影响凝汽器钛复合管板高速钻孔加工的关键因素

顾乃彦

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090）

影响凝汽器钛复合管板高速钻孔加工的关键因素

顾乃彦

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海200090）

某型凝汽器设备利用海水作为冷却介质，凝汽器管板采用了爆炸复合的钛复合板。对钛复合管板进行高速钻孔加工，是凝汽器制造中的难题。通过大量的工艺试验及数据分析，钛复合管板的平面度、管板加工时的装夹、选择刀具及切削参数等因素，都会影响高速钻孔的加工质量。选择适当的加工工艺，是提高钛管板钻孔质量的关键。

凝汽器；钛复合板；管板；钻孔；平面度；工艺；切削；参数

0 概 述

汽轮机的凝汽设备是凝汽式汽轮机系统中重要的组成部分。某型凝汽器用海水作为冷却水，所以与海水接触的凝汽器管板应具有很高的耐腐蚀性。钛金属是很好的抗腐蚀性材料，但用整块钛板加工成管板，材料的成本将非常高。考虑到管板水室侧直接接触海水，腐蚀性较大，需采用钛板材料防腐。在管板汽侧的腐蚀性较小，通常的碳钢材料就能满足防腐要求。因此，可用钛钢复合板替代纯钛板，从而达到降本的目的。凝汽器运行时，管子管板接头处的密封非常关键，其管孔质量的好坏对管子管板接头的密封有很大的影响。钛复合管板一般采用爆炸复合，该种材料的管孔加工特别是要实现高速加工，是凝汽器制造中的一个难题，因此，合理选择钛复合板的钻孔工艺参数，才能控制和提高管孔的加工质量。

1 复合钛管板的材料特点

钛复合板通过爆炸复合技术进行制造，爆炸复合法是利用炸药爆炸瞬间产生的巨大能量实现同类或不同金属板材接合的技术[1]。爆炸复合技术的原理，如图1所示。

图1 爆炸复合原理图

爆炸状态下材料界面的硬度很高，这与此处金属强烈的塑性变形（加工硬化）有关。进入基体金属以后硬度均降低了[2]。从图2可知，在界面区域的硬度值最高，分析其原因，是由于在结合界面处材料的塑性变形程度最大，在爆炸复合过程中，产生的加工硬化效应较大，导致该处的硬度值最高，随着与界面之间距离的增大，材料的硬度值逐渐降低，这是因为相应位置上金属塑性变形的程度逐渐减弱所致。上述两种分布形式的硬度通常高于基体金属的原始硬度。钛-钢复合界面的显微硬度分布曲线，如图2所示。

图2 钛-钢显微硬度分布曲线

大量的实践和检验数据表明，爆炸复合材料除在其结合区和基材内部发生程度不同的微观残余塑性变形外，还会在其外部发生程度不同的宏观残余塑性变形。以钛复合板为例，这种变形表现为长向和宽向尺寸的增加，以及厚度尺寸的减少，同时，还有复合板面规则和不规则的瓢曲变形[3]。

对于复合层钛金属来说，钛是较难加工的金属，影响钛材切削加工的特点主要[4]为：

（1）钛材的导热系数低，仅为钢材导热系数的一半，切削时所产生的热不能迅速消散，热量均集中在切削刃和刀面中。

（2）钛材有较高的化学活泼性，在刀具工作温度下容易与被接触的刀具材料起化合作用，导致刀刃迅速钝化。

（3）切削钛合金时，一般吃刀的抗力较大，故需保证有足够的工艺系统刚度。

（4）切屑易被黏接不易排出。钛合金的亲和力大，加之高温高压的作用，钻削时易产生黏刀现象，切屑被挤在钻头沟槽中不易排出，造成刀具黏接产生积屑瘤。

大量的钻孔试验表明，钛材、复合界面硬化层和钛复合管板不平度都对后续复合板的高速切削钻孔带来了很大的困难。钻头在钻削硬化层时，刀具的磨损很大，严重降低了刀具的使用寿命。

