采用ESC工艺提高硬质合金螺纹刀片耐用度

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ESC(Edge and Surface Conditioning)工艺是对刀具刃口进行强化(钝化)、表面抛光等综合处理的工艺方法。通过ESC工艺处理，可增强刀具刃口强度，改善表面应力状态，降低表面粗糙度值，提高刀具耐用度1～4倍。我国每年石油钻采钢管的消耗量超过80万吨，石油钢管的加工需要使用大量螺纹刀片(十几万片/年)，因此，采用ESC工艺提高螺纹刀片的质量和耐用度具有显著的经济效益。
　　1 螺纹刀片的形状特点
- ]+ q  K! _' c. C# C: b　　本文试验所用硬质合金多齿螺纹刀片是一种用于精车石油套管外螺纹的三齿梳刀片，刀片材质为YT715硬质合金。
　　在刀片每一齿的切削刃口上选取A～Q共11个特征点，其中H点代表刃口齿顶，A、Q点代表刃口齿根，D、L点代表刃口齿侧。在高倍显微镜下观察，刀片的刃口(即前刀面与后刀面的交接部分)并非一条简单直线，而是一个复杂曲面。刃口锋利程度用刃口半径Re表示。刀片经磨削加工后形成锋利的自然刃口，如图2所示。此时齿形各点的刃口半径并不均匀(Re=0.002～0.018mm)。为了提高刀具切削的可靠性及稳定性，采用ESC工艺对刃口进行精密珩磨，可增加刃口强度(增大Re)，降低刃口表面粗糙度值(Ra＜0.3µm)，减少表面残余应力，使刀片齿形各点的刃口半径均匀一致。
　　2 ESC工艺及振动珩磨法
　　ESC(刃口及表面强化处理)工艺按原理可分为机械、化学、电化学、磨料、热加工、电磁等多种工艺方法，例如毛刷机珩磨法、振动磨料珩磨法、喷砂强化法、高速粒子轰击法等。本文采用振动磨料珩磨法对螺纹刀片进行刃口表面强化处理，其特点是设备投资少，成本低，能有效降低或消除刀片表面的残余应力，从而提高刀片耐用度。传统的振动珩磨机一般由振动机构(电动机、凸轮、弹簧等)和工作台组成，磨料采用碳化硅或氧化铝颗粒等，刀片和磨料装在工作台上的盒子中，通过刀片和磨料的摩擦、冲击作用使刃口钝化。但在对螺纹刀片这种复杂刃口进行钝化时，很难保证刃口半径均匀一致，齿顶和齿根刃口半径误差为0.02～0.09mm，影响了螺纹刀片的加工质量和有效寿命。本文采用新型机械振动珩磨方法，用新型振动电机代替传统的凸轮与电动机机构，磨料则采用金刚砂和碳化硼混合粉末，利用新型夹具改善刀片与磨料之间的相对运动，使螺纹刀片的齿顶和齿根刃口半径更均匀，其误差控制在0.01mm以内，从而提高了螺纹加工合格率和刀片有效寿命。
　　3 螺纹车削试验及分析
% [" |, l' @! E1 y5 J# {　　为验证经ESC工艺处理的螺纹刀片切削性能和耐用度的改善情况，进行了螺纹车削试验。工件材料为J55钢石油套管，套管外径为273.1mm，壁厚为8.89mm，抗拉强度σb=735～778MPa，屈服强度σs=433～477MPa，伸长率δ=26%～33%，截面收缩率ψ=56%～61%。加工机床为法国CRI-DAN公司制造的HT16 CNC数控钢管车丝机床，切削速度v=100m/min,进给量f=3.175mm/r，切削深度δp=0.4～0.6mm。外浇式乳化液冷却。石油套管长度为8～12m，每根石油套管两端分别车削一段(一头)长度为88.9mm的螺纹。分别采用10组不同刃口倒圆半径的螺纹刀片车削石油套管，刀片耐用度(以车削螺纹的头数表示)如下表所列。
表 螺纹刀片刃口倒圆半径与刀片耐用度的关系
　　刀片组编号 刃口倒圆半径
  t( c3 }; Z) V. Q  U　　Re(µm) 每组
) b7 z7 f5 S9 p* L  s: @　　刀片数(片) 刀片耐用度 加工
　　合格率(%)
　　齿顶 齿侧 齿底 加工
　　总头数 合格品
　　头数 废品
　　头数 平均加
　　工头数
3 S4 u( K" ]6 E: k8 V2 S　　H0 10 10 10 8 299 238 61 29.75 79.60
5 K! Z% f$ y* m/ J3 \! e2 i6 k　　H1 30 30 30 9 524 466 58 51.78 88.93
3 K7 q/ S" b, m7 [$ }7 }' g! ^　　H2 50 50 50 9 612 575 37 63.89 93.95
　　H3 70 70 70 8 539 499 40 62.38 92.58
, A, ~& a2 W- ^# t　　H4 90 80 60 4 234 202 32 50.50 86.33
　　H5 40 30 20 5 252 221 31 44.20 87.70
　　H6 70 50 30 7 370 323 47 46.14 87.30
7 y2 h* ^. h% G4 S' ^- u1 Z　　H7 90 70 40 6 286 235 51 39.17 82.17
　　H8 70 65 60 5 330 301 29 60.20 91.21
3 `$ y3 w; ~+ C  ^" \+ e　　H9 50 45 40 5 325 297 28 59.40 91.39
　　合计　66 3771 3357 414 50.86 89.02
　　刃口倒圆半径的公差为±8µm。H0组(Re=10µm)刀片磨削加工后未进行刃部强化处理，齿形各点的自然刃口倒圆半径Re=2～18µm，这种锋利刃口刀片车削螺纹的废品率高达20%，尤其车削初期稳定性较差，刀片容易崩刃和破损，导致产生波纹(振动刀痕)、划痕和毛刺等缺陷，每片刀片的平均有效耐用度(车削出合格品的头数)不到30头；H1和H5两组刀片具有较小的刃口倒圆半径，其刀片耐用度和加工合格率都高于刃口未强化的刀片；H2、H3、H6、H8和H9五组刀片具有中等刃口倒圆半径，其刀片耐用度和加工合格率高于其它刃口倒圆半径的刀片，且切削过程稳定，其中刃口钝化均匀的刀片耐用度高于钝化不均匀的刀片；H4和H7两组刀片具有较大的刃口倒圆半径，其刀片耐用度和加工合格率低于中等刃口倒圆半径的刀片。试验结果表明，刃口倒圆半径Re既非越大越好，也不是越小越好，而是存在一个最佳值。
7 _- ?& p$ r- j, B( B. s+ Z　　4 结论
' k& e/ Q% v  z1 o　　通过硬质合金螺纹刀片的车削试验，可得出如下结论：
- h, N( K* q2 y3 k. s: e　　1) 经过ESC工艺处理，硬质合金螺纹刀片的耐用度可增加1.2倍。
　　2) ESC工艺能够提高螺纹刀片的切削稳定性和加工合格率。
9 U& L- G6 ?/ q& a# b4 I　　3) 螺纹刀片刃口倒圆半径存在一个最佳值Reo=50µm，当Re=Reo时，刀片耐用度最好。此外，刀片刃部各点的Re越均匀，切削性能越好。