825镍基合金空冷器丝堵管箱机械加工研究

张丹丹 张伟健 汤恒木

【摘要】丝堵式管箱是丝堵式空冷器管束的关键部件，由于其特殊的产品结构和较高的精度要求，给机械加工过程造成很大困难，而Incoloy 825材料又存在塑性變形大、切削力大、刀具的铣削磨损a快、加工硬化现象严重等多重因素，更造成管箱的机械加工难度，本文针对这一系列问题，从板材坡口的铣削加工、成品管箱管板与丝堵板的机械加工中出现难点问题进行的研究，通过不断试验改进，最终解决问题，使管箱加工达到图纸设计要求。

【关键词】Incoloy 825材质丝堵管箱；坡口加工；管孔、丝堵孔加工

1、Incoloy 825镍基合金的物理和化学性能

镍基合金是化学、石油、有色金属冶炼、航空工业、核能工业领域中耐高温、高压、高浓度等各种苛刻腐蚀环境中较理想的金属材料。Incoloy 825合金由于富含Cr、Mo、Cu，对氧化性酸和非氧化性酸均有良好的耐腐蚀性能。尤其对硫酸具有极高的耐腐蚀性。由于Cr、Mo、Ni含量高，在氯化物环境下的耐点腐蚀性能、耐间隙腐蚀性能、耐应力腐蚀开裂性能优异。Incoloy 825合金将碳含量控制在极低水准，焊接时不易敏化，且晶间腐蚀敏感性较低。

Incoloy 825合金镍含量为38-46%，其余主要元素有Fe、Cr、Mo等见下表。镍基合金应用广泛，主要原因在于，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的 A3B型金属间化合物γ[Ni3（Al，Ti）]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。由于Incoloy 825含有大量的多种合金元素形成了复合碳化物，其合金化程度很高，使基体的强化效果好，合金的热稳定性高，其机械物理性能见表2；Incoloy 825固溶处理后，组织和性能会更好，一般使用状态经过固溶处理，固溶处理后会形成很稳定的碳化物和特殊碳化物，其共同点是熔点低、硬度低、稳定性好。这些碳化物既难溶于晶格中，又难于使晶粒聚集长大，并弥散状分布在晶界处，阻碍晶界滑动与漂移，使该合金的强度、硬度、耐热性得到很大的提高。正由于这些特殊的性能，对其进行加工变得极其困难。

2、Incoloy 825镍基合金加工性能分析

镍基合金由于自身较高的强度和一定的抗氧化腐蚀能力，在石油、化工、电力等各种耐腐蚀环境中应用较为广泛，但由于该材料本身切削温度高，在高温区易与刀具材料发生非常强烈的化学反应，而且容易产生加工硬化现象，因此，被认为是比较典型的难切削材料，坡口铣削、刀具选取成为难点之一；

丝堵管箱制作工艺复杂，尤其是管孔与丝堵孔分别在相对的管板与丝堵板上，两者间距206 mm，管孔尺寸为Φ25.25 + 0.15 mm，丝堵孔加工到Φ28.2 mm，管箱上丝堵孔与管孔的同轴度为0.5 mm，管箱上相邻两孔中心距允差为±0.5 mm，任意两孔中心距允差为±1 mm，丝堵孔锪孔的深度为1.7 mm，直径Φ37 mm， 锪孔的表面粗糙度为1.6，锪后的密封面不允许有横纹，斑痕和贯通的刻痕，Incoloy 825加工时存在切削力大，粘刀等问题，因此要保证其加工精度要求，加工管孔、丝堵孔成为难点之二。

3、研究对象的提出

我们研究是在型号为GP12×3.5-6-296-20.5S-23.4/DR-Ⅲf Incoloy 825空冷器上进行的，该空冷器设计压力为25.4Mpa，管箱焊接采用坡口形式为U型坡口，板周边余量5mm，铣削坡口宽度为36mm，深度为8mm，加工余量大；该合同管箱共计648个孔，其中一半为管孔需要钻、扩、半精铰孔及精铰孔、一半为丝堵孔需要钻、扩、攻丝、锪平密封面等工艺过程。由于设计结构复杂、材料特殊、加工精度要求严格，在加工过程中会存在多重难题，解决好这些难题是空冷器实现设计要求的必要前提。

