MSR管板深孔钻工艺及质量分析

□徐利军中核华电 河北核电有限公司 河北沧州 061000

MSR管板深孔钻工艺及质量分析

□徐利军
中核华电 河北核电有限公司 河北沧州 061000

在对汽水分离再热器管板进行深孔钻加工时，常发生质量缺陷。由于钻孔是在封闭或半封闭状态下进行，不能直接观察刀具的切削情况，切削热不易导出，加之排屑困难，切削效果不理想。从被加工材料、加工设备、刀具及质量管理方面对产生缺陷的原因进行分析，并且对工艺进行了改进，从而减少了缺陷的产生。

汽水分离再热器（MSR）是常规岛二回路“四器一冷”设备中最重要也是结构最复杂的设备，在轻水堆核电站（压水堆或沸水堆）中，经过透平机的蒸汽处于饱和状态并且压力较低（5～7 MPa），在经过透平机的高压缸后，蒸汽完成了第一次膨胀，此时蒸汽含有10%～15%的水分。如果继续膨胀而不采取任何特殊的预防措施，再经过透平机低压缸后，蒸汽湿度将达到20%～25%，这种过高的湿度会大大降低汽轮机效率，并会导致低压缸转子的损坏。因此，在蒸汽经过高压缸之后，进入低压缸之前，限制其含湿量是非常必要的，汽水分离再热器（MSR）的设置是必须的。

管板是MSR的一个主要部件，起支撑和固定管束的作用。MSR采用两级加热，设有两个加热器。一级加热器热源为高压缸抽汽；二级加热器热源取自主蒸汽管道的新蒸汽。一、二级管板均为锻件，材质为SA-350LF2CL2，厚度一级/二级为350/450（+9 mm堆焊层）。MSR管板钻孔工序对孔径公差、形位公差、孔桥间距以及粗糙度要求很高，制造难度大，是管板制造过程中的一个关键工序。在钻孔过程中常见的缺陷主要有：粗糙度超差、孔内壁划伤或环形沟槽缺陷、孔垂直度超差、孔桥尺寸超差、孔内径超差等。其中孔内壁环形沟槽缺陷虽偶有发生，但该缺陷不能返修且影响后续换热管的胀接质量，下面进行重点分析。

1 问题发现

某制造厂在加工MSR一级管板时，编号为H12-8的孔内产生一个环向槽缺陷，沟槽缺陷如图1所示。工艺人员对缺陷进行分析，判断为钻头刀尖上产生的积屑瘤，是导致环状沟槽缺陷产生的直接原因。机加工过程中，钻头的刀口崩刃、排屑堵塞都是产生沟槽缺陷的原因。该管板深孔钻工艺采用意大利三轴数控钻床，钻头为日本BTA系统钻头。

图1 沟槽缺陷图

BTA（Boring and Trepanning Association）系统又称内排屑高效率钻削法，属于内排屑方式，其工作原理是切削液通过受油器从钻杆外壁与已加工表面之间进入，到达头部进行冷却润滑，并将切屑经钻杆内部推出（如图2所示）。其最大特点就是将大量高压切削液压入钻杆和工件孔壁之间的环形间隙中，流入切削区，然后和切屑一起从钻杆的内孔中排出，从而保证切屑不会划伤工件内壁。

图2 切削液和切屑排出示意图

2 积屑瘤形成原因

根据材料机械性能和切削原理，在切削加工过程中，由于工件材料是被挤裂的，因此切屑对刀具的前刀面产生很大的压力，并摩擦生成大量的切削热。在这种高温高压下，与刀具前刀面接触的那一部分切屑由于摩擦力影响，流动速度相对减慢，形成滞留层。当摩擦力一旦大于材料内部晶格之间的结合力时，滞留层中的一些材料就会粘附在刀具近刀尖的前刀面上，形成积屑瘤。该积屑瘤代替切削刃进行切削，从而使孔径内壁产生环状沟槽缺陷。

3 积屑瘤形成因素分析

3.1 切屑变形的影响

在切削过程中，由于刀具切削力的大小和分布状态的不同，以及被加工件材料的应力应变不同，导致切屑形态也不同，可归类为4种基本形态。

①带状切屑。其外观特点是底面光滑，外表面呈微小的锯齿状。带状切屑形成机理是在切削力作用下，发生连续而稳定的塑性流动。

②挤裂切屑。其外观特点是外表面呈较大的锯齿形，内表面也常可见明显裂纹。形成机理上的特点是，在切削力作用下，发生周期性但不连续的塑性流动，在切削速度低、切削深度较大的条件下切削塑性材料，往往可以得到这种切屑。

③粒状切屑。外观特点是一系列互不相连且形状不规则的切屑单元。形成机理是一个随机的塑性流动过程，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，往往可得到这种粒状切屑。

④崩碎切屑。崩碎切屑是切削脆性材料时的常见形态，外观特点和粒状切屑差不多，但在形成机理上不同于粒状切屑，它的形成过程是一系列随机的脆性断裂过程。

在切削条件方面，以切削深度（进给量）对切屑变形影响最甚，当切削深度增加时，前刀面上的平均正应力增大，同时由于切削温度升高，又使前刀面上的剪应力略有降低，因此摩擦因数随之减小，剪切角增大，变形因数降低。

切削速度对切屑变形也有影响，在切削速度较大的范围内，积屑瘤随切削速度提高而增大，刀具的实际工作前角随之增大，使变形因数减小。当切削速度提高到一定数值后，积屑瘤随切削速度提高而减小，相应地刀具工作前角又随之减小，因此又使变形因数增大。

