MSR管板深孔鉆工藝及質量分析

□徐利軍中核華電 河北核電有限公司 河北滄州 061000

MSR管板深孔鉆工藝及質量分析

□徐利軍
中核華電 河北核電有限公司 河北滄州 061000

在對汽水分離再熱器管板進行深孔鉆加工時，常發生質量缺陷。由于鉆孔是在封閉或半封閉狀態下進行，不能直接觀察刀具的切削情況，切削熱不易導出，加之排屑困難，切削效果不理想。從被加工材料、加工設備、刀具及質量管理方面對產生缺陷的原因進行分析，并且對工藝進行了改進，從而減少了缺陷的產生。

汽水分離再熱器（MSR）是常規島二回路“四器一冷”設備中最重要也是結構最復雜的設備，在輕水堆核電站（壓水堆或沸水堆）中，經過透平機的蒸汽處于飽和狀態并且壓力較低（5～7 MPa），在經過透平機的高壓缸后，蒸汽完成了第一次膨脹，此時蒸汽含有10%～15%的水分。如果繼續膨脹而不采取任何特殊的預防措施，再經過透平機低壓缸后，蒸汽濕度將達到20%～25%，這種過高的濕度會大大降低汽輪機效率，并會導致低壓缸轉子的損壞。因此，在蒸汽經過高壓缸之后，進入低壓缸之前，限制其含濕量是非常必要的，汽水分離再熱器（MSR）的設置是必須的。

管板是MSR的一個主要部件，起支撐和固定管束的作用。MSR采用兩級加熱，設有兩個加熱器。一級加熱器熱源為高壓缸抽汽；二級加熱器熱源取自主蒸汽管道的新蒸汽。一、二級管板均為鍛件，材質為SA-350LF2CL2，厚度一級/二級為350/450（+9 mm堆焊層）。MSR管板鉆孔工序對孔徑公差、形位公差、孔橋間距以及粗糙度要求很高，制造難度大，是管板制造過程中的一個關鍵工序。在鉆孔過程中常見的缺陷主要有：粗糙度超差、孔內壁劃傷或環形溝槽缺陷、孔垂直度超差、孔橋尺寸超差、孔內徑超差等。其中孔內壁環形溝槽缺陷雖偶有發生，但該缺陷不能返修且影響后續換熱管的脹接質量，下面進行重點分析。

1 問題發現

某制造廠在加工MSR一級管板時，編號為H12-8的孔內產生一個環向槽缺陷，溝槽缺陷如圖1所示。工藝人員對缺陷進行分析，判斷為鉆頭刀尖上產生的積屑瘤，是導致環狀溝槽缺陷產生的直接原因。機加工過程中，鉆頭的刀口崩刃、排屑堵塞都是產生溝槽缺陷的原因。該管板深孔鉆工藝采用意大利三軸數控鉆床，鉆頭為日本BTA系統鉆頭。

圖1 溝槽缺陷圖

BTA（Boring and Trepanning Association）系統又稱內排屑高效率鉆削法，屬于內排屑方式，其工作原理是切削液通過受油器從鉆桿外壁與已加工表面之間進入，到達頭部進行冷卻潤滑，并將切屑經鉆桿內部推出（如圖2所示）。其最大特點就是將大量高壓切削液壓入鉆桿和工件孔壁之間的環形間隙中，流入切削區，然后和切屑一起從鉆桿的內孔中排出，從而保證切屑不會劃傷工件內壁。

圖2 切削液和切屑排出示意圖

2 積屑瘤形成原因

根據材料機械性能和切削原理，在切削加工過程中，由于工件材料是被擠裂的，因此切屑對刀具的前刀面產生很大的壓力，并摩擦生成大量的切削熱。在這種高溫高壓下，與刀具前刀面接觸的那一部分切屑由于摩擦力影響，流動速度相對減慢，形成滯留層。當摩擦力一旦大于材料內部晶格之間的結合力時，滯留層中的一些材料就會粘附在刀具近刀尖的前刀面上，形成積屑瘤。該積屑瘤代替切削刃進行切削，從而使孔徑內壁產生環狀溝槽缺陷。

