鎳基合金堆焊管板管孔加工技術(shù)研究與應(yīng)用

趙 祥 蔣國輝

中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽 471023

中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司承接的某國外油田地面項目有四臺中間油- 油換熱器，該換熱器內(nèi)操作介質(zhì)為氯離子，每臺換熱器各有一塊固定和浮動管板，固定管板直徑φ1687mm，浮動管板直徑φ1585mm，厚度均為118mm，每塊管板上均布有1596個φ25.25mm 的管孔，管板鉆孔后終鉆側(cè)至少96%的孔橋?qū)挾缺仨殹?.603mm，允許的最小孔橋?qū)挾葹?.05mm。管板基層材質(zhì)為SA- 266M Gr.2N,復(fù)層材質(zhì)為ENiCrMo- 3，復(fù)層厚度6mm。該管板與管孔采用機械強度脹接加密封焊結(jié)構(gòu)，故每個管孔內(nèi)有8mm 寬的環(huán)槽，以提高抗拉脫力的能力。

1 焊接特點與關(guān)鍵點

1.1 管板特點

管板采用在SA- 266M Gr.2N 鍛件表面堆焊6mm 的ENiCrMo- 3 鎳基合金材質(zhì)，并且采用強度脹加密封焊接；管孔直徑公差嚴(yán)格，孔內(nèi)有環(huán)狀的脹槽。管板與管孔的焊接概括起來具有材質(zhì)加工“難”、尺寸結(jié)構(gòu)加工“難”兩大特點。

(1) 堆焊焊材ENiCrMo- 3 化學(xué)成分（表1）滿足ASME 規(guī)范Ⅱ卷C 篇SFA- 5.11 和彎曲性能合格的條款，是一種以鎳為主要成分的合金材料，具有超高強度、非凡的抗疲勞的特性，被廣泛用于石化行業(yè)。該合金能夠適應(yīng)高溫環(huán)境的強度，同時表現(xiàn)出卓越的耐腐蝕特性，特別對氯化物污染的媒介有超強的抗腐蝕作用。所以主要用于含氯化物的有機化學(xué)流程工藝的部件，尤其是在使用酸性氯化物催化劑的場合。這種材質(zhì)屬于典型難加工材料，主要表現(xiàn)在加工表面硬化嚴(yán)重、切削溫度高、切削力大、刀具易磨損，以及尺寸精度和表面粗糙度難以保證等。

(2) 管板管孔內(nèi)部有環(huán)狀的脹槽，孔徑公差較小，孔內(nèi)壁要求無毛刺，無貫通性的縱向或螺旋狀刻痕等影響脹接密封性的缺陷，粗糙度要求高，且復(fù)合層材質(zhì)和基層材質(zhì)化學(xué)成分不同，抗拉強度和屈服強度等機械性能差異較大（SA- 266M Gr.2N 硬度一般在137～197HBW，耐蝕合金堆焊層硬度值一般在345HV10）。管孔和脹槽必須保證同心度和位置度，由于管孔直徑較小，孔徑與孔深比值達(dá)到了1∶5，屬于典型的深孔加工。加工過程中既要保證加工尺寸的公差和粗糙度，又要解決深孔鉆孔過程中的排屑難題，同時兼顧生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，難度較大。

1.2 管孔加工關(guān)鍵點

1.2.1 加工設(shè)備的確定

公司有搖臂鉆床、臥式數(shù)控深孔鉆床和龍門鉆銑床三種設(shè)備可以用于鉆孔，表2 對三種加工型式進(jìn)行了對比。由表可見，管板管孔加工使用搖臂鉆床效率低、管孔質(zhì)量差，該設(shè)備雖然經(jīng)濟實用，但結(jié)合面較多，機床剛性差，制約了高速切削和孔表面粗糙度的提升。另外，還需要人工劃出孔位。而使用數(shù)控深孔鉆床和龍門鉆銑床可以實現(xiàn)軟件編程導(dǎo)出到機床加工，管孔成型質(zhì)量也較高。因此，在數(shù)控深孔鉆床和龍門鉆銑床兩種設(shè)備中進(jìn)行選擇。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，兩種設(shè)備都能保持管孔位置精度和質(zhì)量，但又有一定的區(qū)別。數(shù)控龍門鉆銑床整體為龍門框架布局結(jié)構(gòu)，機床、立柱、橫梁、滑軌和主軸箱等采用直線滾動導(dǎo)軌，加工精度和剛性較好，配合高壓刀具冷卻系統(tǒng)，為高速切削奠定了基礎(chǔ)。具體比較如下：第一，龍門鉆銑床為外排屑冷卻，使用乳化液冷卻；數(shù)控深孔鉆床為內(nèi)排屑冷卻，使用切削油冷卻，龍門鉆銑床成本更低；第二，龍門鉆銑床為多功能加工設(shè)備，在鉆孔完成后可以直接進(jìn)行管孔脹槽和坡口倒角，并完成管板隔板槽加工；而數(shù)控深孔鉆床只能鉆孔，需要用其他設(shè)備加工脹槽、銑槽和倒角，并且需要多次裝卡管板和多次找正，容易產(chǎn)生誤差，效率較低；第三，龍門鉆銑床上管板為水平放置，易于裝卡、找正和吊裝；數(shù)控深孔鉆床上管板為立式放置，不易吊裝和找正。因此，選擇龍門鉆銑床為本次管板管孔加工的使用設(shè)備。

