基于可換鉆尖機夾鉆的鈦–鋼復合管板鉆孔工藝試驗研究＊

楊德存 江 磊 稅 妍 鄧亞弟 向志楊 文小山

（①東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000；②西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

凝汽器是凝汽式汽輪機中將做完功的排汽冷卻成鍋爐用水的專用設備，其內部存在著冷卻水與汽輪機排汽的熱交換。由于冷卻水是從江河湖泊或大海中抽取做簡單處理后的機組用水，水質較差，導致對與其接觸的凝汽器水室及端管板有很強的腐蝕作用[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–鋼復合板是碳素鋼為基層，工業純鈦為復層，以爆炸、軋制等復合方式制成的雙金屬復合板[2]，兼具純鈦優良的耐腐蝕性和碳鋼的強度和剛度，是汽輪機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，其端管板數量和管孔數量都很多，大功率核電汽輪機凝汽器有8張或12張端管板，每張端管板管孔數量接近2萬個。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）、位置要求準確，導致管孔的加工已成為制約汽輪機組生產的環節之一。純鈦導熱性較差、彈性模量小以及塑性好，與低碳鋼的切削性能差異較大，導致鈦–鋼復合管板管孔加工工藝復雜。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，導致切削參數都不高，限制了鈦–鋼復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。此外，王明海[5]等對鉆削力、Xu J[6]等對鉆削排屑和表面損傷開展了研究。綜上所述，雖然針對CFRP/鈦合金復合材料的鉆孔加工研究較為完善，但對于鈦–鋼復合板孔一次鉆孔成型的研究仍然較少，尤其是針對現場的切削工藝。本文將通過開展大量的切削工藝試驗，借助于切削數據的采集和分析，研究可換鉆尖機夾鉆對鈦–鋼復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優化調整方案，提高管孔加工效率。

圖1 某型號凝汽器鈦-鋼復合管板管孔加工要求[3]

1 試驗

1.1 試驗材料和試驗刀具

試驗材料是與凝汽器端管板相同材質的鈦–鋼復合板，試板尺寸300 mm×300 mm×39 mm，試板基層為ASTM A516 Gr60且厚度34 mm，復層為ASTM B265 Gr1且厚度5 mm?；鶎优c復層采用爆炸法復合，其材料的化學成分、基本力學性能如表1、表2所示，截面的硬度分布如圖2所示。

表1 鈦–鋼復合板的化學成分[7-8] %

表2 鈦–鋼復合板的力學性能[7?8]

圖2 凝汽器鈦–鋼復合板分界層硬度[9]

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

表3 4種鉆孔試驗刀具基本信息

圖3 4種鉆孔試驗刀具實物圖片

1.2 試驗方案及過程

鉆孔試驗在HAAS M1603立式加工中心上進行，試板按鈦層（復層）向上裝夾。鉆孔刀具從鈦層端鉆入，一次完成鉆孔成型。試驗初始參數根據刀具樣本推薦及鈦–鋼復合管板加工經驗確定。鉆孔完成后對切屑形態、孔壁表面狀態和切削平穩性進行測量和分析，優化切削參數直至鉆孔斷屑良好、切削平穩以及孔壁狀態穩定，并測量優化切削參數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，綜合判讀可換鉆尖機夾鉆對鈦–鋼復合管板一次鉆孔成型的可行性。

2 試驗結果分析

2.1 孔徑、孔壁粗糙度及斷屑情況分析

試驗過程的切削參數、加工狀況與測量數據如表4～7 所示。

由表4～7 可見，試驗刀具所鉆孔的孔徑穩定性都較好（孔徑變化小于0.05 mm），表明機夾鉆的頂角對定心精度的影響較大，同時孔徑穩定性也與機夾鉆的側刃直徑精度有關。此外，3種可換鉆尖機夾鉆的孔徑平均值稍大于刀具公稱直徑，而兩片刀片式機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試驗刀具的切削參數、加工狀況與測量數據

表5 刀具2試驗刀具的切削參數、加工狀況與測量數據

表6 刀具3試驗刀具的切削參數、加工狀況與測量數據

表7 刀具4試驗刀具的切削參數、加工狀況與測量數據

圖4 4種試驗刀具的鉆孔孔徑對比

根據加工數據和狀況分析，表面切削參數變化對于孔徑沒有明顯影響，切屑形態對孔徑亦無明顯影響。對于鉆孔加工來說，試驗刀具的孔徑穩定性較高，滿足凝汽器鈦–鋼復合管板管孔的一次鉆孔孔徑的要求。

