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1 引言# G# S% v9 |! C3 o* X. m Y
近年来，我国石油天然气钻采专用钢管(简称油井管)的年消耗量一直保持在80万吨以上，其中国产油井管已达60多万吨，石油套管约占油井管总量的74%，每年我国石油套管的切断加工量超过300万件，且高强度套管所占比例越来越大，每年需消耗大量硬质合金切断刀片。因此，合理选择优质、高效的硬质合金切断刀片，对于提高套管切断效率和降低生产成本具有重要意义。
% i- s" d% I1 n' o; V
硬质合金数控切断铣刀片(简称切断刀片)是以铣削方式进行切断加工。普通硬质合金切断刀片对高强度石油套管进行切断加工时，不仅刀片耐用度低，而且经常打刀，严重影响切断效率。为此，本文精选ZP35、SC30、YW4、CT35、YB120、ZP35T8等6种新牌号国产切断刀片对高强度石油套管进行了切断性能试验。 , Y( k1 P# Z8 d" X" D$ c2 d+ K3 l
2．工件材料; |2 `" X+ n @# J6 p9 ^3 }" E
工件材料选用P110钢级的API石油套管，外径D=368mm，壁厚T=23mm，其化学成分见表1，机械性能见表2。与45钢相比，P110钢是一种高强度优质锰钢，在切断过程中加工硬化现象比较严重。
2 I- E* a! W5 z3 |* l: r
+ P" m. P' u! Y" S. G
! I+ e; E5 p6 y+ K \! Q/ }/ C) p5 Z8 @( d! f u. N2 \5 @7 O7 Y6 f, b! Z1 _- _1 P
6 ` O/ G/ R( [: k4 }, L7 J
2 v5 p0 {5 ~. I1 B- h# N$ n0 e( N8 h) \# ]+ E7 A) C+ E: P; q- F c) y2 E2 N+ N3 f+ g/ \) `/ v; h2 q! Z$ U X' {8 \8 A% C3 y$ f7 R* X, C# f; H1 z3 c/ l) h& ?* ^ G y7 [) J8 a2 r8 g) ?( C7 x8 [9 p5 P; |4 f7 Z- D8 H K; U0 J, C7 j- ]/ O5 P8 p) a1 ?% f2 i M4 d ^: z% l! o( Y0 V5 `6 t3 [5 i; d2 n$ a# T$ z! {* V& {9 d+ [; p- U: Q( x( H: o9 F8 w* D" `4 J. T$ I$ c* N0 y3 q# q# m+ g/ O9 {* k% I, j1 G4 v }5 f, z* X4 ?0 S0 i, v. w4 n( ^4 ?
表1 P110石油套管的化学成分(%)
| C |
Si |
Mn |
Ni |
Cu |
V |
P |
S |
0.22～
0.29 |
0.17～
0.37 |
1.30～
1.60 |
≤0.2 |
≤0.2 |
0.07～
0.12 |
≤0.025 |
≤0.025 | |
6 B; Y2 D. A; }4 _: o! B3 O8 v8 T, t# `$ G/ x3 _# Y1 {8 }5 H8 t ?: I! ^2 K% i7 N9 u8 g; u0 Q+ O3 N$ k" A' f1 a( K) s1 a4 p' H4 w1 n0 V0 _$ H) G/ b, |6 I) @ A( V+ a) b# |+ _9 B+ }1 _4 |: d7 W; w- l! n/ D: u$ z: b4 @0 P7 T4 X# U: m$ s4 X. Q- r% t# B! ?% A$ Z" Q5 m- g' P2 p
表2 P110石油套管的机械性能
| 屈服强度σs(MPa) |
抗拉强度σb(MPa) |
伸长率δ(%) |
| 775～965 |
≥880 |
≥13.5 | | & Q' q* W; D& x- p6 _$ f$ w3 {
7 c' s6 Q: Y9 c1 j4 m& _3 g3 Z& f) ^: `6 H" X' V
图1 切断刀片几何形状
' R$ c9 K* L" B; s7 y5 \0 Z( f
