度2-5倍。

4.1.2 出現(xiàn)以上問題原因分析

切削力較大。鎳基合金其單位切削力比45鋼高25%；

切削溫度高。在相同條件下，切削溫度約為45鋼1.5-2倍，切削過程中，硬質(zhì)夾雜物易與刀具發(fā)生粘接，使刀具耐用度降低；

刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量選用不合理，造成切削中途刀具失效，無法繼續(xù)進(jìn)行。

4.1.3 問題改進(jìn)與解決

根據(jù)以上問題的分析，在銑削過程中，由于材料的特殊性，銑削力大，切削熱高，造成了零件的塑性變形與表面硬化，同時也造成了刀具與切削界面的粘接磨損，針對以上分析，我們采取以下措施：

在切削過程中，選用合適的切削液進(jìn)行充分的潤滑、冷卻，減輕摩擦，減小切削力，降低切削溫度，提高刀具的耐用度；

選擇適用于加工高溫鎳基合金材料的刀片，在試驗中，我們先后選用三個刀具廠家?guī)讉€不同型號刀具進(jìn)行了工藝試驗，最終選擇山特維克可樂滿刀片型號為RCKT1204MO-PMS30T和RCKT1606MO-S40T，滿足加工要求，提高刀具的耐用度；

選擇合適切削用量；在大量實驗基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)床特性，我們選擇最大切削速度62m/min，進(jìn)給速度150mm/min，吃刀量2mm。

4.2 Incoloy 825管孔、絲堵孔加工過程中出現(xiàn)問題及解決措施

4.2.1 本臺空冷器管束采用強(qiáng)度焊加貼脹，在加工孔的過程中主要存在以下問題

管孔、絲堵底孔加工過程中，孔內(nèi)出現(xiàn)橢圓、棱邊現(xiàn)象；

絲堵孔攻絲后出現(xiàn)個別孔止規(guī)止不住現(xiàn)象；

絲堵孔密封面上出現(xiàn)橫紋、斑痕。

4.2.2 問題的原因分析

分析孔加工過程中出現(xiàn)問題，主要有以下幾種原因：

管孔、絲堵底孔加工過程中出現(xiàn)橢圓、棱邊現(xiàn)象。通過跟蹤車間生產(chǎn)、做大量實驗，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)此現(xiàn)象主要有以下幾方面原因造成：管箱高度高，使用加長鉆頭，鉆出底孔出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象；轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)；進(jìn)給量大；鉆頭磨偏等幾個方面原因；

絲堵孔在加工過程中，出現(xiàn)個別孔止規(guī)止不住現(xiàn)象。絲孔止規(guī)止不住主要由于中徑過大。攻絲時操作不當(dāng)；絲錐夾持不同心，絲錐跳動；攻絲時粘屑等都會造成中徑大；

絲堵孔密封面上出現(xiàn)橫紋、斑痕。在加工中刀桿過長、主軸震動、零件沒壓實等等都會影響密封面質(zhì)量。

在實際的加工中，由于操作工責(zé)任心不強(qiáng)，機(jī)床精度等等原因會造成加工時出現(xiàn)一系列問題，這些問題說明操作者不僅要不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)，還要掌握機(jī)床特性，通過不斷學(xué)習(xí)、不斷實踐創(chuàng)新，提高自己的技術(shù)水平，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

4.2.3 問題的解決

⑴密封面出現(xiàn)問題。零件裝夾必須放平、壓實，選擇合適的機(jī)床轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀速度，采用特制的刀桿，刀桿不能過長，避免加工過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題。

⑵止規(guī)止不住問題。增加相關(guān)工序，控制螺紋底孔；選用防粘接切削油，避免絲錐粘屑；加工工件前調(diào)整好絲錐與夾頭間隙，保證攻絲時中徑尺寸。

⑶孔出現(xiàn)橢圓、棱邊現(xiàn)象?？刂沏q孔余量，避免余量過小，導(dǎo)致鉸孔鉸不凈；增加工序，控制鉸孔前道工序孔尺寸；將鉸孔進(jìn)給量設(shè)置到0.1mm/r，控制鉸孔質(zhì)量。

我們解決Incoloy 825鎳基合金管箱加工過程中出現(xiàn)難點問題，保證產(chǎn)品質(zhì)量，對影響難加工材料的各方面因素進(jìn)行全面、綜合研究，掌握加工過程中切削參數(shù)，為后續(xù)Incoloy 825鎳基合金加工奠定基礎(chǔ)。