钻削力对凝汽器复合材料管板结合面影响分析.pdf

前言汽轮机凝汽器管板是大量钛-碳钢尧 不锈钢-碳钢等不同材料结合在一起形成复合材料板袁 板上需要钻削大量孔遥 两种不同类型材料通常通过爆炸方式结合在一起袁 复合板结合面接触强度对复合板性能影响巨大袁 在对复合板切削加工时袁尤其是在结合面处直接有切削力产生时袁 切削力对结合面结合强度影响必须进行分析和控制袁 以免钻削力对两种材料的结合强度产生影响遥 为掌握钻削对复合层结合强度的影响袁 结合对应钻削力测试尧 钻削过程中切削部位材料变形高速摄像等试验袁 以钛-钢复合板钻孔为例袁 对加工过程钻削力对其结合面强度影响进行分析遥2已知条件在以下条件下进行分析院渊1冤选用的钻削力测量试验1参数遥 试验用钻头直径为 渍21.5 麻花钻袁 钻削参数 v=20.25 m/min渊n=300 r/min冤袁 进给 fr=0.5 mm/r袁 钻削材料为公DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.012钻削力对凝汽器复合材料管板结合面影响分析钻削力对凝汽器复合材料管板结合面影响分析第一作者简介院 王庆国 渊1972-冤袁 男袁 本科袁 工程师袁 毕业于中共四川省委党校函授学院大专起点本科计算机应用专业袁 主要从事工艺技术研究与应用工作遥王庆国袁 税妍袁 向志杨袁 邓亚弟袁 冷进明渊东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000冤摘要院文章主要通过钻削力测量试验尧高速摄像观测钻削切削部位材料变形试验和钻削力理论计算相结合袁分析钻削过程中钻削力及各分力对凝汽器复合材料管板结合面结合强度的影响遥关键词院钻削力袁凝汽器袁复合材料袁管板袁结合面袁结合强度中图分类号院TK266文献标识码院A文章编号院1674-9987渊2023冤02-园园源怨原园猿Influence Analysis of Drilling Force on Condenser TubeSheet Bonding LayerWANG Qingguo袁 SHUI Yan袁 XIANG Zhiyang袁 DENG Yadi袁 LENG Jinming渊Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 Through the combination of drilling force measurement test,high speed camera observation the material drilling forcecalculation of the influence of drilling force,the bonding strength of components on titanium steel composite plate was analyzed.Key words院 drilling force,condenser,combined material,tube sheet,Interface,bonding strength49窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期司使用同材质的钛-钢复合试验用板遥渊2冤所使用的钛-钢复合板本身无质量问题遥如结合面无结合强度或局部脱层等质量问题袁 且结合强度应达到相应国家标准2遥渊3冤当钻头只在钛层或普通钢层里切削时袁 切削力只发生在相应材料层内部袁 对结合层影响可忽略不计遥 因此袁 分析时只考虑钻刃经过结合面时对其影响袁 如图 1 所示遥图 1钻削复合板受力情况分析3对结合面结合强度有影响的钻削力分析由图 1 可知袁 钻削力主要是钻削刀具的轴向方向力 Fz和垂直轴向方向的周向力矩 Mz遥 其中袁轴向力 Fz有使钛层和普通钢层在复合层结合面分离的趋势袁 而周向力矩 Mz有使钛层和普通钢层在复合层结合面上剪切旋转的趋势遥3.1轴向力Fz对复合层结合面分离趋势情况分析使用高速摄像机 渊摄像机型号院 Vision Re鄄search V9.1曰 拍摄参数院 分辨率 786伊576袁 速度院2 000 fps袁 曝光时间院 330.5 滋s冤 