奥氏体不锈钢薄板管孔的高速加工

GXF360 2019-11-03

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在自动化生产线中，孔加工工艺往往决定着生产的周期，而且孔加工一般在最后一道工序，因此孔加工的精度对零部件的加工质量影响很大，并影响产品的生产成本。

奥氏体不锈钢具有优良的机械性能和良好的抗腐蚀性能，因而在众多领域有重要的应用。但是，由于奥氏体不锈钢材料具有塑性大、导热性差以及加工硬化严重的特性，造成在钻削过程中切屑缠绕在钻头上难以折断排出，切削区温度过高，刀具受到很大的切削力作用，导致目前工业生产中，不锈钢的加工效率低，刀具使用寿命短。本文针对核电低压加热器不锈钢隔板管孔的钻削进行了研究，通过选用数控钻床及设计专用工装等方式有效地解决了不锈钢薄板的钻削孔表面粗糙度差、位置度差和高速振动的难题，为制造同类型产品提供了技术支持。

1. 产品结构介绍

核电低压加热器的隔板是管系的重要组成部分，其主要作用为固定换热管及引导蒸汽流动。某型号汽轮机低压加热器不锈钢隔板的外形如图1所示，其具体的材质、外形尺寸等参数如附表所示。本次加工的低压加热器管系隔板厚度为12mm和14mm两种， pagenumber_ebook=111,pagenumber_book=63 板管孔的数量超过2 552个。由于板厚较薄，刚性较差且形状不规则，要保证大批量管孔位置度及表面粗糙度的加工难度较大。

图1 不锈钢隔板外形

不锈钢隔板参数表

隔板材质/不锈钢隔板外形尺寸/mm 孔径/mm 桥距/mm 表面粗糙度值/μm δ12×2 060×995images/BZ_111_1727_3039_1729_3040.png304（0Cr18Ni9）φ1 8.2+0.20 +0.05 名义桥距4 ≤6.3 δ12×1 895×995 δ14×2 060×995 δ14×1 985×995

2. 摇臂钻床加工方案

我公司摇臂钻床数量较多，且操作者长期在摇臂钻床上进行碳钢隔板的加工，装夹经验及操作经验丰富，同时由于摇臂钻床操作简单，单孔的加工成本较低，综合考虑以上因素，首选在摇臂钻床上进行不锈钢隔板加工。根据碳钢隔板的加工经验，采用在数控机床上划窝，在摇臂钻床上钻铰的成熟工艺方法进行不锈钢隔板孔的加工。

“黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。”现在，你知道学习的光阴有多珍贵了吗？“一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。”时间的主人们，我们应该好好珍惜现在这样美好的时光。

数控机床的加工精度高，所划出的定位孔窝位置精度较高，但由于隔板板幅较大，壁厚较薄，装夹后平面度存在一定的误差，数控机床划窝后定位孔出现深浅不一的问题（见图2）。为了避免这种情况，在一部分隔板划窝时主动增加钻头的钻深，保证钻孔时定位准确。由于钻深的增加，隔板局部位置的定位孔出现直线段。为了验证摇臂钻床加工方案的可实施性，在摇臂钻床上钻削两种定位孔深不同的隔板，然后检测管孔的尺寸及管孔的同轴度。结果显示，两种定位孔深不同的隔板经摇臂钻床加工后，管孔孔径、桥距及同轴度偏差较大，无法满足穿管的要求。

图2 不锈钢隔板划窝

定位孔深度较浅或带有直线段，使摇臂钻床钻孔时钻头定位作用减弱，钻削过程中钻床的主轴中心不能准确的与定位孔中心完全一致，少量的定位误差使钻头变形倾斜，导致孔径及桥距偏差较大。由于摇臂钻床自身刚性较差且为手工对刀，钻孔后同一孔位在不同隔板上的偏差方向也各不相同，导致加工的隔板无法正常穿管。同时由于奥氏体不锈钢为高硬度、高韧性和低热传导率的材料，切削时产生的热量很难扩散，使刀具切削刃温度较高，而切削刃受热后加速崩刃等刀具磨损，使管孔尺寸及表面粗糙度难以保证，既缩短了刀具的使用寿命又降低了管孔的加工质量。