3.2 材料性能的影响

3.2.1 化学成分的影响

当材料化学成分中碳元素含量高时，材料的硬度较高、脆性大、韧性较弱、切削性能好、易排屑，积屑瘤产生几率低。虽然工件的切削性能较好，但由于脆性大，材料的整体性能下降，因此应控制碳元素值在适当范围。

3.2.2 机械性能的影响

锻件的韧性和塑性小、抗拉强度和屈服强度高，锻件硬度就大，利于切削，产生积屑瘤的几率就小。

3.3 刀具的影响

刀具材料主要是高速钢和硬质合金，此外还有金刚石、立方氮化硼等超硬刀具材料。随着工业的发展，刀具材料也高速发展，其中硬质合金涂层材料在切削刀具材料发展中一直处于主导地位。国外许多厂家现已研究了中低温CVD涂层，其厚膜结构消除了在涂层过程中所产生的裂纹，还提高了涂层的韧性和光洁度，从而改善了刀具在断续切削条件下的抗崩刃性能。

一般来说，刀具材料的硬度越高，化学性质越稳定，则刀-屑间的粘结倾向小，从而可以减轻前刀面摩擦，增大剪切角，减小切削变形。当刀具材料与工件材料是同种或同族元素时，它们之间的亲和性增大，容易造成前刀面剧烈摩擦，摩擦角增大，剪切角减小，变形因数增大，导致切削力升高，刀具磨损就严重。

MSR管板深孔钻采用日本BTA钻头［1］，如图3所示，规格为：Φ19.28 h5。为了保证钻孔精度，必须严格检查钻头的磨损状况，及时进行更换，防止因钻头磨损造成钻孔质量缺陷。

3.4 排屑的影响

由于采用内排屑法进行钻孔，因此，顺畅排屑是非常关键的因素。

3.4.1 切削液的作用

①冷却切削产生的热量；②带走切屑；③润滑导向块；④润滑切削刃口。

图3 BAT钻头外形图

切削液压力大小对能否顺畅排屑、对是否产生积屑瘤有重大影响。

3.4.2 切屑的影响

在切削转速和进给量一定的前提下，锻件金相组织越均匀，其产生的切屑越短。切屑越短，越利于排屑。因此，要注意观察出屑状况（如图4所示），当发现出屑不畅或切屑较大时，要及时查找原因进行解决。

图4 切屑外形图

4 改进措施

以上分析了管板深孔钻时发生沟槽缺陷的多种因素，针对不同情况，采取以下措施进行改进，以达到控制和消除缺陷的目的。

4.1 选择适当的设备和工装

MSR管板钻孔采用意大利生产的三轴深孔钻床，参数如图5所示。

数控三轴深孔钻床（意大利生产）型号：FMM5353；

主要参数：X轴最大行程为4 000 mm；Y轴最大行程为3 500 mm；最大钻孔深度为1 100 mm；钻孔直径为12～40 mm。

该数控深孔钻床采用了如下报警系统：①扭矩控制报警；②轴向力控制报警；③钻孔深度控制报警；④顶紧力控制报警。考虑到管板在钻孔时，管板承受轴向力和扭矩，加之管板直径较大，加工周期长，要使工件在整个加工过程中不发生位移，须采取将管板组件放在钻孔专用工位，并固定在深孔钻背板上，详细布置及工位如图5所示。底部附件的螺栓暂不拧紧，在调节完成后拧紧，从而保证工件在机加工过程中的定位精度，减少钻孔时的位移现象，保证钻孔精度。

图5 管板装卡图

在钻孔过程中加强对报警系统的观察、跟踪、控制，关注扭矩、轴向力、钻孔深度、顶紧力等参数的变化情况，发现异常及时处置，防止钻孔缺陷发生。

4.2 选择适当的切削参数

对每块管板，在正式钻孔前要用试验件进行试钻孔，针对每个管板锻件材质的差异性，在工艺评定范围内，对切削参数进行微调，以达到最佳钻孔效果。考虑到管板进行调质热处理后，管板表面与内部存在硬度的不均衡性，要求在转速一定的前提下，从管板一次侧面试钻时，采用小进给的方式；对中心区域，由于硬度差异，可适当提高进给量。同时要考虑到材质的差异性，适当调整切削参数，转速的变化幅度一般控制在0～50 r/min范围内。注意观察切屑成形状况，当切屑过大时，要及时降低进给量，以防排屑不畅，造成切屑堵塞，划伤孔的内表面。观察切削液压力变化情况，当发现有油压下降现象时，要及时停止钻孔，检查设备状况，消除设备故障，保障钻孔安全。

4.3 按规定更换钻头

一个钻头钻满10个孔时，操作者应对BTA钻头做一次VT检查，若此时发现BTA钻头已磨损，应及时更换。每个钻头钻第一个孔和最后一个孔时，都要做相关的检查（孔径、孔桥尺寸及粗糙度），若发现偏差及时纠正，保证钻孔精度。

5 结束语

MSR管板在深孔钻机加工时，由于刀刃积屑瘤、刀具崩刃、切屑堵塞等原因，造成的管孔环状沟槽缺陷，既有它的偶然性，也与机加工过程中的控制方法有一定关系。通过上述分析和提出的改进建议，对今后管板深孔钻机加工提供一些参考，以减少此类缺陷的产生。

［1］李国良，孙烈汀.提高进口BTA钻头钻孔一次合格率［J］.电站辅机，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.

深孔钻；内排屑深孔钻；积屑瘤

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

TG31

B

1672-0555（2015）04-011-04

2015年8月

徐利军（1972年-），男，大学本科，高级工程师，主要从事核电站设备采购与监造管理