P91、T91材料机械加工中刀具存在问题的改进

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0 引言

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P91、T91材料耐热钢，具有较高的持久强度，良好的高温抗氧化性和抗腐蚀性，已大量应用于300MW、600MW锅炉产品中。由于P91、T91材料属于马氏体钢，硬度很高，其机械加工性能差，因而对切削刀具提出了更新的要求。本文针对P91、T91材料集箱在机加过程中刀具存在的问题加以分析，并提出了改进方法。

1 P91、T91材料集箱机械加工流程

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在集箱车间锅炉集箱的机械加工主要有3道工序：筒身对接坡口的加工；筒身上管孔加工；水压后管接头管端倒角。筒身对接坡口加工在镗床进行，管孔加工及管端倒角都是由钻床完成的。

2 刀具存在的问题分析及改进

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图1 集箱焊接坡口 / p7 i% ~& e* j& P/ x3 G$ @6 j d

图2 成形刀片

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1. 筒身上管孔加工 5 o1 v& m0 h8 Y6 _! ~6 }2 R0 x
   目前，300MW、600MW锅炉集箱筒身上管孔形式多为CE标准的焊接坡口形式(如图1)，该种形式的孔加工刀具为普通麻花钻头及成形刀片，成形刀片是按焊接坡口要求设计的，由高速钢W18Cr4V制成。(如图2) - T+ v/ m2 W- [/ z% Y5 [- s
   在切削加工中，被加工层材料会产生剧烈的塑性变形，从而发生硬化，材料经加工硬化后，其硬度比原始硬度提高很多。一般情况下，金属材料的硬度和强度越高，则切削力越大，切削温度越高。P91材料强度、硬度都很高，特别是高温硬度高，因而在切削加工中会出现以下一些问题：
   (1)强度较高，因而切削力大；(2)硬度较高，尤其是高温硬度高于其他金属材料，加工时硬度由于塑性变形而进一步硬化；(3)导热系数低，因而切削温度高；
   普通钻头是由普通高速钢制成，它的硬度和耐热性较低，加工P91材料时，由于被加工材料的硬度和强度都很高，因而切削力大，当切削速度升高时，切削温度会随之升高，钻头的金相组织就会发生变化，由马氏体转变为硬度较低的托氏体、索氏体或硬度很低的奥氏体，从而丧失切削能力，产生“烧刀”现象。特别是在焊缝处，加工十分困难，钻头的刃磨次数增加。用形成刀片加工焊接坡口，由于形成刀片薄，刀片材料硬度和耐热性较低，在高硬度和高切削力的作用下，刀片易碎，损耗加大，用该刀片加工P91材料比加工普通材料用量高出大约5倍，而切削速度只有40r/min，进给量0.2mm/r，生产效率低。 ' e# s" [( G- @" @& T2 g
   针对上述情况，我们在加工时改用合金钻头进行切削，由于硬质合金切削温度可达800～1000℃，高温硬度高(表1)，切削速度提高了一倍，减少了刀具的刃磨，提高了生产效率。
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   表1 普通高速钢与硬质合金性能对比表

   材料 : O3 n' ^5 A3 ^6 S' Z( f	常温硬 度HRC . F" y& k9 l, P6 b	耐热性 温度/℃ ) m# i& r+ U3 `8 N$ u	高温硬 度HRC ' ]6 P, A( A# t2 L7 b! ]2 ~	抗弯强 度/MPa
   变通高 速钢 ; I/ U, o; e3 N( @$ F9 J	62-66	550-600	(600℃) 48.5	3430
   硬质合金 6 y3 ~8 C- F* z& k	74-80 3 D. k/ E+ s2 @% ~ d	800-1000	(1000℃) 70 0 x2 `. c, F) }	1470

2. 水压后管接头倒角存在的问题分析 % W7 C/ r+ p) a( I5 h
   随着生产的不断发展，对锅炉各部件质量要求越来越高，水压试验成为检验300MW、600MW锅炉集箱角焊缝质量的一重要手段。与300MW以下锅炉不同的是，300MW、600MW锅炉集箱的管接头不是采用滚压形式密封，而是采用在管接头上端焊水压盖形式密封。对于普通材料，水压后用气割的方法去除水压盖，然后倒角，由于T91材料气割后硬度急剧升高而难以加工，因而不能用气割的方法去除水压盖，而是用钻头将水压盖钻掉，然后进行倒角。
   由于焊接后其焊缝硬度高于母材很多，且硬度分布不均匀，易形成断屑切削，又由于300MW、600MW管接头多为长管和弯管形式，钻床所用夹具为V型架，因而整个加工系统的刚性较差。用普通麻花钻切削时，由于焊缝处硬度高，容易“烧刀”和崩刃，降低了刀具的使用寿命，又由于系统刚性差加工时钻头容易折断，使刀具的破损严重，消耗量大。实际生产中，钻床转速50r/min，进给量0.3mm/r，钻头钻10个左右管接头就要磨一次钻头，不仅降低了生产效率，而且增加了劳动强度。如果采用合金钻头，由于硬质合金韧性差，抗弯强度低，在刚性不好的条件下切削，切削过程产生的振动，容易使合金刀刃崩裂。 6 G! Z1 _& k" u, k6 x5 ^, q, S+ C
   针对管接头倒角时，加工系统刚性差的状况，我们改用锥形锪钻加工水压盖焊缝。使用锥形锪钻，由于切削刃增加，以及其自身的导向性，增加了切削的稳定性。在实际生产中，用沉头锪钻改磨锥形锪钻切削焊缝，切削速度可达200r/min，进给量达0.5mm，而且减少了“烧刀”现象，提高了劳动效率，同时减少了刀具的损耗，降低了成本。

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3 结束语

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随着耐高温钢等难加工材料越来越多应用于锅炉产品，普通高速钢已不能满足这些材料的加工，采用新型高性能的刀具材料，将成为刀具发展的新趋势。

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