普通摇臂钻床设备精度低，对操作人员技能要求高，操作过程中人为造成的偶然因素较多，管孔质量不稳定，无法满足产品制造统一、恒定和稳定的要求，且摇臂钻床钻孔劳动强度大、效率低。为了避免出现质量问题，不宜选择摇臂钻床加工不锈钢隔板的管孔。由于普通摇臂钻床不能实现数控定位，且麻花钻的刚性及耐磨性较差，加工的底孔位置度、垂直度以及圆度均难以保证，因此我公司进行在数控机床上进行隔板孔钻铰一次成形的试验加工方案。

3. 数控钻床加工方案

数控钻床相比摇臂钻具有加工与重复定位精度高、自动化程度高及加工效率高等优点，因而逐渐应用于加工管孔尺寸精度较高的产品。为了提高不锈钢隔板孔的加工质量，选择在中捷机床厂制造的数控双头钻上进行钻削试验。数控双头钻床的刚性好、定位精度高且主轴转速快，能有效保证管孔的尺寸精度、位置精度及粗糙度。

4.可持续发展的原则。在进行环境设计中不仅要满足当代人的需求，同时也要最大限度地为后人保留资源。因此，在进行民俗环境设计中需要在生态平衡的基础上保护自然环境，不对自然环境进行破坏，同时在进行民宿景观设计中要本着生态可持续发展的原则，展现出完整的景观。在选择民宿住房时要符合当地的需求，尤其是进行特色民宿环境设计，设计师必须要将人为的建筑与自然景观之间融合在一起，尽可能的就地取材，使用天然的材料。从当前我国旅游发展的实际情况来看，在进行环境设计中需要充分的利用乡土资源来进行民宿设计，可以有效地降低建设的成本，减少对生态环境的破坏，使人工建筑与自然环境之间能够更加贴切。

不锈钢加工时存在切屑强韧、切屑温度高和断屑困难等问题，我公司选择了山特维克可乐满CoroDrill 880型刀具（见图3）进行隔板孔加工，880型刀具使用带内冷孔的钻头及带涂层硬质合金的刀片。钻孔时内冷却能降低刀具及工件的温度，提高钻头的切屑能力，保证管孔的质量。而硬质合金刀片具有高温硬度高、氧化温度高、摩擦系数小及导热率低等优良特性，非常适合高速切削加工，同时每个刀片带有4个切削刃，降低了加工成本。

综合考虑数控机床及钻孔刀具的性能，同时结合不锈钢材料的加工特性，我们确定了隔板的钻孔参数：转速为2 000r/min，进给速度为160～200mm/min。高速切削时存在切削力大、加工薄板易振动等问题，对刀具寿命及产品加工质量有严重影响，因此加工过程中要保证刀具充分的冷却且排屑顺畅。

图3 钻孔刀具

（1）无工装加工方案。数控机床、钻孔刀具及加工参数确定后，按图4所示的方式装夹不锈钢隔板。在机床平台上布置若干支座，然后将隔板吊装在支座上，支座和隔板之间用垫木板隔开，最后在隔板四周打压板进行固定。

隔板装夹完成后，操控机床开始钻孔，每加工50个管孔就停机用塞规检查管孔尺寸，同时根据切削刃的磨损情况决定是否转换新刃口。隔板孔钻削完成后，在拆除压板前对管孔的尺寸进行测量，孔径和桥距均达到设计要求，且管孔内表面粗糙度较好。由此可见，数控机床加工方案满足不锈钢隔板的质量要求，管孔的加工参数较理想，刀具的可靠性及经济性较高。

图4 不锈钢隔板加工

图5 隔板变形图

不锈钢隔板拆除压板后的变形情况如图5所示。由于隔板板厚较薄，自身刚性较差，加之底部支座不能完全支撑隔板的各个位置，使得隔板局部区域的刚性不足，而机床加工时隔板不断受到轴向力的冲击，当隔板装夹在支座上同时四周固定时，塑性变形不明显，而当去除压板且加工应力释放后，隔板随即产生了较大的变形。

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将变形后的隔板在油压机上校型后，部分管孔成椭圆形，塞规通端无法插入，因此钻削后塑性变形较大的隔板仍然无法应用于穿管。为了减小隔板的加工变形，我们将在隔板加工时引入防变形工装以增强刚性。

