核电管板错齿BTA深孔加工的孔壁表面完整性研究_李旭波.pdf

宝鸡文理学院学报（自然科学版），第 卷，第期，第 页，年 月 （），：核电管板错齿 深孔加工的孔壁表面完整性研究李旭波，贾宝银（宝鸡文理学院 机械工程学院，陕西 宝鸡 ；陕西省机器人关键零部件先进制造与评估省市共建重点实验室，陕西 宝鸡 ）摘要：目的提高核电管板错齿 深孔加工孔壁表面质量。方法通过实验探究核电管板深孔加工孔壁表面粗糙度、显微硬度、残余应力随钻削进给量、钻削转速和钻削深度的变化规律，并揭示他们之间的内在影响机制。结果随钻削进给量的增大，孔壁粗糙度增大，显微硬度先减小后增大，残余压应力先增大后减小；随钻削转速的增大，孔壁粗糙度减小，显微硬度和残余压应力均增大；随钻削深度的增大，孔壁粗糙度增大，显微硬度减小，残余压应力先减小后增大。结论得出的 深孔加工孔壁表面完整性随钻削参数的变化规律，为精密深孔钻削工艺参数优化及加工孔质量控制提供了科学依据。关键词：深孔钻；表面完整性；错齿 钻头；核电管板中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；收稿日期：，修回日期：基金项目：陕西省教育厅专项自然科学研究项目（）作者简介：李旭波（），男，陕西武功人，讲师，博士，研究方向：精密深孔加工技术 ：核电管板是核电核岛蒸汽发生器一次侧带有放射性的载热剂与二次侧水换热的隔板，其材料为 高强度低碳合金钢，韧塑性强，且为锻件，一致性较差，并存在严重的加工硬化。管板加工的深孔孔群在完成 管束膨管后，用于一次侧载热剂和二次侧水换热，核电管板深孔加工质量影响核电蒸汽发生器的换热效率和使用寿命。深孔钻是用于加工大长径比孔的一种高效内排屑自导向深孔加工方式，作为核电管板深孔加工的主要方式，深孔钻受到了深孔加工行业的青睐，尤其是兵器、航空航天、汽车、能源设备制造等领域对精密深孔加工技术的需求日益增强。深孔加工由于排屑空间狭小且排屑距离较长，刀具却始终处于半封闭的环境中且刀具系统的刚性差，常出现断排屑困难、刀具磨损快、钻削稳定性差等问题。深孔加工是机械制造行业的实际生产中难加工工序之一，一般长径比（为孔深，为孔直径）的圆柱孔称为深孔，核电蒸汽发生器管板的深孔加工长径比超过，且对加工精度和表面质量有较高要求，导致核电管板深孔加工质量经常出现不达标，成为核岛主设备蒸汽发生器制造的瓶颈，。加工表面完整性主要包括粗糙度、表面次表层显微组织和硬度，以及表面残余应力。在核电管板深孔加工中，孔壁表面粗糙度会影响孔壁与热交换管束的实际接触面积和配合质量，孔壁金相组织和显微硬度会影响核电管孔的耐腐蚀性，孔壁残余应力会影响孔壁的使用疲劳强度。然而，深孔钻削是属于刀齿切削与导向条挤压的复合加工，依靠刀具自身的导向条来平衡刀齿切削力，实现深孔加工的自导向，因此，深孔加工质量的影响机理非常复杂。通过改变刀齿切削的角度减小刀齿切削的径向合力和刀具系统振动。针对 材料深孔钻削过程易走偏问题，通过试验研究了枪钻切削刃顶点偏移量，即内外刃宽度分 配 比 例 对 加 工 深 孔 直 线 度 的 影 响 规 律。研究了导向条的挤入倒角对深孔加工刀具系统振动的影响。深孔加工质量不仅受到刀齿切削的影响，还受到导向条与孔壁挤压的影响。研究了导向条与孔壁接触状态对膛线孔缺陷的影响，通过增加第三导向条可改善加工孔表面质量。设计了磁流变液装置来调整刀具系统的刚度和阻尼，进而来控制加工深孔圆度。设计了一种作用于钻杆和孔壁之间的楔形自定心装置来改善深孔加工的直线度。此外，深孔加工的质量除了与钻削参数有关，还与钻削深度密切相关。研究了枪钻导向条磨损、钻削轴向力与扭矩、圆度随钻削深度的变化规律。虽然学者们对深孔加工质量研究做了不少的工作，但是 深孔钻削工艺系统数据库尚不完整，并且对加工质量要求极为严格的核电管板错齿 深孔钻削加工工艺的研究更加欠缺。本文从多个维度研究核电管板深孔加工孔壁表面质量随钻削进给量、钻削转速和钻削深度的变化规律，并揭示他们之间的内在影响机制，为 深孔加工孔质量控制及工艺参数优化提供科学依据，为精密深孔加工技术的发展奠定理论基础。