3 積屑瘤形成因素分析

3.1 切屑變形的影響

在切削過程中，由于刀具切削力的大小和分布狀態的不同，以及被加工件材料的應力應變不同，導致切屑形態也不同，可歸類為4種基本形態。

①帶狀切屑。其外觀特點是底面光滑，外表面呈微小的鋸齒狀。帶狀切屑形成機理是在切削力作用下，發生連續而穩定的塑性流動。

②擠裂切屑。其外觀特點是外表面呈較大的鋸齒形，內表面也常可見明顯裂紋。形成機理上的特點是，在切削力作用下，發生周期性但不連續的塑性流動，在切削速度低、切削深度較大的條件下切削塑性材料，往往可以得到這種切屑。

③粒狀切屑。外觀特點是一系列互不相連且形狀不規則的切屑單元。形成機理是一個隨機的塑性流動過程，在以很低的速度、很大的切削深度和很小的前角切削塑性材料，往往可得到這種粒狀切屑。

④崩碎切屑。崩碎切屑是切削脆性材料時的常見形態，外觀特點和粒狀切屑差不多，但在形成機理上不同于粒狀切屑，它的形成過程是一系列隨機的脆性斷裂過程。

在切削條件方面，以切削深度（進給量）對切屑變形影響最甚，當切削深度增加時，前刀面上的平均正應力增大，同時由于切削溫度升高，又使前刀面上的剪應力略有降低，因此摩擦因數隨之減小，剪切角增大，變形因數降低。

切削速度對切屑變形也有影響，在切削速度較大的范圍內，積屑瘤隨切削速度提高而增大，刀具的實際工作前角隨之增大，使變形因數減小。當切削速度提高到一定數值后，積屑瘤隨切削速度提高而減小，相應地刀具工作前角又隨之減小，因此又使變形因數增大。

3.2 材料性能的影響

3.2.1 化學成分的影響

當材料化學成分中碳元素含量高時，材料的硬度較高、脆性大、韌性較弱、切削性能好、易排屑，積屑瘤產生幾率低。雖然工件的切削性能較好，但由于脆性大，材料的整體性能下降，因此應控制碳元素值在適當范圍。

3.2.2 機械性能的影響

鍛件的韌性和塑性小、抗拉強度和屈服強度高，鍛件硬度就大，利于切削，產生積屑瘤的幾率就小。

3.3 刀具的影響

刀具材料主要是高速鋼和硬質合金，此外還有金剛石、立方氮化硼等超硬刀具材料。隨著工業的發展，刀具材料也高速發展，其中硬質合金涂層材料在切削刀具材料發展中一直處于主導地位。國外許多廠家現已研究了中低溫CVD涂層，其厚膜結構消除了在涂層過程中所產生的裂紋，還提高了涂層的韌性和光潔度，從而改善了刀具在斷續切削條件下的抗崩刃性能。

一般來說，刀具材料的硬度越高，化學性質越穩定，則刀-屑間的粘結傾向小，從而可以減輕前刀面摩擦，增大剪切角，減小切削變形。當刀具材料與工件材料是同種或同族元素時，它們之間的親和性增大，容易造成前刀面劇烈摩擦，摩擦角增大，剪切角減小，變形因數增大，導致切削力升高，刀具磨損就嚴重。

MSR管板深孔鉆采用日本BTA鉆頭［1］，如圖3所示，規格為：Φ19.28 h5。為了保證鉆孔精度，必須嚴格檢查鉆頭的磨損狀況，及時進行更換，防止因鉆頭磨損造成鉆孔質量缺陷。

3.4 排屑的影響

由于采用內排屑法進行鉆孔，因此，順暢排屑是非常關鍵的因素。

3.4.1 切削液的作用

①冷卻切削產生的熱量；②帶走切屑；③潤滑導向塊；④潤滑切削刃口。

圖3 BAT鉆頭外形圖

切削液壓力大小對能否順暢排屑、對是否產生積屑瘤有重大影響。

3.4.2 切屑的影響

在切削轉速和進給量一定的前提下，鍛件金相組織越均勻，其產生的切屑越短。切屑越短，越利于排屑。因此，要注意觀察出屑狀況（如圖4所示），當發現出屑不暢或切屑較大時，要及時查找原因進行解決。

