超厚管板深孔加工工艺的研究及应用

廉松松,关庆鹤,2,王立昆,2,李国骥

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046；2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046)

0 引言

高压加热器是电站辅机的重要设备，体积大、结构复杂、设计温度和压力高，介质为高温高压蒸汽和水，随着发电设备向大型化发展，其主要参数也随之提高。本文所研究的蒸汽冷却器管板厚度超过1 m，该产品孔的尺寸精度、位置精度和孔径表面粗糙度都有很高的要求。这些都给超厚度管板管孔的加工带来了很大的困难，此外，设备现场安装周期还对产品的生产进度提出了很高的要求。本文介绍超厚管板深孔加工工艺的研究及改进，并对其进行优化，在制造质量和经济效益方面提出较为可行的方法。

1 结构特点与技术要求

1.1 结构特点

管板孔加工质量难以保证。由于管板孔尺寸接近设备加工能力极限，设备能力、工况或加工过程中刀具磨损，会导致管板孔区加工超差，影响管板强度、穿管进度及管板与管子焊接、胀接质量。

1.2 技术要求

管板与管孔结构见图1，其技术要求如下。

图1 管板结构及孔群示意

(1)管孔基本尺寸为∅16.08 mm，公差为±0.05 mm。

(2)管孔内壁粗糙度为Ra6.3 μm。

(3)管孔排布为正三角形，相邻孔中心距尺寸为20.64 mm。

(4)管板钻孔后超过96%的孔桥宽度必须≥2.972 mm，允许的最小孔桥宽度(小于4%的孔桥数)为2.286 mm。

2 难点分析与加工工艺

对于管板孔群加工，需进行加工试验，调试设备状态，制定合理的加工参数，但由于管板厚度1 030 mm，接近设备加工能力极限1 050 mm，实际加工时可能因设备、工装、刀具、装夹状态等因素，大概率出现管板孔加工超差，且由于管孔数量大，管孔加工超差可能多次出现[1-2]。

2.1 加工难点

深孔加工技术广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。由于产品需求多样化和小规模化，小直径深孔加工变得越来越普遍。大长径比深孔加工一直是技术难题，具体如下。

(1)深孔加工过程处于封闭加工状态，无法直接观测刀具的切削情况，只能凭工作经验，通过切削声音、切屑、机床或工件的振动、仪表来判断切削过程是否异常[3]。

(2)排屑、冷却困难，小而深的孔导致冷却液不容易到达切削区域，导致切削温度升高、刀具耐用度下降。

(3)加工过程中刀具一旦发生磨损，或者锻件中具有硬点、热处理材料力学性能不不均匀等问题，将会引起钻削过程中切屑的变化，影响孔的加工质量。

2.2 加工工艺

(1)控制好设备环境温度不得低于10 ℃。

(2)采用专用型号切削油，满足深孔加工过程中高压、大流量的需求。

(3)BTA钻头、钻管在检验合格后发放到分厂，每个钻头、钻管都应有检查记录表。

(4)管板钻孔前确认设备静态精度、工装精度满足钻孔要求。

(5)制定设备与工具工装产前检验确认项目，保证设备加工过程中上述因素不会影响到产品的加工精度[4]，检验项目见表1，全部合格后进行钻孔试验[5]。

表1 检验项目、检验周期及合格标准

3 工艺试验与工艺改进

3.1 工艺试验

根据制定的工艺方案开展工艺试验，以验证前文所述各种措施的有效性和不足，采用试样尺寸为300 mm×400 mm×1 030 mm，设定钻打孔数量为85个。经试验发现，出钻面存在孔桥超差，并且存在钻头崩刃的异常情况。试验过程中还发现导向套接触试样时侧向移动，前后试件与弯板一同移动；钻头刚开始钻孔的瞬间，下半块侧向晃动，上半块侧向剧烈晃动，而前后无变化，说明试样上半区未装夹牢固(见图2)。

图2 试样装夹方式及工艺试验过程

数控程序是数控加工的核心内容，选用设备配套编程软件编制数控程序，编制上述程序后，使用其仿真功能模拟加工过程，并检查有无过切及干涉、撞刀(见图3)等情况，确认无误后，通过后处理器输出数控程序。经过仿真并结合设备前端尺寸进行放样发现两个问题:一方面加工过程中与管板边缘干涉概率大；另一方面，程序排布存在主轴直接运行到管板外边缘的情况发生，前者造成设备碰撞、损坏设备，后者造成无法采用多轴加工，而使用单、双轴加工则极大地降低了生产效率。

