□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(zhì)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(fā)生質(zhì)量缺陷。由于鉆孔是在封閉或半封閉狀態(tài)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(shè)備、刀具及質(zhì)量管理方面對產(chǎn)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(chǎn)生。

汽水分離再熱器（MSR）是常規(guī)島二回路“四器一冷”設(shè)備中最重要也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的設(shè)備，在輕水堆核電站（壓水堆或沸水堆）中，經(jīng)過透平機的蒸汽處于飽和狀態(tài)并且壓力較低（5～7 MPa），在經(jīng)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(xù)膨脹而不采取任何特殊的預(yù)防措施，再經(jīng)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(zhuǎn)子的損壞。因此，在蒸汽經(jīng)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(shè)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(shè)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(zhì)為SA-350LF2CL2，厚度一級/二級為350/450（+9 mm堆焊層）。MSR管板鉆孔工序?qū)讖焦?、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(guān)鍵工序。在鉆孔過程中常見的缺陷主要有：粗糙度超差、孔內(nèi)壁劃傷或環(huán)形溝槽缺陷、孔垂直度超差、孔橋尺寸超差、孔內(nèi)徑超差等。其中孔內(nèi)壁環(huán)形溝槽缺陷雖偶有發(fā)生，但該缺陷不能返修且影響后續(xù)換熱管的脹接質(zhì)量，下面進行重點分析。

1 問題發(fā)現(xiàn)

某制造廠在加工MSR一級管板時，編號為H12-8的孔內(nèi)產(chǎn)生一個環(huán)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(chǎn)生的積屑瘤，是導致環(huán)狀溝槽缺陷產(chǎn)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(chǎn)生溝槽缺陷的原因。該管板深孔鉆工藝采用意大利三軸數(shù)控鉆床，鉆頭為日本BTA系統(tǒng)鉆頭。

圖1 溝槽缺陷圖

BTA（Boring and Trepanning Association）系統(tǒng)又稱內(nèi)排屑高效率鉆削法，屬于內(nèi)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(jīng)鉆桿內(nèi)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(huán)形間隙中，流入切削區(qū)，然后和切屑一起從鉆桿的內(nèi)孔中排出，從而保證切屑不會劃傷工件內(nèi)壁。

圖2 切削液和切屑排出示意圖

2 積屑瘤形成原因

根據(jù)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(chǎn)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(nèi)部晶格之間的結(jié)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(nèi)壁產(chǎn)生環(huán)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(tài)的不同，以及被加工件材料的應(yīng)力應(yīng)變不同，導致切屑形態(tài)也不同，可歸類為4種基本形態(tài)。

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(fā)生連續(xù)而穩(wěn)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(nèi)表面也?？梢娒黠@裂紋。形成機理上的特點是，在切削力作用下，發(fā)生周期性但不連續(xù)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(guī)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(tài)，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(yīng)力增大，同時由于切削溫度升高，又使前刀面上的剪應(yīng)力略有降低，因此摩擦因數(shù)隨之減小，剪切角增大，變形因數(shù)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(nèi)，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(shù)減小。當切削速度提高到一定數(shù)值后，積屑瘤隨切削速度提高而減小，相應(yīng)地刀具工作前角又隨之減小，因此又使變形因數(shù)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(zhì)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(yè)的發(fā)展，刀具材料也高速發(fā)展，其中硬質(zhì)合金涂層材料在切削刀具材料發(fā)展中一直處于主導地位。國外許多廠家現(xiàn)已研究了中低溫CVD涂層，其厚膜結(jié)構(gòu)消除了在涂層過程中所產(chǎn)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(xù)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(zhì)越穩(wěn)定，則刀-屑間的粘結(jié)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?shù)毒卟牧吓c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(shù)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(guī)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(zhì)量缺陷。

3.4 排屑的影響

由于采用內(nèi)排屑法進行鉆孔，因此，順暢排屑是非常關(guān)鍵的因素。

3.4.1 切削液的作用

①冷卻切削產(chǎn)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(chǎn)生積屑瘤有重大影響。

3.4.2 切屑的影響

在切削轉(zhuǎn)速和進給量一定的前提下，鍛件金相組織越均勻，其產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)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?shù)脑O(shè)備和工裝

MSR管板鉆孔采用意大利生產(chǎn)的三軸深孔鉆床，參數(shù)如圖5所示。

數(shù)控三軸深孔鉆床（意大利生產(chǎn)）型號：FMM5353；

主要參數(shù)：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(shù)控深孔鉆床采用了如下報警系統(tǒng)：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?？紤]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(fā)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(diào)節(jié)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(xiàn)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(tǒng)的觀察、跟蹤、控制，關(guān)注扭矩、軸向力、鉆孔深度、頂緊力等參數(shù)的變化情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處置，防止鉆孔缺陷發(fā)生。

4.2 選擇適當?shù)那邢鲄?shù)

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(zhì)的差異性，在工藝評定范圍內(nèi)，對切削參數(shù)進行微調(diào)，以達到最佳鉆孔效果?？紤]到管板進行調(diào)質(zhì)熱處理后，管板表面與內(nèi)部存在硬度的不均衡性，要求在轉(zhuǎn)速一定的前提下，從管板一次側(cè)面試鉆時，采用小進給的方式；對中心區(qū)域，由于硬度差異，可適當提高進給量。同時要考慮到材質(zhì)的差異性，適當調(diào)整切削參數(shù)，轉(zhuǎn)速的變化幅度一般控制在0～50 r/min范圍內(nèi)。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(nèi)表面。觀察切削液壓力變化情況，當發(fā)現(xiàn)有油壓下降現(xiàn)象時，要及時停止鉆孔，檢查設(shè)備狀況，消除設(shè)備故障，保障鉆孔安全。

4.3 按規(guī)定更換鉆頭

一個鉆頭鉆滿10個孔時，操作者應(yīng)對BTA鉆頭做一次VT檢查，若此時發(fā)現(xiàn)BTA鉆頭已磨損，應(yīng)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(guān)的檢查（孔徑、孔橋尺寸及粗糙度），若發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正，保證鉆孔精度。

5 結(jié)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(huán)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(guān)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(chǎn)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(nèi)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(shè)備采購與監(jiān)造管理