鎳基高溫合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：針對鎳基高溫合金材料切削變形大、加工硬化嚴重，材料強度高、切削力大，導熱系數小、切削溫度高等加工特點，開展 BTA 深孔加工工藝試驗，從鉆頭直徑、切削轉速、進給速度三方面分析了對孔加工質量的影響，并試驗分析了 BTA 鉆頭的使用壽命。
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復合形式，即高強度的低合金鋼母材 + 鎳基堆焊層。其目的是依靠低合金鋼承受工作介質的壓力，使表面堆焊層起到耐受一次側放射性流體腐蝕的作用，以及管板與換熱管焊接隔離過渡作用。目前，此類復合結構的管板深孔加工工藝比較成熟。
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鎳基合金鍛件，且管板孔精度要求嚴格。管板的材料牌號為 SB-564 UNS N08810，機械性能見表 1 所列。管孔呈三角形布置，孔心距 27mm，孔深 320mm。此型管板孔的尺寸精度要嚴于壓水堆蒸汽發生器，而且此種材質的蒸汽發生器管板在工程上屬首次應用，給管板的深孔加工工藝帶來了挑戰。
表 1 SB-564 UNS N08810 鍛件機械性能
1、鎳基高溫合金切削特點
鎳基高溫合金的常規切削具有如下特點：材料塑性好、切削變形大、加工硬化嚴重；材料強度高、切削力大；材料導熱系數小、切削溫度高、刀具磨損快。對于鎳基高溫合金孔的鉆削，因為處于封閉或半封閉的加工狀態，使得孔的表面質量、孔的尺寸和位置精度都較差。
而且，鎳基高溫合金鍛件上的深孔多為回轉體上的單孔，普遍使用臥式車床通過鉆、鏜的外排屑方式進行加工。但這些傳統方法的加工效率低，多次定位和重復定位產生累積誤差使得孔位置精度差，不適合本型蒸汽發生器管板孔加工。
2 、 試驗條件
2.1 試件材料
為了更具有代表性，試驗用料的材質、孔區厚度與產品管板相同，并且與產品管板具有相同的熔煉爐號、相近的鍛造比和相同的熱處理工藝。
2.2 加工工藝及刀具
深孔加工工藝有槍鉆（外排屑）、BTA 鉆（內排屑）和噴吸鉆（內排屑）3 種。槍鉆和 BTA 鉆削工藝在核電管板深孔加工中應用較多，具有一定的經驗。綜合考慮管板孔的加工精度和加工效率，試驗采用 BTA 加工工藝。
2.3 加工設備
試驗采用進口臥式數控深孔鉆，機床主要參數：X 軸（水平）行程 6500mm，Y 軸（ 垂 直）行程4500mm，Z 軸（主軸水平）行程 1100mm；定位精度：X 軸 0.03mm，Y 軸 0.02mm，Z 軸 0.01mm；重復定位精度：0.01mm。
3 、試驗項目及結果
3.1 鉆頭直徑對擴孔量的影響
BTA 鉆頭在加工過程中，隨著刀具磨損，孔徑會逐漸變小。由于設計的孔徑公差范圍較小（0.05mm），留給 BTA 鉆頭直徑選擇的范圍也很小，既要防止首孔直徑超差上限，又要兼顧刀具磨損后孔徑變小超下限。圖 1 為 選 用 Φ19.16/19.27/19.34/19.42mm4 種 規格鉆頭，加工首孔直徑的擴大量。從數據看，對于直徑為 Φ19.42mm 的鉆頭，平均擴孔量在 0.035mm 左右，個別孔達到了 0.04mm；對于直徑為 Φ19.16mm 的鉆頭，最大擴孔量達到了 0.06mm，平均擴孔量為 0.04mm。可看出，隨著鉆頭直徑的增大，加工鎳基合金的擴孔量呈下降趨勢。
圖 1 鎳基合金材料擴孔量隨鉆頭直徑的變化
3.2 轉速對加工精度的影響
使用 Φ19.16mm 的 BTA 鉆頭，采用相同進給速度、不同轉速（800~1400r/min）鉆孔時，除個別孔徑達到Φ19.22mm 外，其余基本都在 Φ19.18~19.20mm 范圍內波動，均可滿足設計圖紙的要求。對于本目標產品，可以認為在選定的參數范圍內，轉速對孔徑基本無影響。但是隨著轉速的提高，孔壁的表面粗糙度明顯變好。這是因為主軸轉速較小時，部分切屑不是由切削刃直接切出，而是靠刀具擠壓形成，導致孔壁質量差。
然而隨著轉速的增加，刀具磨損明顯加劇。主要原因是，隨著主軸轉速的增大，切削過程中摩擦熱產生的時間就會很短，熱量來不及向切屑和刀具內部傳導，從而導致切削溫度升高，又因為鎳基高溫合金本身導熱性能差，使得熱量在切削位置積聚、刀具磨損加快。
3.3 進給速度對加工質量的影響
進給速度是影響深孔加工效率的主要因素，在上述選定的切削轉速下，采用不同的進給速度進行試驗。圖 2 為采用大于 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，當進給速度增大時，切削深度會隨之增大，切屑從工件上被切除后發生卷曲，由于鎳基合金有較好的韌性，雖然切屑經歷了冷作硬化，仍不易斷屑，極易堵塞排屑通道。
圖 3 為采用小于 70mm/min 的小進給時切屑的形狀，雖然長但不易斷屑，呈窄而薄的褶皺長條形態，能隨著切削液順暢的排出。而且切削平穩，避免了斷屑時的沖擊，從一定程度上還可提高鉆頭的耐用度。
3.4 鉆頭壽命試驗
試驗采用 4 支相同規格的鉆頭，按照相同的參數連續加工 40 孔，首孔孔徑均為設計值的上限或者超過上限；隨著打孔數量的增加，鉆頭磨損加重，使得孔徑逐漸減小。對于尾孔，大部分孔徑已經達到設計值的下限，有的已超過下限。
圖 2 大進給時切屑形態
圖 3 小進給時切屑形態
在 BTA 鉆頭的 3 個刀齒中，由于外齒線速度最大，因此外齒距離鉆頭中心最遠處磨損最為嚴重。在導向條的磨損方面，第一導向條和第二導向條表面涂層顏色變化明顯，其中第一導向條的顏色變化要小于第二導向條，并且第一導向條最頂端均不同程度的發生磨損，第二導向條的磨損不明顯。
4 、結語
通過 BTA 鉆頭加工鎳基高溫合金管板孔的工藝試驗，得到如下結論：
（1）BTA 鉆頭擴孔量隨鉆頭直徑的增加而減小，對于 Φ19.16~19.42mm 的鉆頭，最大擴孔量達到0.06mm，平均擴孔量約為 0.04mm。（2）相同進給速度時，800~1400r/min 的轉速，對孔徑影響不大，但隨著轉速提高，孔壁表面粗糙度變好。（3）相同轉速時，隨著進給速度的增加，切屑變厚而且不易斷屑，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參數，連續加工 40孔時，尾孔已接近或超過孔徑公差的下限，BTA 鉆頭的外刃及第一導向條磨損嚴重。
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