图3 工件干涉示意

3.2 工艺改进

原试样的装夹方式利用粗管子支撑，背侧与弯板夹紧，此方法装夹系统不稳固，钻孔时会产生不可避免的颤动，导致背侧孔桥超差。改进试样装夹状态，利用2块锻件余料焊至试样中部位置，作为试样两翼压紧在弯板上，再用4块方箱支撑(见图4)，6个自由度完全约束，装夹状态稳固[6]，深孔钻试验效果良好，经检测仅导向套与试样顶紧后弯板移动0.005～0.015 mm。

图4 改进后的装夹方式

按照起钻面为平面的管板进行编程，可以不需要进行轨迹规划，但对于本文所述具有较高边缘的管板起钻面，三轴同时加工则需要进行轨迹规划。数控编程软件具有很强的轨迹规划功能，完全可以免去手工编程繁琐的计算。因此根据积累的相关经验，确定了左右分区的编程方式，然后分析编程软件功能，对编程过程中孔群对各主轴的运行区域进行了限制，实现了多主轴同时加工，并且各主轴均不与管板边缘进行干涉的程序编制(见图5)。

图5 程序运行轨迹示意

4 产品加工

4.1 准备工序

(1)管板堆焊、热处理、车加工(起钻面要求粗糙度达Ra3.2 μm，平面度≤0.1 mm),所有检验合格后进入钻孔工序;

(2)V形架支架与底座焊牢，防止窜动；

(3)根据起钻面位置放样，将弯板、方箱、V形架按图6依次放置在深孔钻平台上；

(4)弯板找平，保证两弯板平面度≤0.1 mm，然后与平台预压紧，弯板与平台T形槽相交的每个位置均用压板或T形螺栓把紧，弯板背侧用顶丝垫铁顶紧;

(5)管板水平方向和垂直方向使用千斤顶调整找正，保证四中心线公差在0.50 mm范围之内;

(6)管板调整合格后把紧所有螺栓，再用链条拉紧;

(7)管板压紧后再重复检验调整，管板实际装夹状态见图7。

图6 深孔钻管板装夹示意

图7 管板实际加工示意

4.2 加工过程控制

(1)确认深孔钻必须处于正常的运行状态。正确更换安装工装附件，并调整使其处于正常的状态[7]。

(2)为确保钻孔程序的正确性，管板钻孔前,深孔钻先进行程序验证，程序合格后将钻头导向套置于管板表面，进行逐个压孔，按程序试加工，由检查员按管板图纸逐项检查全部孔数、孔位和孔间距等,无误后再正式钻孔。

(3)每天钻孔后,检查并记录当天钻孔情况。

(4)按照工艺试验测算的寿命进行更换钻头,对异常情况进行记录；

(5)要求操作者对当班的所有钻孔都进行自检，注意孔桥异常情况。

(6)在出现例如BTA钻头损坏、突然断电、加工问题等情况时，在再次开始钻孔操作之前，必须要再次确认设备及钻头的位置，以保证钻孔的正确性。

4.3 加工参数的选择

BTA深孔钻的主要加工参数是主轴转速、主轴进给和冷却液流量。加工参数选取不合适会影响排屑效果、刀具寿命，最终影响管孔的精度及加工效率[8-9]。根据产品材质、孔径，初步确定切削速度、进给及流量，试验中通过排屑确定合适的切削用量，既能保证管孔精度(包括直径、粗糙度、直线度[10-11])，又能实现良好的加工经济性，达到较高的加工效率与理想的刀具使用寿命，加工参数见表2。

表2 BTA深孔钻的主要加工参数

4.4 检查结果

共计钻削7 468个管孔，检测结果如下：

(1)所有管孔孔径范围16.07～16.13 mm，合格率100%；

(2)管孔内壁表面粗糙度<3.2 μm，合格率100%；

(3)管板背侧孔桥宽度<2.286 mm的情况出现1例(为1.9 mm)，其余孔桥宽度均>3 mm，合格率99.993%。

5 结语

该蒸汽冷却器管板管孔深度接近设备极限，管孔数量多，孔径小，深孔、精度要求高，属行业内难度很高的深孔加工产品。先后解决了细长试样装夹技术改进、超厚管板装夹系统稳定度优化、消除加工程序干涉、多轴加工微共振等多项难题，最终顺利加工成功，为后续类似超厚管板的换热器产品制造奠定基础。