) l6 r! [5 }$ }5 R
7 ?# I: L) n7 P7 }; r* Y4 }4 h. D3．切断刀片 $ k" r( x$ _* q2 Z: Q5 \7 n
8 `, x$ p& B. {! u* E) S, l切断刀片的几何形状如图1所示。尺寸(长×高×宽)为：L×H×a＝20mm×7mm×5mm，B=4.5mm。
1 I+ m5 T4 ~. {0 A这6种新型切断刀片具有高强度和良好的红硬性及抗冲击性能，其物理机械性能见表3。
) C- i) i/ E: }: [( ^
! Y, X. q' r2 [( L" o5 G# R. T) `. u5 ]4 Z: h, `, s- J4 }, Z9 w& ~8 C, R$ O7 z2 ^$ X" y w9 h- S# \5 z ^) R$ f7 O3 Z2 x* U7 l# W- |: ?4 ?+ I' i* O1 d3 d* \7 k* `# z; O" O. E6 W& @; P3 A& ?& a& n; U: d) P! T% a- }2 ?/ ^- e, }) M) J, ~# F' j$ a- j T5 m( L, [3 X- w6 a4 A" y8 D* N8 u, w4 {4 E4 x: W3 J/ L$ U+ m* L9 Z- S7 A7 P2 z2 Z& Q* b: O' v8 i8 c7 I' q) k+ j3 h0 R8 T, t% X! q9 C# O# r3 Q6 A& ~0 S" J( m. l( j, w7 y4 A: n0 e& X6 p& g8 C# ^" w8 l W" D+ z8 j) M# q7 e& F8 R' j" H1 z: e! b; i6 \0 H5 v4 q2 R/ t+ B5 c4 a( j$ \3 w8 r: |1 U, W) x( ?2 i) X4 c" f2 u/ h% U) X, l$ u0 A5 Q/ ]( @9 ^, Q4 ]' ]+ D4 C" U; F% E8 R, T }: d1 W& \' _ J: i/ ^, G) a# _8 t4 ^$ p+ S' y4 D, D( K" _3 W' E3 y2 J3 d& ]3 w& L3 K, ]- u( ?3 Q# D4 d3 J* r; u' s( F7 q0 l, S0 p( O- Y0 @' _% N3 I) L. t7 d* r* c$ m6 ^) o/ F! q# \* ?" g1 B/ l9 Q! h% ^" c" l9 p# D+ E, `1 z0 s- R& u; D( h! B3 W+ m
表3 切断刀片的物理机械性能
| 刀片牌号 |
硬度(HRA) |
抗弯强度
(N/mm2) |
比重(g/cm3) |
| ZP35 |
91.3 |
2000 |
12.9 |
| SC30 |
90.9 |
2000 |
12.7 |
| YW4 |
92.0 |
1230 |
12.2 |
| CT35 |
90.0 |
1800 |
12.9 |
| 涂层刀片牌号 |
刀片表面涂层材料 |
涂层厚度 |
| YB120 |
TiC+TiCN+TiN |
3～4µm |
| ZP35T8 |
TiC+TiCN+TiN |
5～8µm |
1 M& L) @( j4 O! N1 CYB120涂层刀片是以SC30为基体，采用化学气相沉积(CVD)法，在950～1050℃的高温下，在基体表面沉积厚度为3～4µm的碳化钛和氮化钛复合涂层；ZP35T8涂层刀片是以ZP35为基体，采用CVD法，在950～1030℃的高温下，在基体表面沉积厚度为5～8µm的碳化钛和氮化钛复合涂层。无涂层硬质合金切断刀片的化学成分见表4。从表4可知，SC30和ZP35两种牌号的碳化钽(铌)含量很高，这两种合金的红硬性均很高，且抗弯强度良好，具有较好的综合性能，是制造切断刀片较理想的合金牌号。 - f8 Q" A+ g7 P; E& I6 x
% Z( N. ^- _& O, i' p. s( _6 D$ U% m$ s+ I# h; c) ~9 `' k! C1 L/ s( G4 T Q8 ?* H2 M( \+ s r% n; Y
; z& i: L/ Y, w" W
