超厚管板深孔加工工藝的研究及應用

廉松松,關(guān)慶鶴,2,王立昆,2,李國驥

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046；2.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046)

0 引言

高壓加熱器是電站輔機的重要設備，體積大、結(jié)構(gòu)復雜、設計溫度和壓力高，介質(zhì)為高溫高壓蒸汽和水，隨著發(fā)電設備向大型化發(fā)展，其主要參數(shù)也隨之提高。本文所研究的蒸汽冷卻器管板厚度超過1 m，該產(chǎn)品孔的尺寸精度、位置精度和孔徑表面粗糙度都有很高的要求。這些都給超厚度管板管孔的加工帶來了很大的困難，此外，設備現(xiàn)場安裝周期還對產(chǎn)品的生產(chǎn)進度提出了很高的要求。本文介紹超厚管板深孔加工工藝的研究及改進，并對其進行優(yōu)化，在制造質(zhì)量和經(jīng)濟效益方面提出較為可行的方法。

1 結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)要求

1.1 結(jié)構(gòu)特點

管板孔加工質(zhì)量難以保證。由于管板孔尺寸接近設備加工能力極限，設備能力、工況或加工過程中刀具磨損，會導致管板孔區(qū)加工超差，影響管板強度、穿管進度及管板與管子焊接、脹接質(zhì)量。

1.2 技術(shù)要求

管板與管孔結(jié)構(gòu)見圖1，其技術(shù)要求如下。

圖1 管板結(jié)構(gòu)及孔群示意

(1)管孔基本尺寸為?16.08 mm，公差為±0.05 mm。

(2)管孔內(nèi)壁粗糙度為Ra6.3 μm。

(3)管孔排布為正三角形，相鄰孔中心距尺寸為20.64 mm。

(4)管板鉆孔后超過96%的孔橋?qū)挾缺仨殹?.972 mm，允許的最小孔橋?qū)挾?小于4%的孔橋數(shù))為2.286 mm。

2 難點分析與加工工藝

對于管板孔群加工，需進行加工試驗，調(diào)試設備狀態(tài)，制定合理的加工參數(shù)，但由于管板厚度1 030 mm，接近設備加工能力極限1 050 mm，實際加工時可能因設備、工裝、刀具、裝夾狀態(tài)等因素，大概率出現(xiàn)管板孔加工超差，且由于管孔數(shù)量大，管孔加工超差可能多次出現(xiàn)[1-2]。

2.1 加工難點

深孔加工技術(shù)廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等領域。由于產(chǎn)品需求多樣化和小規(guī)?；≈睆缴羁准庸ぷ兊迷絹碓狡毡?。大長徑比深孔加工一直是技術(shù)難題，具體如下。

(1)深孔加工過程處于封閉加工狀態(tài)，無法直接觀測刀具的切削情況，只能憑工作經(jīng)驗，通過切削聲音、切屑、機床或工件的振動、儀表來判斷切削過程是否異常[3]。

(2)排屑、冷卻困難，小而深的孔導致冷卻液不容易到達切削區(qū)域，導致切削溫度升高、刀具耐用度下降。

(3)加工過程中刀具一旦發(fā)生磨損，或者鍛件中具有硬點、熱處理材料力學性能不不均勻等問題，將會引起鉆削過程中切屑的變化，影響孔的加工質(zhì)量。

2.2 加工工藝

(1)控制好設備環(huán)境溫度不得低于10 ℃。

(2)采用專用型號切削油，滿足深孔加工過程中高壓、大流量的需求。

(3)BTA鉆頭、鉆管在檢驗合格后發(fā)放到分廠，每個鉆頭、鉆管都應有檢查記錄表。

(4)管板鉆孔前確認設備靜態(tài)精度、工裝精度滿足鉆孔要求。

(5)制定設備與工具工裝產(chǎn)前檢驗確認項目，保證設備加工過程中上述因素不會影響到產(chǎn)品的加工精度[4]，檢驗項目見表1，全部合格后進行鉆孔試驗[5]。

表1 檢驗項目、檢驗周期及合格標準

3 工藝試驗與工藝改進

3.1 工藝試驗

根據(jù)制定的工藝方案開展工藝試驗，以驗證前文所述各種措施的有效性和不足，采用試樣尺寸為300 mm×400 mm×1 030 mm，設定鉆打孔數(shù)量為85個。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，出鉆面存在孔橋超差，并且存在鉆頭崩刃的異常情況。試驗過程中還發(fā)現(xiàn)導向套接觸試樣時側(cè)向移動，前后試件與彎板一同移動；鉆頭剛開始鉆孔的瞬間，下半塊側(cè)向晃動，上半塊側(cè)向劇烈晃動，而前后無變化，說明試樣上半?yún)^(qū)未裝夾牢固(見圖2)。

圖2 試樣裝夾方式及工藝試驗過程

數(shù)控程序是數(shù)控加工的核心內(nèi)容，選用設備配套編程軟件編制數(shù)控程序，編制上述程序后，使用其仿真功能模擬加工過程，并檢查有無過切及干涉、撞刀(見圖3)等情況，確認無誤后，通過后處理器輸出數(shù)控程序。經(jīng)過仿真并結(jié)合設備前端尺寸進行放樣發(fā)現(xiàn)兩個問題:一方面加工過程中與管板邊緣干涉概率大；另一方面，程序排布存在主軸直接運行到管板外邊緣的情況發(fā)生，前者造成設備碰撞、損壞設備，后者造成無法采用多軸加工，而使用單、雙軸加工則極大地降低了生產(chǎn)效率。