以下分别对坡口加工、管孔、丝堵孔加工中出现问题进行描述、原因分析并提出解决措施。

4、问题产生原因及解决措施

4.1 坡口加工出现问题及解决

4.1.1 坡口加工过程中，主要出现以下几种问题

铣削过程中，板的塑性变形很大。在板材铣削过程中，板材出现不同程度的弯曲（俗称镰刀弯）；

刀具磨损过快。由于镍基合金的材料特性，加工过程中出现刀具机械磨损、粘刀严重、刀具崩刃、片状剥落等多种现象，刀具使用寿命极低；

加工硬化现象严重，易生成积屑瘤而使加工表面恶化。通过硬度分析加工前后加工表面硬度，发现镍基合金加工时其表面硬化程度为母材硬度2-5倍。

4.1.2 出现以上问题原因分析

切削力较大。镍基合金其单位切削力比45钢高25%；

切削温度高。在相同条件下，切削温度约为45钢1.5-2倍，切削过程中，硬质夹杂物易与刀具发生粘接，使刀具耐用度降低；

刀具材料、刀具几何参数、切削用量选用不合理，造成切削中途刀具失效，无法继续进行。

4.1.3 问题改进与解决

根据以上问题的分析，在铣削过程中，由于材料的特殊性，铣削力大，切削热高，造成了零件的塑性变形与表面硬化，同时也造成了刀具与切削界面的粘接磨损，针对以上分析，我们采取以下措施：

在切削过程中，选用合适的切削液进行充分的润滑、冷却，减轻摩擦，减小切削力，降低切削温度，提高刀具的耐用度；

选择适用于加工高温镍基合金材料的刀片，在试验中，我们先后选用三个刀具厂家几个不同型号刀具进行了工艺试验，最终选择山特维克可乐满刀片型号为RCKT1204MO-PMS30T和RCKT1606MO-S40T，满足加工要求，提高刀具的耐用度；

选择合适切削用量；在大量实验基础上，根据机床特性，我们选择最大切削速度62m/min，进给速度150mm/min，吃刀量2mm。

4.2 Incoloy 825管孔、丝堵孔加工过程中出现问题及解决措施

4.2.1 本台空冷器管束采用强度焊加贴胀，在加工孔的过程中主要存在以下问题

管孔、丝堵底孔加工过程中，孔内出现椭圆、棱边现象；

丝堵孔攻丝后出现个别孔止规止不住现象；

丝堵孔密封面上出现横纹、斑痕。

4.2.2 问题的原因分析

分析孔加工过程中出现问题，主要有以下几种原因：

管孔、丝堵底孔加工过程中出现椭圆、棱边现象。通过跟踪车间生产、做大量实验，发现出现此现象主要有以下几方面原因造成：管箱高度高，使用加长钻头，钻出底孔出现倾斜现象；转速选择不当；进给量大；钻头磨偏等几个方面原因；

丝堵孔在加工过程中，出现个别孔止规止不住现象。丝孔止规止不住主要由于中径过大。攻丝时操作不当；丝锥夹持不同心，丝锥跳动；攻丝时粘屑等都会造成中径大；

丝堵孔密封面上出现横纹、斑痕。在加工中刀杆过长、主轴震动、零件没压实等等都会影响密封面质量。

在实际的加工中，由于操作工责任心不强，机床精度等等原因会造成加工时出现一系列问题，这些问题说明操作者不仅要不断加强学习，还要掌握机床特性，通过不断学习、不断实践创新，提高自己的技术水平，发现问题、解决问题。

4.2.3 问题的解决

⑴密封面出现问题。零件装夹必须放平、压实，选择合适的机床转速和进刀速度，采用特制的刀杆，刀杆不能过长，避免加工过程中出现质量问题。

⑵止规止不住问题。增加相关工序，控制螺纹底孔；选用防粘接切削油，避免丝锥粘屑；加工工件前调整好丝锥与夹头间隙，保证攻丝时中径尺寸。

⑶孔出现椭圆、棱边现象。控制铰孔余量，避免余量过小，导致铰孔铰不净；增加工序，控制铰孔前道工序孔尺寸；将铰孔进给量设置到0.1mm/r，控制铰孔质量。

我們解决Incoloy 825镍基合金管箱加工过程中出现难点问题，保证产品质量，对影响难加工材料的各方面因素进行全面、综合研究，掌握加工过程中切削参数，为后续Incoloy 825镍基合金加工奠定基础。