& g4 e$ j) G# o1 i# G8 F) G+ m$ W: B5 N9 ^: y) h8 U4 `( {3 Z" }/ a6 j" E' m- q5 D0 l1 C7 B. f, t- M' V& |4 w0 c# S/ g% o! S/ T* h7 F4 [2 q' s) A8 k2 I( U0 A6 `5 F9 M1 D! c& H+ C9 U" M+ W) O8 s2 K; k% O) L4 h( j* ^$ {$ Y" _0 H! r5 t; o, ^1 q+ D) J9 r: N! B) V' x$ ?) s* Q3 I: A, E; l. k2 w: A N( | x$ E; d9 N+ w X+ ~9 C% _. e$ i u) L1 u: z! M6 o9 N' w) H9 v; M& \* L5 }% A6 `# ~8 i& O1 q' X: e; J: u; b' M9 D9 R3 |* b5 G# s1 l+ I" u2 T" C5 D/ b' l3 |# [) i7 f+ A& p9 I( M% n( R! Y9 P6 Y& F0 o7 @ M* }- O* V, ` a. o$ ]3 u: t; s7 r. ~* M1 D! l. @* K' \' a! D2 C# X- h0 I1 S4 S- ~6 e# i/ `" d7 ~1 c0 L; L% z+ e7 g' C1 L e4 l% n) \. v0 V1 V! r: ^) g0 i, L; H- W+ A; p3 K5 D9 K& o; M3 R3 F6 X1 t2 x# t* v6 v" m0 `" P C- d* U, K. f1 I% U1 X% A. f5 ?. {. ?$ m% |; a# w5 @- r3 y6 o/ a$ n$ ~% m3 M, ?4 d2 q) q/ y% c- D5 m' R/ p3 K" X% a! L8 c+ l8 I t' K- N! B& _4 E% J6 b* @
表4 硬质合金切断刀片的化学成分
| 刀片牌号 |
刀片材料化学成分(%) |
| Ta(Nb)C |
TiC |
WC |
Co |
| CT35 |
5 |
8 |
76.5 |
10.5 |
| YW4 |
7 |
8 |
78 |
7 |
| ZP35 |
16 |
5 |
70 |
9 |
| SC30 |
16 |
4 |
70 |
10 | |
/ ^/ h) j" P0 P, \, C2 K 
1.刀盘 2.刀杆 3.刀片 4.工件
图2 切断刀片安装方式示意图
|
/ G# U0 _& T- E( g* }& w4．试验方法
% `& S8 a/ V6 }6 v6 M切断刀片切削性能试验在成都无缝钢管有限责任公司的RTME420CNC型数控钢管切断机上进行。切断方式为铣削加工。工件(钢管)用卡爪固定在机床上，切断刀片通过刀杆前端的弹性夹紧槽夹紧在刀杆上，刀杆通过压块和螺钉固定在刀盘上，如图2所示。刀盘带动刀片作旋转进给运动，刀盘外径为730mm。刀盘上均匀安装一组(16片)切断刀片，刀片的主切削刃调整在同一圆周上，误差不超过0.04mm。切断刀片切断高强度套管的切削速度v＝120m/min，每片刀片的吃刀深度ap＝0.1mm，进给量f=ap×80％。
% e6 `: x* \* O& r
4 [. ^5 h" v# ?0 n! U1 l' n% d/ M% I5．试验结果及分析 + c, r- z) T# {( g
9 p8 e8 J- Q2 M% G) p6 I8 Q7 ^
6种切断刀片切断加工P110高强度石油套管的刀片耐用度试验结果见表5。 ( u6 I+ T. \: F# Q) t/ M