2 钛复合管板管孔的技术要求

凝汽器钛复合管板的管孔数量众多，从500～1000 MW机组的管孔数量范围约在6 000～15 000只孔，某凝汽器管孔的加工要求，如表1所示。某凝汽器钛复合管板的管孔布置及管孔详图，如图3所示。

表1 某凝汽器钛复合管板管孔加工要求

图3 某凝汽器钛复合管板的管孔布置及管孔详图

3 加工设备

凝汽器管板作为凝汽器设备的关键件，管孔的加工质量尤为重要。因此，需选择合适的加工设备。对于凝汽器管板这种管孔数量众多的管板的高速钻孔加工，通常采用数控多轴高速钻床，这种机床的加工精度及重复定位精度都很高，机床的钻速很高，对管板加工，可采用一次成形或多次成形，加工效率高，缺点是所用刀具为进口的高速钻，刀具成本较高。

4 影响管孔加工质量关键因素

以多轴高速钻床为例，根据大量的钻孔工艺试验及累积的钻孔加工经验，影响凝汽器钛复合管板管孔加工质量主要有几个方面的问题。

4.1 管板平面度

钛复合管板是采用爆炸复合技术制造的，整块复合板会发生一定程度的瓢曲变形（三维空间变形），即板面不平。如果是在复合板的中心起爆，则复合板的变形呈现中间低和四周高的现象。在加工中发现，管板的平面度对刀具寿命的影响很大。在管板平面度较好的情况下，管孔的加工质量较稳定，刀具寿命也得到显著提升。因此，在钛复合管板的采购要求中，增加了技术要求，要求钛复合板的平面度误差不大于3 mm/2 m，5 mm/总长度，同时，复合板应避免出现平面度突变的现象。

4.2 工件装夹及管板刚性

多轴高速钻床在钻削过程中的钻速很高，当多根钻轴同时高速切削时所产生的轴向力很大，而钛管板的长度约5 000 mm，宽约3 000 mm，厚度仅为40 mm，所以钛管板的刚性较差，在加工过程中产生的切削振动，影响了管孔的加工质量，且刀具易磨损。因此，除了在管板四周的无孔区域有压板固定工装外，还需在管孔区域，每间隔350～500 mm的区域增加支撑，如图4所示。首先应在钛管板的支撑位置处预钻支撑孔，将螺栓穿过预钻的支撑孔，将管板与机床床身固定，以增加管板在钻孔加工过程中的刚性。管孔区域的支撑孔位置，如图4所示。通过工艺试验及加工的实际情况证明，通过在管孔区域增加支撑的方法，提高了钛管板的刚性，减小了管板在高速切削下的振动，提高了钛管板的钻孔质量，延长了刀具的使用寿命。

图4 管孔区域支撑图

4 .3 刀柄

对于高速机床的主轴及钻具，必须具有极高的同心度及很好的动平衡。

弹簧夹套刀柄主要用于钻头、铣刀、丝锥等直柄刀具的装夹。夹持的范围广，但夹紧力较小，夹紧精度低，常用于夹紧Ø16 mm以下的普通钻头。

强力型刀柄用于铣刀、铰刀等直柄刀具的夹紧，夹紧力较大，夹紧精度较好。在加工过程中，强力型刀柄前端直径要比弹簧夹头刀柄大，容易产生加工时的干涉现象。

侧固式刀柄适合装夹快速钻、铣刀、粗镗刀等削平刀柄刀具。侧固式刀柄的夹持力度大，结构简单，但通用性不好，每一种刀柄只能装夹相同柄径的刀具。

通过试验，侧固式刀柄和强力型刀柄均能满足钛管仮的加工要求，但从经济性考虑，利用侧固式刀柄进行加工，加工的经济性更高。

4 .4 刀具选择及钻孔工艺

多轴高速钻床的刀具需经受高速切削，针对钛复合板材料，选用硬质合金钻头进行加工，有更好的耐热性和耐磨性，可满足高速切削钛复合板的要求。目前，加工钛复合管板时，主要采用两种方式。