拍摄钻头出口处材料变化情况如图 2 所示袁 这 4 张图片是从中抽取钻头出口变形情况袁 a 是钻尖接近出口层面袁 表面有少量凸起袁 依次到 d 图情况袁 钻头即将钻穿表面袁 面上产生大量凸起遥 由此可分析院 如果观测表面为复合层结合面袁 当钻头钻穿该接合面时袁凸起面对基体 Q235-B 层有力为 Fz渊t冤的推挤压作用渊测力结果冤袁 使钛层和基体层有分离趋势遥图 2钻削出口面钻穿前变形情况钻削轴向力与钻尖钻入深度关系分析遥钻削力的近似计算公式3为院Fz=0.63 窑D2窑 frsin兹2Kc渊1冤其中袁 D 为钻头参加切削部分直径袁 fr表示进给量袁 mm/r曰 兹 表示钻尖峰角曰 Kc表示切削材料单位切削力袁 N/mm2曰 与材料性能有关遥 钻削加工中袁 当钻削参数和工件材料确定后袁 fr尧 兹尧 Kc均为定值袁 但在钻入工件时袁 由于钻尖存在一角度袁即随钻尖逐渐钻入工件袁 只有 D 值为变化量袁 在不断增大袁 可将为定值的量用一常数 C 来表示袁即院C=12伊0.63 窑 frsin兹2Kc渊圆冤则钻削力公式可表示为院Fz=CD=2C 窑 r渊猿冤其中袁 r 为钻头半径遥钻削受力面积为院S=仔 窑 r2渊源冤则钻削过程中单位切削面的压力为院P=FzS渊缘冤用钻头半径表示为院P=2Cr仔 窑 r2=2C仔窑1r渊远冤其中袁2C仔为参数遥可见袁 在钻削参数和切削工件及材料确定的情况下袁 钻削过程中单位面积上压力与钻头半径成反比袁 即在钻入过程中袁 钻尖钻入越深袁 钻尖切削部位半径越大袁 单位面积上钻削压力越小遥由钻削轴向力分析可见袁 在钻削复合板时袁钻尖刚钻入结合层下的基体普通钢料层时袁 引起钛层和普通钢层各自变形袁 如图 3 所示袁 结合层面法向渊钻头轴向冤方向单位面积上的压力差最大袁钻头钛层复合层结合面普通钢层MzFzabcd50窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期钻削力测量结果如图 4 所示袁 约为 Fz=6 600 N袁若钻孔部位在复合层结合较弱处袁 Fz大于结合面法向结合力袁 可引起钻削切削周围部分局部结合面结合强度变化遥图 3轴向力 Fz在复合面结合层引起微观变形图 4轴向钻削力测量结果3.2周向力对复合层结合面分离趋势情况分析如图 5 所示袁 在钻入复合层结合面时袁 钛层受与结合面平行的切向力 F1袁 普通钢层受同方向切向力 F2袁 因 F1尧 F2大小差而产生钛层和普通钢层有相对运动趋势遥图 5周向力力矩 Mz对结合面影响分析由钻削扭矩近似计算为院Mc=fr窑 kc1 000窑D22窑 sin兹 窑 0.85渊苑冤式中袁 D 为钻头直径曰 fr为进给量袁 mm/r曰 兹为钻尖峰角袁 kc为切削材料单位切削力袁 N/mm2袁 与材料性能有关遥在钻削条件确定的情况下袁 钻尖钻入时袁 只有钻头直径 D 为变量袁 D 越大袁 周向力产生扭矩越大遥 由于轴向切削受面积大小只与参加切削刃长度有关袁 而与切削半径大小无关遥 如图 3 所示受力分析情况袁 F1比 F2大袁 形成压力差 Fm渊即Fm=F1-F2冤 而产生切向剪切力袁 导致钛层与普通钢层有沿结合面切向剪切运动趋势袁 这种运动趋势可因下述情况而造成结合强度变化遥渊1冤压力差 Fm产生剪切力比复合层结合力产生剪切力大袁 造成钛层和普通钢层产生切向相对运动袁 若是这种情况引起结合强度变化袁 则是钛层和普通钢层完全分离袁 而不是钻削处局部结合面结合强度变化遥 现场没有这种情况发生袁 目前局部结合面结合强度变化应不是由该原因引起的遥图 6钻削力矩测量结果渊2冤因压力差 Fm产生剪切力袁 在切削部分切向上袁 钛层和普通钢层局部产生不同量弹性或塑性变形袁 形成局部结合强度变化现象遥 由图 6 可见袁 钻削周向力矩 Mz=60 Nm袁其产生剪切应力为院子=FS渊8冤其中袁 扭矩力 F=Mz/r袁 S=仔r2袁 由于扭矩力作用引起材料变形的最小面积为钻头横截面积袁 即 r 为钻头的半径袁 即因扭矩产生的最大剪切应力为院子=Mz仔r3=603.14伊渊10.75伊10-3冤3=1.538伊107Pa=15.38MPa袁 该力相对钛或普通钢的弹性极限 240 MPa渊参照 ASTM 标准 B265-20a2冤要小得多遥 因此这种渊下转第 62 