圖4 切屑外形圖

4 改進措施

以上分析了管板深孔鉆時發生溝槽缺陷的多種因素，針對不同情況，采取以下措施進行改進，以達到控制和消除缺陷的目的。

4.1 選擇適當的設備和工裝

MSR管板鉆孔采用意大利生產的三軸深孔鉆床，參數如圖5所示。

數控三軸深孔鉆床（意大利生產）型號：FMM5353；

主要參數：X軸最大行程為4 000 mm；Y軸最大行程為3 500 mm；最大鉆孔深度為1 100 mm；鉆孔直徑為12～40 mm。

該數控深孔鉆床采用了如下報警系統：①扭矩控制報警；②軸向力控制報警；③鉆孔深度控制報警；④頂緊力控制報警。考慮到管板在鉆孔時，管板承受軸向力和扭矩，加之管板直徑較大，加工周期長，要使工件在整個加工過程中不發生位移，須采取將管板組件放在鉆孔專用工位，并固定在深孔鉆背板上，詳細布置及工位如圖5所示。底部附件的螺栓暫不擰緊，在調節完成后擰緊，從而保證工件在機加工過程中的定位精度，減少鉆孔時的位移現象，保證鉆孔精度。

圖5 管板裝卡圖

在鉆孔過程中加強對報警系統的觀察、跟蹤、控制，關注扭矩、軸向力、鉆孔深度、頂緊力等參數的變化情況，發現異常及時處置，防止鉆孔缺陷發生。

4.2 選擇適當的切削參數

對每塊管板，在正式鉆孔前要用試驗件進行試鉆孔，針對每個管板鍛件材質的差異性，在工藝評定范圍內，對切削參數進行微調，以達到最佳鉆孔效果。考慮到管板進行調質熱處理后，管板表面與內部存在硬度的不均衡性，要求在轉速一定的前提下，從管板一次側面試鉆時，采用小進給的方式；對中心區域，由于硬度差異，可適當提高進給量。同時要考慮到材質的差異性，適當調整切削參數，轉速的變化幅度一般控制在0～50 r/min范圍內。注意觀察切屑成形狀況，當切屑過大時，要及時降低進給量，以防排屑不暢，造成切屑堵塞，劃傷孔的內表面。觀察切削液壓力變化情況，當發現有油壓下降現象時，要及時停止鉆孔，檢查設備狀況，消除設備故障，保障鉆孔安全。

4.3 按規定更換鉆頭

一個鉆頭鉆滿10個孔時，操作者應對BTA鉆頭做一次VT檢查，若此時發現BTA鉆頭已磨損，應及時更換。每個鉆頭鉆第一個孔和最后一個孔時，都要做相關的檢查（孔徑、孔橋尺寸及粗糙度），若發現偏差及時糾正，保證鉆孔精度。

5 結束語

MSR管板在深孔鉆機加工時，由于刀刃積屑瘤、刀具崩刃、切屑堵塞等原因，造成的管孔環狀溝槽缺陷，既有它的偶然性，也與機加工過程中的控制方法有一定關系。通過上述分析和提出的改進建議，對今后管板深孔鉆機加工提供一些參考，以減少此類缺陷的產生。

［1］李國良，孫烈汀.提高進口BTA鉆頭鉆孔一次合格率［J］.電站輔機，2005（3）：21-23.

Quality defects often occur during deep hole drilling process of the pipe sheet of the reheater for moisture separation.Since the drilling process is carried out in a closed or semi-closed state，the cutting situation by the cutting tool can not be viewed directly and the cutting heat could not be derived easily.Coupled with difficult chip removal，the cutting performance is not ideal.Through the analyses of the causes of the defects in the fields of processed materials，processing equipment，cutting tool and quality management，the entire process had been improved toreduce the defects.

深孔鉆；內排屑深孔鉆；積屑瘤

Deep-hole Drill；BTADeep Hole Drill；Built-up Edge

TG31

B

1672-0555（2015）04-011-04

2015年8月

徐利軍（1972年-），男，大學本科，高級工程師，主要從事核電站設備采購與監造管理