基于可換鉆尖機(jī)夾鉆的鈦–鋼復(fù)合管板鉆孔工藝試驗(yàn)研究＊

楊德存 江 磊 稅 妍 鄧亞弟 向志楊 文小山

（①東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000；②西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

凝汽器是凝汽式汽輪機(jī)中將做完功的排汽冷卻成鍋爐用水的專用設(shè)備，其內(nèi)部存在著冷卻水與汽輪機(jī)排汽的熱交換。由于冷卻水是從江河湖泊或大海中抽取做簡(jiǎn)單處理后的機(jī)組用水，水質(zhì)較差，導(dǎo)致對(duì)與其接觸的凝汽器水室及端管板有很強(qiáng)的腐蝕作用[1]。凝汽器端管板是水室和蒸汽室的隔板，起著阻隔水室中的冷卻水、蒸汽室蒸汽以及支撐冷卻水管和維持凝汽器外形的作用。

鈦–鋼復(fù)合板是碳素鋼為基層，工業(yè)純鈦為復(fù)層，以爆炸、軋制等復(fù)合方式制成的雙金屬復(fù)合板[2]，兼具純鈦優(yōu)良的耐腐蝕性和碳鋼的強(qiáng)度和剛度，是汽輪機(jī)凝汽器等熱交換器的理想材料，尤其是采用海水作為冷卻水的濱海電站凝汽器。

凝汽器是大型熱交換器，其端管板數(shù)量和管孔數(shù)量都很多，大功率核電汽輪機(jī)凝汽器有8張或12張端管板，每張端管板管孔數(shù)量接近2萬個(gè)。端管板管孔的加工精度直接影響著冷卻管密封作用[3]，因此管孔質(zhì)量要求高（孔徑公差0.15 mm，孔壁粗糙度Ra 6.3 μm，如圖1所示）、位置要求準(zhǔn)確，導(dǎo)致管孔的加工已成為制約汽輪機(jī)組生產(chǎn)的環(huán)節(jié)之一。純鈦導(dǎo)熱性較差、彈性模量小以及塑性好，與低碳鋼的切削性能差異較大，導(dǎo)致鈦–鋼復(fù)合管板管孔加工工藝復(fù)雜。顧乃彥[3]、于克[4]等提出了采用淺孔鉆和鏜刀的三工步加工工藝，但由于兩種材料切屑都不易折斷，導(dǎo)致切削參數(shù)都不高，限制了鈦–鋼復(fù)合端管板的管孔加工效率。顧乃彥[3]等提出了管孔一次加工成型的加工方案，但并未說明工藝的具體參數(shù)。此外，王明海[5]等對(duì)鉆削力、Xu J[6]等對(duì)鉆削排屑和表面損傷開展了研究。綜上所述，雖然針對(duì)CFRP/鈦合金復(fù)合材料的鉆孔加工研究較為完善，但對(duì)于鈦–鋼復(fù)合板孔一次鉆孔成型的研究仍然較少，尤其是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的切削工藝。本文將通過開展大量的切削工藝試驗(yàn)，借助于切削數(shù)據(jù)的采集和分析，研究可換鉆尖機(jī)夾鉆對(duì)鈦–鋼復(fù)合管板的一次鉆孔成型的可行性，形成高性能孔加工刀具的切削參數(shù)優(yōu)化調(diào)整方案，提高管孔加工效率。

圖1 某型號(hào)凝汽器鈦-鋼復(fù)合管板管孔加工要求[3]

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)刀具

試驗(yàn)材料是與凝汽器端管板相同材質(zhì)的鈦–鋼復(fù)合板，試板尺寸300 mm×300 mm×39 mm，試板基層為ASTM A516 Gr60且厚度34 mm，復(fù)層為ASTM B265 Gr1且厚度5 mm。基層與復(fù)層采用爆炸法復(fù)合，其材料的化學(xué)成分、基本力學(xué)性能如表1、表2所示，截面的硬度分布如圖2所示。

表1 鈦–鋼復(fù)合板的化學(xué)成分[7-8] %

表2 鈦–鋼復(fù)合板的力學(xué)性能[7?8]

圖2 凝汽器鈦–鋼復(fù)合板分界層硬度[9]

可換鉆尖機(jī)夾鉆可承受大的進(jìn)給量，加工效率高，具有良好斷屑性能[10?11]和切削穩(wěn)定性[12]。因此，試驗(yàn)選擇鉆頭側(cè)刃經(jīng)過精磨且能夠同時(shí)滿足純鈦和低碳鋼加工要求的3種硬質(zhì)合金可換鉆尖機(jī)夾鉆和1種兩片立裝硬質(zhì)合金刀片機(jī)夾鉆，基本信息如表3所示，實(shí)物如圖3所示。