（2）防变形工装加工方案。为了解决隔板孔加工时支撑不足的问题，设计了如图6所示的刚性胎板（胎板材质Q235-B，厚度40mm），根据不锈钢隔板的外形尺寸及开槽的位置，在胎板上加工了2个φ30mm的通孔及27个M20的螺纹孔。φ30mm的通孔用于插入定位销以限制隔板的装配位置，M20的螺纹孔用于布置压板固定隔板的四周。

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装夹时先用支座和压板将胎板固定在机床平台上，然后通过定位销及小型压板将隔板固定在胎板上，为了防止材料污染，碳钢胎板与不锈钢隔板间用2mm厚的黑胶皮分隔开，如图7a所示。隔板装夹好后，按拟定的工艺参数进行钻削，其加工过程如图7b所示。由于胎板及橡胶皮的使用，使得原来单板钻孔的方式变成了叠板钻孔的方式，加工难度增大。而880型刀具的背吃刀量有限，无法一次钻通隔板与胎板，因此设定了只钻通隔板的切削深度。经过钻削试验，发现隔板的变形得到了抑制，管孔的位置精度较高，但刀具磨损极其严重并出现不规律的崩刃，导致部分管孔的尺寸偏小，表面粗糙度较差。

图6 胎板示意

图7 隔板装夹及叠钻

不锈钢隔板装夹在胎板上后增强了自身的刚性，加工导致的变形得到了抑制，但此工艺方法加工时仍存在明显的弱点。隔板与胎板之间垫橡胶皮是为消除二者之间的间隙及防止材料污染，但橡胶皮的存在使隔板孔钻通时的切屑无法排出，并挤压刀头，使切削刃磨损严重且时常打刀，导致管孔的质量难以保证。为了解决排屑及打刀的问题，同时避免叠钻时由于装配间隙过大，系统刚性较差，切屑堵塞钻头分屑槽，导致断钻或崩刃等事故的发生，我公司对隔板钻孔进行更深入、更细致的研究。

羌族的非遗文化掺不得假。我看现在广场上的羌族舞蹈太不恰当了，原来的味道全变完了。我在羌寨跳舞从不主张放音乐，都是唱羌族歌曲的。把沙朗舞视为广场舞来跳的做法，是我无法预料和难以接受的。去年在“北川沙朗节”上，流行音乐刚一放，我觉得整个沙朗舞的味道立马就变完了。我小时候会唱几百首沙朗歌曲。我们羌族女子只要会说话就会唱歌的。网络流传的《羌魂》视频里的沙朗舞曲就是我唱的。我的原生态唱法是从妈妈、婆婆那里学来的。以前农忙时，一座山走一圈要几十公里。那时候对山歌，男女对冒火了，都要打架的，对不上就要整人。晚上两三点做完活路，要吃夜宵，夜宵吃完了，再跳沙朗舞。

（3）排屑解决方案。经过分析，发现将隔板装夹在胎板上解决了系统刚性的问题，而装配间隙及切屑挤压钻头是隔板叠钻时的新难题。为了排屑顺畅，先钻削胎板，根据隔板管孔尺寸的大小，预先在胎板上将孔区内所有的管孔加工出来，且胎板管孔的尺寸大于隔板孔，然后再将隔板装夹在胎板上钻削小孔，胎板钻孔如图8所示。

胎板管孔钻削完成后，按原来的装夹方式固定不锈钢隔板，隔板与胎板间用0.5mm的透明薄膜隔开，如图9a所示，隔板装夹后操控机床继续加工管孔区。胎板上钻大孔，隔板上钻小孔的方法使排屑顺畅，隔板钻通时切屑从胎板的大孔掉下，刀具的使用寿命得到了保证。同时由于隔板孔小于胎板孔，钻头无法接触胎板，钻削方式由叠板钻变回单板钻。

数控钻床加工后的隔板管孔如图9b所示，使用胎板装夹隔板，并在胎板上预先钻削排屑孔的工艺方法解决了低压加热器不锈钢隔板钻孔的难题，隔板的加工变形较小，管孔的尺寸精度、位置精度及表面粗糙度均满足图样要求。

由表1可知，随着沾水槽数的增加，“洗槽”水内的Cu2+增加明显，及时更换“洗槽”水很有必要，以免溶解于“洗槽”中的Cu2+被阴极板再次带入电解槽中；增加“洗槽”水温度，由原来的60 ℃增加到100 ℃，带入电解槽内的Cu2+增加。