页冤钻头钛层受 Fz 作用产生变形复合层结合面普通钢层受 Fz 作用产生变形因变形差产生空隙Fz钛层切削刃口复合层结合面普通钢层F1F27 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000-1 000Time/s80706050403020100-10Time/s51窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期渊上接第 51 页冤引起结合面结合强度变化的原因也是不可能的遥由上分析可知袁 周向力矩不可能引起复合板局部结合面结合强度变化遥4结论在假设钻削加工用的钛-钢复合板本身无结合强度变化等质量问题条件下袁 主要分析了可能引起钛-钢复合板结合面结合强度变化的切削力因素袁 结合测力结果袁 从理论上分析可能引起结合强度变化的钻削力为钻削轴向力 Fz袁 钻削力矩对其影响很小袁 可忽略不计遥 同时袁 运用高速摄像技术袁 直观观测了钻削出口面变形情况袁 印证了可能引起结合强度变化的钻削力为钻削轴向力 Fz的理论分析遥 因此袁 在钛-钢复合板钻孔加工时袁尽量选用轴向切削力小的钻削刀具袁 可有效防止复合板结合面结合强度减弱的现象遥参考文献1ASTM.Standard Specification for Titanium and TitaniumAlloy Strip,Sheet,and plate:ASTM B265-20aS.2020.图 9不同地热水温度下的功率修正系数图 10不同环境温度下的功率修正系数7结论渊1冤根据干热岩地热水参数条件袁 构建一套 1MW 功率等级的 ORC 发电系统遥渊2冤分析不同工质下的热力性能袁 根据热力系统第二效率最大原则袁 确定 R245fa 为干热岩地热水发电系统的工质遥渊3冤通过变工况性能评估袁 分别给出了不同地热水流量尧 地热水温度尧 环境温度下的发电模块功率修正曲线遥参考文献1吴晓楠,张燕平,黄树红.太阳能有机朗肯循环发电系统工质及参数优化J.热力发电,2015,44(6):31-35.2Taehong Sung,Eunkoo Yun,Hyun Dong Kim,et al.Performance characteristics of a 200-kW organic Rankinecycle systemJ.Applied Energy,2016(183):623-635.3Ben-Ran Fu,Yuh-Ren Lee,Jui-Ching Hsieh.Design,construction,and preliminary results of a 250 kW organicRankine cycle systemJ.Applied Thermal Engineering,2015(80):339-346.4Awais Ahmed,Khaled Khodary Esmaeil,Mohammad AIrfan.Design methodology of organic Rankine cycle forwaste heat recovery in cement plants J.Applied ThermalEngineering,2018(129):421-430.5Cong Guo,Xiaoze Du,Lijun Yang.Organic Rankine cyclefor power recovery of exhaust flue gas.Applied ThermalEngineering,2015(75):135-144.6S.SUBBIAH,R.NATARAJAN.Thermodynamic analysis ofbinary-fluidRankine cycles for geothermal power plants.Energy ConversJ.Mgmt,1988,28(1):47-52.7于立军,朱亚东,吴元旦.中低温余热发电技术M.上海:上海交通大学出版社,2015.采出井出口温度 Twi/益1.21.11.00.90.80.70.60.5135140145150155160165环境温度 Tci/益1.21.11.00.90.80.70.60.5-11-6-14914192462