1.2.2 加工工藝的確定

根據(jù)機床特點，制定管孔的加工工藝。由于管板堆焊有鎳基合金，堆焊層和基層的材質(zhì)不同、硬度不同，切削性能有很大差別，因此在工藝上要采用分段加工與粗、精加工相結(jié)合的方法。先使用U 鉆將堆焊層加工掉，孔徑留一定余量；然后換成比U 鉆直徑略小的高速鉆鉆基層，直徑小可避免復(fù)合層對高速鉆的磨損，高速鉆的結(jié)構(gòu)特點能避免鉆孔過程中出現(xiàn)長鐵屑纏繞鉆頭；管板孔鉆完后，先使用U 鉆精鏜復(fù)合層至圖紙尺寸，然后精鏜基層至圖紙尺寸。

1.2.3 刀片種類和材料的確定

由于麻花鉆的材料和幾何角度等特點，決定了其無法進(jìn)行高速切削。U 鉆和高速鉆相對于普通麻花鉆具有以下優(yōu)點：第一，高切削效率。U 鉆和高速鉆的材料和結(jié)構(gòu)特點可以保證較高的線速度。第二，刀具冷卻效果好。在加工過程中可以實現(xiàn)很好的冷卻，配合內(nèi)部高速冷卻系統(tǒng)，可以對刀片更好地進(jìn)行降溫，保護和延長刀具的使用壽命。第三，刀片更換方便，加工壽命可預(yù)估，因而可適時更換，適于批量加工。

切削鎳基合金時應(yīng)選用耐高溫、耐磨、導(dǎo)熱性能好的刀具材料，如硬質(zhì)合金、金剛石、立方碳化硼及氮化硅陶瓷等。相對而言，硬質(zhì)合金刀片成本較低，在大量使用時經(jīng)濟性較好。硬質(zhì)合金表面采用氮化鋁鈦涂層，帶涂層合金表面具有硬度高、氧化溫度高、熱硬度好、涂層附著力強等特點，適用于鎳基合金加工。

表1 ASME SFA- 5.11 中ENiCrMo- 3 化學(xué)成分 %

表2 三種管孔加工設(shè)備對比

1.2.4 切削液的確定

為了降低切削溫度，提高刀具的使用壽命，選擇的切削液應(yīng)不含硫，以減少切削過程中的晶間腐蝕。所以選擇高油半合成型切削液，該類型切削液具有良好的冷卻性，含有潤滑作用的化學(xué)表面活性劑，能夠滿足高溫鎳基合金的切削和冷卻要求。在中心內(nèi)冷切削過程中，切削液滲透進(jìn)入金屬內(nèi)壁切削表面，減少刀具和切屑、刀具和工件的摩擦，從而減少切削力。

1.2.5 切削用量的確定

切削用量對鎳基合金鉆削過程中的加工硬化、切削力及切削熱等有很大影響。根據(jù)切削理論，在切削三要素中，對切削熱和刀片壽命影響最大的是切削速度，其次是進(jìn)給量和切削深度。由于采用分段和粗、精結(jié)合的加工方法，切削用量要與每個加工工序相匹配，具體參數(shù)見表3。

2 形成加工工藝

在加工過程中，刀具從上到下加工孔時，由于未切削的厚度逐漸變小，在軸向力的作用下孔內(nèi)表面產(chǎn)生較大的塑性變形。且隨著刀具的不斷磨損，切削力增大，切削溫度升高，刀具切削能力降低，孔壁受到刀具擠壓出現(xiàn)隆起并進(jìn)一步發(fā)生拉伸斷裂，生成切屑瘤的同時形成較明顯的毛刺。因此采用分段加工和粗、精加工相結(jié)合，并及時更換刀片，從而有效抑制切屑瘤的產(chǎn)生。工藝流程如下：檢查工件→裝夾→點孔→鉆復(fù)合層孔→鉆基層孔→鏜孔復(fù)合層→鏜孔基層→脹槽刻槽→倒角→檢查→倒角。

3 加工過程的要點

（1）機床斷電后原點歸位，回工件原點檢查中心，首孔單段確認(rèn)管孔位置，確保程序正確再執(zhí)行。

（2）交接班時首孔單段確認(rèn)孔位置及孔徑大小，確保操作人員熟知操作內(nèi)容。

（3）測量尺寸時，在機床移動位置再重新繼續(xù)鉆孔的情況下，先單段執(zhí)行確認(rèn)管孔位置，這樣便于檢驗程序執(zhí)行是否正確。

（4）換刀前十個孔和換刀后十個孔要確認(rèn)孔徑大小，確?？讖匠叽绶弦?。

（5）由于管板背面管孔1×30°倒角需要將管板翻身，因此在數(shù)控鉆銑床上無法再重新確定孔位，可以利用搖臂鉆床倒角。

表3 管孔加工工藝參數(shù)

4 測量

首先使用芯棒對管孔通過性進(jìn)行檢查，然后使用內(nèi)徑千分尺測量管孔直徑。使用前要先校對零位，再轉(zhuǎn)動微分筒，保證在整個測量范圍內(nèi)測微螺桿、微分筒的移動過程平穩(wěn)。若出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，說明測微螺桿中存在異物。通過測量，發(fā)現(xiàn)管孔直徑和孔橋間距完全滿足圖紙要求。使用溝槽游標(biāo)卡尺測量脹槽，證明脹槽尺寸符合圖紙要求。

5 結(jié)語

鎳基合金堆焊管板的復(fù)合層雖然切屑性差，但是選擇好刀具，選取適當(dāng)?shù)那邢饔昧浚x用合適的切削液，同時選擇正確的加工方法，仍然可以圓滿完成焊接任務(wù)。采用先預(yù)鉆復(fù)合層底孔，再鉆碳鋼基層底孔，最后進(jìn)行精鏜孔的加工工藝，加工質(zhì)量穩(wěn)定。通過研究鎳基合金堆焊管板管孔加工的全過程，摸索出合理的加工工藝，提高了加工的經(jīng)濟性，滿足了加工要求，提升了制造工藝水平。