表3 4種鉆孔試驗(yàn)刀具基本信息

圖3 4種鉆孔試驗(yàn)刀具實(shí)物圖片

1.2 試驗(yàn)方案及過程

鉆孔試驗(yàn)在HAAS M1603立式加工中心上進(jìn)行，試板按鈦層（復(fù)層）向上裝夾。鉆孔刀具從鈦層端鉆入，一次完成鉆孔成型。試驗(yàn)初始參數(shù)根據(jù)刀具樣本推薦及鈦–鋼復(fù)合管板加工經(jīng)驗(yàn)確定。鉆孔完成后對(duì)切屑形態(tài)、孔壁表面狀態(tài)和切削平穩(wěn)性進(jìn)行測(cè)量和分析，優(yōu)化切削參數(shù)直至鉆孔斷屑良好、切削平穩(wěn)以及孔壁狀態(tài)穩(wěn)定，并測(cè)量?jī)?yōu)化切削參數(shù)下的切削力以及管孔出入口部位的孔徑和孔壁粗糙度，觀察鉆頭刃口狀態(tài)，綜合判讀可換鉆尖機(jī)夾鉆對(duì)鈦–鋼復(fù)合管板一次鉆孔成型的可行性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔徑、孔壁粗糙度及斷屑情況分析

試驗(yàn)過程的切削參數(shù)、加工狀況與測(cè)量數(shù)據(jù)如表4～7 所示。

由表4～7 可見，試驗(yàn)刀具所鉆孔的孔徑穩(wěn)定性都較好（孔徑變化小于0.05 mm），表明機(jī)夾鉆的頂角對(duì)定心精度的影響較大，同時(shí)孔徑穩(wěn)定性也與機(jī)夾鉆的側(cè)刃直徑精度有關(guān)。此外，3種可換鉆尖機(jī)夾鉆的孔徑平均值稍大于刀具公稱直徑，而兩片刀片式機(jī)夾鉆的孔徑小于刀具公稱直徑，且入口端孔徑均大于出口端，如圖4所示。

表4 刀具1試驗(yàn)刀具的切削參數(shù)、加工狀況與測(cè)量數(shù)據(jù)

表5 刀具2試驗(yàn)刀具的切削參數(shù)、加工狀況與測(cè)量數(shù)據(jù)

表6 刀具3試驗(yàn)刀具的切削參數(shù)、加工狀況與測(cè)量數(shù)據(jù)

表7 刀具4試驗(yàn)刀具的切削參數(shù)、加工狀況與測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 4種試驗(yàn)刀具的鉆孔孔徑對(duì)比

根據(jù)加工數(shù)據(jù)和狀況分析，表面切削參數(shù)變化對(duì)于孔徑?jīng)]有明顯影響，切屑形態(tài)對(duì)孔徑亦無明顯影響。對(duì)于鉆孔加工來說，試驗(yàn)刀具的孔徑穩(wěn)定性較高，滿足凝汽器鈦–鋼復(fù)合管板管孔的一次鉆孔孔徑的要求。

根據(jù)圖5試驗(yàn)刀具的孔壁粗糙度對(duì)比數(shù)據(jù)分析，表明可換鉆尖機(jī)夾鉆的鉆孔孔壁表面質(zhì)量低于兩刀片式機(jī)夾鉆。從圖6可見，可換鉆尖機(jī)夾鉆的對(duì)孔壁有明顯劃傷痕跡，孔壁粗糙度變化具有隨機(jī)性，也未與切削參數(shù)呈現(xiàn)關(guān)聯(lián)性，部分孔并不能滿足鈦–鋼復(fù)合管板管孔的一次鉆孔粗糙度要求，推測(cè)原因?yàn)榍行驾^厚較硬而劃傷，與刀具刃口尤其是側(cè)刃刃口的結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系。而兩片刀片式機(jī)夾鉆的孔壁基本沒有劃痕，孔壁觸感光滑，推測(cè)原因?yàn)榈镀瑐?cè)刃具有較好的修光功能。

圖5 4種試驗(yàn)刀具的鉆孔孔壁粗糙度對(duì)比

圖6 4種試驗(yàn)刀具的鉆孔孔壁質(zhì)量對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)刀具穩(wěn)定加工時(shí)的切屑形態(tài)對(duì)比分析，表面可換鉆尖機(jī)夾鉆由于可承受較大的進(jìn)給量，可通過切削參數(shù)調(diào)整的方式（如增加切削進(jìn)給量），控制鈦層切屑平穩(wěn)排出而不纏繞刀桿（鈦層切屑呈現(xiàn)麻花狀）并且后續(xù)的鋼層切屑都可以保證良好成型和折斷，如圖7a、圖8a、8c、8d所示。兩片刀片式機(jī)夾鉆刀片結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小、能承受的進(jìn)給量有所限制，切削參數(shù)調(diào)整范圍窄，導(dǎo)致切屑薄而長(zhǎng)、不易折斷，尤其鈦層由于具有較好的延展性，導(dǎo)致切屑容易纏繞刀桿而給后續(xù)鋼層鉆孔造成干擾，進(jìn)一步導(dǎo)致刀片崩刃和鈦層表面損傷等問題，如圖7b、圖8b所示。