根據圖5試驗刀具的孔壁粗糙度對比數據分析，表明可換鉆尖機夾鉆的鉆孔孔壁表面質量低于兩刀片式機夾鉆。從圖6可見，可換鉆尖機夾鉆的對孔壁有明顯劃傷痕跡，孔壁粗糙度變化具有隨機性，也未與切削參數呈現關聯性，部分孔并不能滿足鈦–鋼復合管板管孔的一次鉆孔粗糙度要求，推測原因為切屑較厚較硬而劃傷，與刀具刃口尤其是側刃刃口的結構有較大關系。而兩片刀片式機夾鉆的孔壁基本沒有劃痕，孔壁觸感光滑，推測原因為刀片側刃具有較好的修光功能。

圖5 4種試驗刀具的鉆孔孔壁粗糙度對比

圖6 4種試驗刀具的鉆孔孔壁質量對比

根據試驗刀具穩定加工時的切屑形態對比分析，表面可換鉆尖機夾鉆由于可承受較大的進給量，可通過切削參數調整的方式（如增加切削進給量），控制鈦層切屑平穩排出而不纏繞刀桿（鈦層切屑呈現麻花狀）并且后續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。兩片刀片式機夾鉆刀片結構尺寸相對較小、能承受的進給量有所限制，切削參數調整范圍窄，導致切屑薄而長、不易折斷，尤其鈦層由于具有較好的延展性，導致切屑容易纏繞刀桿而給后續鋼層鉆孔造成干擾，進一步導致刀片崩刃和鈦層表面損傷等問題，如圖7b、圖8b所示。

圖7 試驗刀具穩定加工時的鈦層(復層)切屑形態對比

圖8 4種試驗刀具穩定加工時的碳鋼層(基層)切屑形態對比

2.2 刀具刃口分析

對試驗刀具鉆孔結束后的后刀面形態進行觀察對比，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，容易導致積屑瘤產生，而積屑瘤又將進一步導致刀具刃口鈍化，劣化切屑卷曲成型狀態，增大了切屑孔壁、纏繞在刀桿等問題的概率。此外，除兩片刀片式機夾鉆刃口有微崩現象外，可換鉆尖機夾鉆均未觀測到明顯磨損。以上分析可以得出兩片刀片式機夾鉆由于刀片強度不足、切屑形態難控制等原因，對純鈦–低碳鋼復合管板的一次鉆孔成型加工的適應性較差的結論。

圖9 4種試驗刀具鉆孔結束后的后刀面形態對比

2.3 平穩加工切削力分析

經過切削參數優化，4種試驗刀具都能較為穩定的排出切屑且振動較小，對應的切削參數如表8所示。采用kistler 9255B型銑削測力儀，對刀具穩定加工時的z向切削力和力矩進行檢測，測量結果如圖10、圖11所示。

表8 4種試驗刀具在穩定加工時的切削參數

試驗刀具由于具體結構不同，穩定加工時的切削參數不同穩定加工時的，因此切削力只進行定性分析。從圖10可知，刀具2切削過程中切削力波動比較大，這與表4b的實際觀察到的振動大描述一致，也與圖11刀片2在出入端Mz值跳躍式變化相一致，此外振動也是導致圖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用。

圖10 4種試驗刀具平穩切削時的z向切削力Fz值

圖11 4種試驗刀具平穩切削時的z向切削力矩Mz值

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

3 結語

通過對可換鉆尖機夾鉆一次成型汽輪機凝汽器鈦–鋼復合管板管孔的鉆孔工藝研究，根據試驗狀態、結果以及測量數據分析，得出以下結論：

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

（2）可換鉆尖機夾鉆在鉆孔過程中容易產生積屑瘤，但相較于可換鉆尖機夾鉆，而有頂角兩片刀片式機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夾鉆，可換鉆尖機夾鉆的工藝參數調整范圍相對較大，可通過調整工藝參數改變鈦層和碳鋼層的切屑可形態，控制切屑排出。

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

（5）可換鉆尖機夾鉆具有高強度、可承受高切削進給量等特性，針對汽輪機凝汽器的鈦–鋼復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量的工藝要求。