镍基高温合金管板深孔加工试验
2020-6-16 来源： 哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司 作者：王福春，王强，李伟，赵跃
摘要：针对镍基高温合金材料切削变形大、加工硬化严重，材料强度高、切削力大，导热系数小、切削温度高等加工特点，开展 BTA 深孔加工工艺试验，从钻头直径、切削转速、进给速度三方面分析了对孔加工质量的影响，并试验分析了 BTA 钻头的使用寿命。
关键词：镍基高温合金；管板；深孔；试验
压水堆核电站蒸汽发生器管板一般采取复合形式，即高强度的低合金钢母材 + 镍基堆焊层。其目的是依靠低合金钢承受工作介质的压力，使表面堆焊层起到耐受一次侧放射性流体腐蚀的作用，以及管板与换热管焊接隔离过渡作用。目前，此类复合结构的管板深孔加工工艺比较成熟。
某型号蒸汽发生器，因其运行温度高、设计压力大、工作环境恶劣，管板设计通体采用高温下具有较高强度的镍基合金锻件，且管板孔精度要求严格。管板的材料牌号为 SB-564 UNS N08810，机械性能见表 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严于压水堆蒸汽发生器，而且此种材质的蒸汽发生器管板在工程上属首次应用，给管板的深孔加工工艺带来了挑战。
表 1 SB-564 UNS N08810 锻件机械性能
1、镍基高温合金切削特点
镍基高温合金的常规切削具有如下特点：材料塑性好、切削变形大、加工硬化严重；材料强度高、切削力大；材料导热系数小、切削温度高、刀具磨损快。对于镍基高温合金孔的钻削，因为处于封闭或半封闭的加工状态，使得孔的表面质量、孔的尺寸和位置精度都较差。
而且，镍基高温合金锻件上的深孔多为回转体上的单孔，普遍使用卧式车床通过钻、镗的外排屑方式进行加工。但这些传统方法的加工效率低，多次定位和重复定位产生累积误差使得孔位置精度差，不适合本型蒸汽发生器管板孔加工。
2 、 试验条件
2.1 试件材料
为了更具有代表性，试验用料的材质、孔区厚度与产品管板相同，并且与产品管板具有相同的熔炼炉号、相近的锻造比和相同的热处理工艺。
2.2 加工工艺及刀具
深孔加工工艺有枪钻（外排屑）、BTA 钻（内排屑）和喷吸钻（内排屑）3 种。枪钻和 BTA 钻削工艺在核电管板深孔加工中应用较多，具有一定的经验。综合考虑管板孔的加工精度和加工效率，试验采用 BTA 加工工艺。
2.3 加工设备
试验采用进口卧式数控深孔钻，机床主要参数：X 轴（水平）行程 6500mm，Y 轴（ 垂 直）行程4500mm，Z 轴（主轴水平）行程 1100mm；定位精度：X 轴 0.03mm，Y 轴 0.02mm，Z 轴 0.01mm；重复定位精度：0.01mm。
3 、试验项目及结果
3.1 钻头直径对扩孔量的影响
BTA 钻头在加工过程中，随着刀具磨损，孔径会逐渐变小。由于设计的孔径公差范围较小（0.05mm），留给 BTA 钻头直径选择的范围也很小，既要防止首孔直径超差上限，又要兼顾刀具磨损后孔径变小超下限。图 1 为 选 用 Φ19.16/19.27/19.34/19.42mm4 种 规格钻头，加工首孔直径的扩大量。从数据看，对于直径为 Φ19.42mm 的钻头，平均扩孔量在 0.035mm 左右，个别孔达到了 0.04mm；对于直径为 Φ19.16mm 的钻头，最大扩孔量达到了 0.06mm，平均扩孔量为 0.04mm。可看出，随着钻头直径的增大，加工镍基合金的扩孔量呈下降趋势。
图 1 镍基合金材料扩孔量随钻头直径的变化
3.2 转速对加工精度的影响
使用 Φ19.16mm 的 BTA 钻头，采用相同进给速度、不同转速（800~1400r/min）钻孔时，除个别孔径达到Φ19.22mm 外，其余基本都在 Φ19.18~19.20mm 范围内波动，均可满足设计图纸的要求。对于本目标产品，可以认为在选定的参数范围内，转速对孔径基本无影响。但是随着转速的提高，孔壁的表面粗糙度明显变好。这是因为主轴转速较小时，部分切屑不是由切削刃直接切出，而是靠刀具挤压形成，导致孔壁质量差。
然而随着转速的增加，刀具磨损明显加剧。主要原因是，随着主轴转速的增大，切削过程中摩擦热产生的时间就会很短，热量来不及向切屑和刀具内部传导，从而导致切削温度升高，又因为镍基高温合金本身导热性能差，使得热量在切削位置积聚、刀具磨损加快。
3.3 进给速度对加工质量的影响
进给速度是影响深孔加工效率的主要因素，在上述选定的切削转速下，采用不同的进给速度进行试验。图 2 为采用大于 70mm/min 的大进给时切屑的形状，明显厚而且宽，还不易断屑。这是因为在转速一定的情况下，当进给速度增大时，切削深度会随之增大，切屑从工件上被切除后发生卷曲，由于镍基合金有较好的韧性，虽然切屑经历了冷作硬化，仍不易断屑，极易堵塞排屑通道。
图 3 为采用小于 70mm/min 的小进给时切屑的形状，虽然长但不易断屑，呈窄而薄的褶皱长条形态，能随着切削液顺畅的排出。而且切削平稳，避免了断屑时的冲击，从一定程度上还可提高钻头的耐用度。
3.4 钻头寿命试验
试验采用 4 支相同规格的钻头，按照相同的参数连续加工 40 孔，首孔孔径均为设计值的上限或者超过上限；随着打孔数量的增加，钻头磨损加重，使得孔径逐渐减小。对于尾孔，大部分孔径已经达到设计值的下限，有的已超过下限。
图 2 大进给时切屑形态
图 3 小进给时切屑形态
在 BTA 钻头的 3 个刀齿中，由于外齿线速度最大，因此外齿距离钻头中心最远处磨损最为严重。在导向条的磨损方面，第一导向条和第二导向条表面涂层颜色变化明显，其中第一导向条的颜色变化要小于第二导向条，并且第一导向条最顶端均不同程度的发生磨损，第二导向条的磨损不明显。
4 、结语
通过 BTA 钻头加工镍基高温合金管板孔的工艺试验，得到如下结论：
（1）BTA 钻头扩孔量随钻头直径的增加而减小，对于 Φ19.16~19.42mm 的钻头，最大扩孔量达到0.06mm，平均扩孔量约为 0.04mm。（2）相同进给速度时，800~1400r/min 的转速，对孔径影响不大，但随着转速提高，孔壁表面粗糙度变好。（3）相同转速时，随着进给速度的增加，切屑变厚而且不易断屑，易发生堵屑现象；采用小进给时，切屑呈窄而薄的褶皱型长条，可顺畅排出。（4）选用加工精度最佳的切削参数，连续加工 40孔时，尾孔已接近或超过孔径公差的下限，BTA 钻头的外刃及第一导向条磨损严重。
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