圖7 試驗(yàn)刀具穩(wěn)定加工時(shí)的鈦層(復(fù)層)切屑形態(tài)對(duì)比

圖8 4種試驗(yàn)刀具穩(wěn)定加工時(shí)的碳鋼層(基層)切屑形態(tài)對(duì)比

2.2 刀具刃口分析

對(duì)試驗(yàn)刀具鉆孔結(jié)束后的后刀面形態(tài)進(jìn)行觀察對(duì)比，可見各刀具刃口均有不同程度的積屑瘤，如圖9所示。這表明了純鈦和低碳鋼由于塑性好，容易導(dǎo)致積屑瘤產(chǎn)生，而積屑瘤又將進(jìn)一步導(dǎo)致刀具刃口鈍化，劣化切屑卷曲成型狀態(tài)，增大了切屑孔壁、纏繞在刀桿等問題的概率。此外，除兩片刀片式機(jī)夾鉆刃口有微崩現(xiàn)象外，可換鉆尖機(jī)夾鉆均未觀測(cè)到明顯磨損。以上分析可以得出兩片刀片式機(jī)夾鉆由于刀片強(qiáng)度不足、切屑形態(tài)難控制等原因，對(duì)純鈦–低碳鋼復(fù)合管板的一次鉆孔成型加工的適應(yīng)性較差的結(jié)論。

圖9 4種試驗(yàn)刀具鉆孔結(jié)束后的后刀面形態(tài)對(duì)比

2.3 平穩(wěn)加工切削力分析

經(jīng)過切削參數(shù)優(yōu)化，4種試驗(yàn)刀具都能較為穩(wěn)定的排出切屑且振動(dòng)較小，對(duì)應(yīng)的切削參數(shù)如表8所示。采用kistler 9255B型銑削測(cè)力儀，對(duì)刀具穩(wěn)定加工時(shí)的z向切削力和力矩進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如圖10、圖11所示。

表8 4種試驗(yàn)刀具在穩(wěn)定加工時(shí)的切削參數(shù)

試驗(yàn)刀具由于具體結(jié)構(gòu)不同，穩(wěn)定加工時(shí)的切削參數(shù)不同穩(wěn)定加工時(shí)的，因此切削力只進(jìn)行定性分析。從圖10可知，刀具2切削過程中切削力波動(dòng)比較大，這與表4b的實(shí)際觀察到的振動(dòng)大描述一致，也與圖11刀片2在出入端Mz值跳躍式變化相一致，此外振動(dòng)也是導(dǎo)致圖9b所示刀片刃口微崩的重要因素，這也反映出刀具2不適宜在該工況下應(yīng)用。

圖10 4種試驗(yàn)刀具平穩(wěn)切削時(shí)的z向切削力Fz值

圖11 4種試驗(yàn)刀具平穩(wěn)切削時(shí)的z向切削力矩Mz值

所有試驗(yàn)刀具在切削鈦層的Fz值略小于切削鋼層，這與表2中純鈦強(qiáng)度低于碳鋼層相應(yīng)證。切削鈦與鋼的分界層時(shí)由于分界層硬度高[9](如圖2所示)，切削力最大，F(xiàn)z值比切削碳鋼層高30%～70%，是鉆孔過程中最容易導(dǎo)致刀具刃口損傷的區(qū)域。

3 結(jié)語

通過對(duì)可換鉆尖機(jī)夾鉆一次成型汽輪機(jī)凝汽器鈦–鋼復(fù)合管板管孔的鉆孔工藝研究，根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)、結(jié)果以及測(cè)量數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）可換鉆尖機(jī)夾鉆及有頂角的兩片刀片式機(jī)夾鉆均可一次成型鈦–鋼復(fù)合管板管孔，孔徑控制較好，均滿足工藝要求。

（2）可換鉆尖機(jī)夾鉆在鉆孔過程中容易產(chǎn)生積屑瘤，但相較于可換鉆尖機(jī)夾鉆，而有頂角兩片刀片式機(jī)夾鉆的加工孔壁粗糙度較好，可以滿足工藝要求。

（3）相較于有頂角兩片刀片式機(jī)夾鉆，可換鉆尖機(jī)夾鉆的工藝參數(shù)調(diào)整范圍相對(duì)較大，可通過調(diào)整工藝參數(shù)改變鈦層和碳鋼層的切屑可形態(tài)，控制切屑排出。

（4）鉆孔過程中機(jī)夾鉆的軸向切削力的變化與材料強(qiáng)度及在截面上的硬度相對(duì)應(yīng)，但兩片刀片式機(jī)夾鉆在鉆孔出入端處的軸向扭矩有較大波動(dòng)。

（5）可換鉆尖機(jī)夾鉆具有高強(qiáng)度、可承受高切削進(jìn)給量等特性，針對(duì)汽輪機(jī)凝汽器的鈦–鋼復(fù)合管板管孔的粗加工具有較好的一次鉆孔成型能力，能很好地兼顧管孔粗加工的效率和質(zhì)量的工藝要求。