圖3 工件干涉示意

3.2 工藝改進

原試樣的裝夾方式利用粗管子支撐，背側(cè)與彎板夾緊，此方法裝夾系統(tǒng)不穩(wěn)固，鉆孔時會產(chǎn)生不可避免的顫動，導致背側(cè)孔橋超差。改進試樣裝夾狀態(tài)，利用2塊鍛件余料焊至試樣中部位置，作為試樣兩翼壓緊在彎板上，再用4塊方箱支撐(見圖4)，6個自由度完全約束，裝夾狀態(tài)穩(wěn)固[6]，深孔鉆試驗效果良好，經(jīng)檢測僅導向套與試樣頂緊后彎板移動0.005～0.015 mm。

圖4 改進后的裝夾方式

按照起鉆面為平面的管板進行編程，可以不需要進行軌跡規(guī)劃，但對于本文所述具有較高邊緣的管板起鉆面，三軸同時加工則需要進行軌跡規(guī)劃。數(shù)控編程軟件具有很強的軌跡規(guī)劃功能，完全可以免去手工編程繁瑣的計算。因此根據(jù)積累的相關(guān)經(jīng)驗，確定了左右分區(qū)的編程方式，然后分析編程軟件功能，對編程過程中孔群對各主軸的運行區(qū)域進行了限制，實現(xiàn)了多主軸同時加工，并且各主軸均不與管板邊緣進行干涉的程序編制(見圖5)。

圖5 程序運行軌跡示意

4 產(chǎn)品加工

4.1 準備工序

(1)管板堆焊、熱處理、車加工(起鉆面要求粗糙度達Ra3.2 μm，平面度≤0.1 mm),所有檢驗合格后進入鉆孔工序;

(2)V形架支架與底座焊牢，防止竄動；

(3)根據(jù)起鉆面位置放樣，將彎板、方箱、V形架按圖6依次放置在深孔鉆平臺上；

(4)彎板找平，保證兩彎板平面度≤0.1 mm，然后與平臺預壓緊，彎板與平臺T形槽相交的每個位置均用壓板或T形螺栓把緊，彎板背側(cè)用頂絲墊鐵頂緊;

(5)管板水平方向和垂直方向使用千斤頂調(diào)整找正，保證四中心線公差在0.50 mm范圍之內(nèi);

(6)管板調(diào)整合格后把緊所有螺栓，再用鏈條拉緊;

(7)管板壓緊后再重復檢驗調(diào)整，管板實際裝夾狀態(tài)見圖7。

圖6 深孔鉆管板裝夾示意

圖7 管板實際加工示意

4.2 加工過程控制

(1)確認深孔鉆必須處于正常的運行狀態(tài)。正確更換安裝工裝附件，并調(diào)整使其處于正常的狀態(tài)[7]。

(2)為確保鉆孔程序的正確性，管板鉆孔前,深孔鉆先進行程序驗證，程序合格后將鉆頭導向套置于管板表面，進行逐個壓孔，按程序試加工，由檢查員按管板圖紙逐項檢查全部孔數(shù)、孔位和孔間距等,無誤后再正式鉆孔。

(3)每天鉆孔后,檢查并記錄當天鉆孔情況。

(4)按照工藝試驗測算的壽命進行更換鉆頭,對異常情況進行記錄；

(5)要求操作者對當班的所有鉆孔都進行自檢，注意孔橋異常情況。

(6)在出現(xiàn)例如BTA鉆頭損壞、突然斷電、加工問題等情況時，在再次開始鉆孔操作之前，必須要再次確認設備及鉆頭的位置，以保證鉆孔的正確性。

4.3 加工參數(shù)的選擇

BTA深孔鉆的主要加工參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速、主軸進給和冷卻液流量。加工參數(shù)選取不合適會影響排屑效果、刀具壽命，最終影響管孔的精度及加工效率[8-9]。根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)、孔徑，初步確定切削速度、進給及流量，試驗中通過排屑確定合適的切削用量，既能保證管孔精度(包括直徑、粗糙度、直線度[10-11])，又能實現(xiàn)良好的加工經(jīng)濟性，達到較高的加工效率與理想的刀具使用壽命，加工參數(shù)見表2。

表2 BTA深孔鉆的主要加工參數(shù)

4.4 檢查結(jié)果

共計鉆削7 468個管孔，檢測結(jié)果如下：

(1)所有管孔孔徑范圍16.07～16.13 mm，合格率100%；

(2)管孔內(nèi)壁表面粗糙度<3.2 μm，合格率100%；

(3)管板背側(cè)孔橋?qū)挾?2.286 mm的情況出現(xiàn)1例(為1.9 mm)，其余孔橋?qū)挾染?3 mm，合格率99.993%。

5 結(jié)語

該蒸汽冷卻器管板管孔深度接近設備極限，管孔數(shù)量多，孔徑小，深孔、精度要求高，屬行業(yè)內(nèi)難度很高的深孔加工產(chǎn)品。先后解決了細長試樣裝夾技術(shù)改進、超厚管板裝夾系統(tǒng)穩(wěn)定度優(yōu)化、消除加工程序干涉、多軸加工微共振等多項難題，最終順利加工成功，為后續(xù)類似超厚管板的換熱器產(chǎn)品制造奠定基礎。