实验设计 核电管板深孔钻削原理第三代 核电蒸汽发生器管板深孔加工，需要在直径为 ，厚度为 的管板上均布加工 个直径为 的深孔，管板材料为 高强度低碳合金钢锻件，一侧还堆焊有约厚的 。一块核电管板深孔加工的最短周期是个月，一个孔加工达不到设计要求即导致加工的管板整体报废，而且严重影响整个核电站的建设进度。因此，核电管板深孔钻削对加工效率、加工精度及加工孔表面质量均有严格的要求。内排屑深孔钻削系统工作原理如图所示，错齿 钻头的中心齿、中间齿和外齿个刀齿错位分布，个导向条分布在钻头刀体的圆周外侧。深孔钻削由刀齿对工件材料的切削与导向条对孔壁的挤压共同完成，刀齿负责去除多余的工件材料，导向条负责平衡刀齿切削的切向与径向合力，并挤压刀齿切削形成的孔壁表面，保证加工的自定心和提高孔壁表面质量。图 深孔加工系统工作原理图 第期李旭波 等核电管板错齿 深孔加工的孔壁表面完整性研究 实验设备深孔钻实验采用的加工机床如图所示，最大钻削深度为 ，钻杆长度为 ，主轴电机为交流伺服电机，额定功率为，额定转速为 ，通过数控系统可实现深孔钻削转速 精确控制；主轴箱移动进给和工作台移动采用 交流伺服电机控制，位置精度为 ；切削液使用含有极压添加剂的深孔钻专用切削油。图内排屑 深孔钻削实验平台 深孔钻削试验的试件材质与第三代 核电核岛主设备蒸汽发生器管板的材质相同，物理机械性能参数如表所示，其尺寸参数 为 长 度 ，宽 度 ，高 度 ，核电管板深孔钻削试验的试件如图所示。实验采用的刀具为 的错齿 钻头，如图所示，其结构参数如表所示。表 物理机械性能 物理机械性能屈服强度 抗拉强度 断后伸长率范围 物理机械性能端面收缩率夏比型缺口冲击最小侧向膨胀量范围 图核电管板深孔钻削试验的试件 图 错齿 钻头 表 错齿 钻头几何参数 刀齿前角余偏角刃倾角齿宽中心齿 中间齿 外齿 导向条位置角第一导向条 第二导向条 试验设计与测试方法为了研究钻削进给量、钻削转速以及钻削深度对加工孔质量的影响，采用控制变量法，在钻削转速 时，进给量分别取 ，和 ；在钻削进给量 时，转速分别取 ，和 ，钻削深度 。每组实验重复次。对完成深孔钻削的核电管板试件，沿钻削深度方向在孔深分别为，和 进行切割后测量，切割试样厚度为，获得孔壁表面完整性随钻削深度的变化规律。把切割下来的试件沿孔直径水平剖开并取样测量，在 下观察孔壁的形貌，采用 沿钻削进给方向拉线测量孔壁粗糙度。采用 （）对孔壁的残余应力进行测量。最后抛光孔直径所在剖切面，采用硝酸酒精溶液对其腐蚀处理，腐蚀时间为 ，待腐蚀完成，用无水乙醇清洗后在显微镜下观察孔壁亚表层金相组织结构。并在 显微硬度仪上检测其亚表层的显微硬度分布，为了测量结果的准确性，并防止压痕打点时造成孔壁边缘区域的破坏变形，显微硬度测量时在距离孔壁 的次表层开始压痕打点，依次间隔，测量总深度为 。获得核电管板试件深宝鸡文理学院学报（自然科学版）年孔加工孔壁表面完整性随钻削参数的变化规律。孔壁表面质量随钻削条件的变化规律 孔壁表面粗糙度错齿 深孔钻削形成的孔壁不是简单的刀齿切削留下的刀痕，而是外齿定径刃留下的切削刀痕与导向条挤压完成后的综合表面。加工孔壁光洁度不仅与外齿定径刃切削的刀痕有关，而且还与导向条对孔壁挤压接触变形有关。不同钻削条件下形成的孔壁在显微镜下如图所示。在导向条未挤压之前，外齿定径刃切削形成的孔壁残留有切削的刀痕，当定径刃粘接积屑瘤后与孔壁划擦会产生较深的沟槽（见图（），孔壁粗糙度较大。当导向条与切削形成的孔壁发生挤压接触时，导向条会对孔壁产生一个熨压效果，留有刀痕的孔壁在导向条挤压作用下发生塑性流动，使得孔壁波峰位置的材料迁移填平波谷，波峰被削平，波谷被填平，降低了孔壁粗糙度。然而，如果导向条与孔壁的挤压变形量较小，就会导致孔壁的波峰、波谷未被完全削平、填满，孔壁依旧有刀齿切削残留的刀痕，只是波峰波谷的高度差有所下降（见图（）。如果导向条与孔壁的挤压变形量合适，孔壁波峰波谷被移平（见图（），孔壁粗糙度最小，同时也可以看到导向条对孔壁周向挤压的材料流动残余痕迹。