（1）一次加工成形，采用可替换钻头形式的刀具，如图5所示。针对复合板材料，设置2种不同的转速与进给量，此外，由于钛材断屑困难，若断屑不良，切屑将被缠绕，影响管孔加工尺寸和粗糙度，降低了钻头的使用寿命。缠屑严重时，甚至会造成钻杆断裂。因此，对钛层加工时，采用“啄木鸟”的钻削方式，即将钛层分为几次钻削，起到断屑的作用。试验证明，这种加工方式取得了良好的断屑效果。一次成型的钻孔效率高，但刀具成本较高。

图5 可替换钻头的刀具

（2）多次加工成形，是利用浅孔钻和镗刀，分3次加工成形。第一次钻削去除钛层，第二次钻削去除余下的碳钢层，第一、二次所用刀具相同，第三次加工为镗孔，这种钻削方式的优点是刀具的成本较低，但加工时间长，加工的效率低。浅孔钻刀具和镗刀，如图6、图7所示。

图6 浅孔钻

图7 镗刀

4.5 切削参数

切削参数的合理选择对于提高钻孔质量非常重要，如果断屑不良，将造成切屑堵塞，不仅会影响管孔的加工质量，还会影响刀具的使用寿命。合理的切削参数，才能得到良好的断屑，从而得到粗糙度及孔径都合格的管孔。转速与进给量与被加工材料和钻头直径大小有关，根据各种刀具的切削参数表，查得相应材料的切削速度和进给量，并通过钻孔切削试验，确定最佳切削参数。刀具的切削参数表，如表2所示。

表2 刀具的切削参数表

对于Ø25.3钻头，加工材料为非合金钢，通过表2查得，切削速度Vc范围为80～140 m/min，根据转速计算公式：N=1 000Vc/πD，其中π—3.14；D—刀具直径；N—刀具转速。由此得出转速N为1 007～1 761 r/min。

4.6 冷却液及参数的选择

冷却液的作用是通过它和因切削而发热的刀具、切削和工件间的对流和液化作用，将切削热带走，从而有效地降低切削温度，减少工件和刀具的热变形，保持刀具硬度，提高加工精度和刀具耐用度。经过大量的试验证明，冷却液的压力不仅与钻孔直径的大小有关，还与钻孔的深度有关，钻孔深度越深，需要的冷却液压力越大，钻孔直径越大，需要的冷却压力越小，如图8所示。

图8 某刀具商推荐的冷却液流速及冷却液压力

5 结 语

通过工艺试验和加工实践表明，控制好爆炸钛复合管板的平面度，合理地装夹管板，保证管板有足够的加工刚性，选择合理的加工设备和刀具，采用最适合的加工工艺及切削参数，并保证切削时刀具能得到充分的冷却，只有控制好这些关键因素，才能确保得到高质量的钛复合管板的管孔。

[1]宋鸿玉.爆炸复合技术[J].中国钛业，2013（3）：42-44.

[2]郑远谋.金属爆炸材料复合材料的压力加工[J].钢铁研究，1999，108（3）：3-34.

[3]郑远谋.爆炸复合材料中的残余变形[J].上海有色金属，2002，23（1）：1-6.

[4]姚庆国，白龙海，闽详富，程世范.钛管板管孔加工[J].1987（4）：28-29.

Key Factors Affecting High Speed Drilling Process of Titanium Cladded Tubesheet for Condenser

GU Nai-yan
（Shanghai Power Station Auxiliary Equip，Works，Shanghai Electric Power Generation Equip.Co.，Ltd. Shanghai 200090，China）

A type of condenser which uses sea water as cooling medium and exploded titanium claded plate as tubesheet.High speed drilling such kind of material is a technical problem in condenser manufacturing.Based on the amount process test and data analysis，it is found that the flatness of titanium claded plate，tube sheet holding，proper choice of tools，process and cutting parameter etc.are the key factors which will affect the high speed drilling hole quality.Keep these factors under control will get the high quality hole which is wanted.

condenser；titanium cladded sheet；tubesheet；drilling；flatness；process.Cutting；parameter

TK264 61+1

B

1672-0210（2016）02-0016-04

2016-01-20

顾乃彦（1982-），女，本科，工程师，从事电站辅机设备冷作工艺方面的工作。