. @0 k* D/ G& m, G/ f* _; ]. t6 I1 u( x: p( q" D8 E) k4 ~2 m& T/ @' ^$ z/ p+ V* Y! F! k/ q3 `6 S$ L- G, i( M6 i0 |; h5 ^% @" t% {# t. m% P1 k5 \5 Y) \' V, ^0 m; S) Y0 p- c1 E7 N' ?* c- z! y9 x- P& a5 d' y9 r# o: x! M9 n9 u, h2 ?0 B0 O! r( R" u2 V, R C" h& q: E* ~0 ^) m& H4 X4 N! l) C- Q3 |1 g. S5 e1 b* j' j- {7 b. C' E4 y" v% G: }6 [' R) d- C5 z( M: j/ ]0 y5 |; n. P1 V0 K5 w- z1 F+ {) r: y. \3 J% s2 }3 w4 `& ]3 m5 U9 ~0 B6 `3 a* K( A) e; Q% E; f* B( b& w3 q2 i# ~; W, ?7 X. T4 W: r+ H% q. \8 M6 o: o; G* M* M J w# ]7 i6 R! U7 `* l' A x2 r% O [4 m1 a2 B% q" ~% M/ Y4 |* U- K' W" Z; G3 \) H; U% r& e4 ]# K7 I, }# \# `1 S4 y. m' Z0 }* \+ z7 Y& i& a4 S3 m$ m3 r* s5 {. e3 M8 }& A6 j( v# V8 L f; t5 { L; @. @' i+ }8 R s! |5 K, y: A" o4 b1 A! A# a: P- |, \, Z6 L8 r: |* ?! L! f" [' E" G4 w+ J. X2 u5 G! {, ^- j7 z& e9 |) L6 x2 `8 n1 r( q1 }0 O) @+ u1 q2 X) }0 N, W* i& r+ k9 i4 j% E( ^7 W- V" r" J$ q7 |' g; A/ ` Q8 F2 c$ r5 }* e6 N+ ]2 @% w" R6 J' U* H/ c& {7 L) q& V, v& n$ a0 r6 c w) o6 m8 p1 p; X- `) z- y3 N0 m p/ H% ^0 d! G! x$ D. F# l: E1 C5 f0 ?+ R% y5 p8 `, V# [% }/ C% `2 x1 [& x- f% ]2 s; A- ?' O$ b* @# A2 c! V5 G- k, i3 l8 `" n; O! D7 M# g) A* R/ o1 M+ u7 m5 N, m5 X: b- J# y1 G% t6 \* b3 J* f6 \- V) w$ ?! }; p; D. p8 c# u, N$ _! ?! w, {& G5 Z i
表5 切断刀片耐用度试验结果
| 刀片牌号 |
切断刀片耐用度(件/组) |
| 第1组 |
第2组 |
第3组 |
平均值 |
相对值 |
| CT35 |
8 |
6 |
4 |
6 |
1 |
| YW4 |
10 |
12 |
11 |
11 |
1.83 |
| SC30 |
21 |
20 |
22 |
21 |
3.50 |
| ZP35 |
22 |
18 |
24 |
21.3 |
3.55 |
| ZP35T8 |
23 |
23 |
19 |
21.6 |
3.60 |
| YB120 |
30 |
31 |
30 |
30.3 |
5.05 |
0 q$ r( ^& G/ ?: K7 L7 ]6 G试验结果分析如下：
3 l6 P. L1 L" i2 ]
; Z' O0 S/ c# n% V: k- u- 6种切断刀片切断加工P110高强度石油套管的刀片耐用度从高到低的排列顺序为YB120，ZP35T8，ZP35，SC30，YW4，CT35。其中YB120涂层切断刀片的耐用度最高。
$ f; m$ X7 l* O5 d1 B# c) Y
- 新型涂层切断刀片YB120比未经涂层的硬质合金刀片SC30的寿命提高44.28%；而硬质合金刀片ZP35经CVD涂层后的刀片ZP35T8的寿命无明显提高，其原因尚待进一步研究。
+ z3 X& q5 V g% V# \切断刀片化学成分中的碳化钽(铌)含量越多，刀片的红硬性越好，耐用度越高。
& V: x7 P2 u$ K/ Z; I |
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发表于 2010-9-12 10:56:36
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