但是，如果导向条与孔壁的挤压变形量过大，导向条在完成对切削形成孔壁熨压时会留下导向条自身的痕迹，形成二次波纹（见图（），又增大了孔壁粗糙度。（）刀齿切削形成的孔壁（）导向条挤压不充分形成的孔壁（）导向条正常挤压形成的孔壁（）导向条过度挤压形成的孔壁图错齿 深孔钻削不同状态下的孔壁图像 在不同钻削进给量、转速、钻削深度条件下，错齿 深孔钻削核电管板试件切割后，对孔壁粗糙度沿钻削进给方向进行拉线测量，测量时取孔深 处。不同钻削条件加工孔壁的粗糙度如图图所示。随钻削进给量和钻削深度的增大，孔壁粗糙度均增大；与钻削进给量相比，转速对粗糙度的影响较小，随钻削转速的增大，孔壁粗糙度减小。当钻削进给量增大时，错齿 钻头每转一圈沿孔壁轴线方向移动的距离增大，刀齿切削形成的孔壁波峰波谷刀痕间距增大，同时导向条与孔壁挤压的密度降低，孔壁粗糙度增大。随钻削转速的增大，钻削区域产生的热量增大，导致导向条与孔壁挤压接触区域的温度升高，孔壁材料的流动性增强，波峰材料更易填平波谷，孔壁粗糙度减小。当钻削深度增大时，导向条与孔壁的挤压接触面积减小，挤压接触应力增大，导向条挤压后孔壁的残留痕迹增大，同时随钻削深度增大，钻第期李旭波 等核电管板错齿 深孔加工的孔壁表面完整性研究杆悬长增加，钻削时刀具系统稳定性降低，孔壁粗糙度增大。图钻削进给量对孔壁粗糙度的影响 图钻削转速对孔壁粗糙度的影响 图钻削深度对孔壁粗糙度的影响 孔壁表面显微硬度金属切削加工中由于切削热的作用，切削变形区的温度会升高，加工表面层会出现金相组织的变化。在错齿 深孔钻削过程中，刀齿切削会引起孔壁金相组织发生变化，导向条与孔壁挤压时，由于接触应力和摩擦力大，导向条与孔壁接触区会产生更多的热量，使得孔壁金相组织再次发生更大的变化。对错齿 深孔钻削后的试件沿孔中线剖开，得到孔壁的亚表层区域。显微镜下观察获得错齿 深孔钻削形成的孔壁亚表层金相组织结构，如图所示。图加工孔壁显微组织 孔壁的亚表层出现了晶粒细化区，并且其厚度较大。晶粒细化层也称为白层，该区域的金属晶体结构在塑性挤压变形和高温条件下会出现晶粒细化形成致密且硬度较高的变质层。在错齿 深孔钻削中，当外齿定径刃切削孔壁时，会出现加工硬化，而导向条与孔壁挤压接触区域的最高温度可达 ，超过金属的相变临界温度，同时错齿 钻头处于高压切削油中，在导向条离开该质点后，孔壁的挤压变形区就会出现淬火，导致孔壁表层的硬度再次增大。在钻 削 转速 ，进给 量 ，钻削深度 下，孔壁亚表层显微硬度随测量距离的分布如图 所示。孔壁的最大显微硬度约为基体材料硬度的 倍，硬化层深度约为 。图 孔壁显微硬度沿测量深度分布规律 与硬化层深度相比，在错齿 深孔加工中更加关注孔壁表层的显微硬度。不同钻削条件下，错齿 深孔钻削核电管板试件孔壁的显微硬度如图 图 所示。随钻削进给量增大，孔壁显微硬度先减小后增大；随钻削转速增大，孔壁显微硬度增大；随钻削深度的增大，孔壁显微硬度减小。宝鸡文理学院学报（自然科学版）年图 钻削进给量对孔壁显微硬度的影响 图 钻削转速对孔壁显微硬度的影响 图 钻削深度对孔壁显微硬度的影响 当钻削进给量较小时，由于刀具与工件材料的挤压特性大于切削特性，孔壁显微硬度较大；随进给量的增大，刀具的切削性能增强，孔壁显微硬度减小，当钻削进给量进一步增大时，刀齿切削力和导向条承受的正压力增大，导向条与孔壁的挤压变形增大，孔壁显微硬度增大。当钻削转速增大时，钻削变形区产生的热量增大，使得晶粒细化程度增大，孔壁显微硬度增大。而随钻削深度的增大，导向条与孔壁挤压接触面积减小，导向条外表面形成动压油膜的面积增大，导向条与孔壁摩擦减小，产生的热量减小，显微硬度降低。孔壁表面残余应力残余应力是消除外力或不均匀的温度场等作用后，仍留在物体内自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺因不均匀塑性变形或相变均可能引起残余应力。对于不同钻削条件下核电管板试件完成剖切后，孔壁的残余应力