| 1 引言
近年來，我國石油天然氣鉆采專用鋼管(簡稱油井管)的年消耗量一直保持在80萬噸以上，其中國產(chǎn)油井管已達60多萬噸，石油套管約占油井管總量的74%，每年我國石油套管的切斷加工量超過300萬件，且高強度套管所占比例越來越大，每年需消耗大量硬質(zhì)合金切斷刀片。因此，合理選擇優(yōu)質(zhì)、高效的硬質(zhì)合金切斷刀片，對于提高套管切斷效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。
硬質(zhì)合金數(shù)控切斷銑刀片(簡稱切斷刀片)是以銑削方式進行切斷加工。普通硬質(zhì)合金切斷刀片對高強度石油套管進行切斷加工時，不僅刀片耐用度低，而且經(jīng)常打刀，嚴重影響切斷效率。為此，本文精選ZP35、SC30、YW4、CT35、YB120、ZP35T8等6種新牌號國產(chǎn)切斷刀片對高強度石油套管進行了切斷性能試驗。
2．工件材料
工件材料選用P110鋼級的API石油套管，外徑D=368mm，壁厚T=23mm，其化學成分見表1，機械性能見表2。與45鋼相比，P110鋼是一種高強度優(yōu)質(zhì)錳鋼，在切斷過程中加工硬化現(xiàn)象比較嚴重。
表1 P110石油套管的化學成分(%)
| 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 | |
表2 P110石油套管的機械性能
| 屈服強度σs(MPa) |
抗拉強度σb(MPa) |
伸長率δ(%) |
| 775～965 |
≥880 |
≥13.5 | |
圖1 切斷刀片幾何形狀
3．切斷刀片
切斷刀片的幾何形狀如圖1所示。尺寸(長×高×寬)為：L×H×a＝20mm×7mm×5mm，B=4.5mm。
這6種新型切斷刀片具有高強度和良好的紅硬性及抗沖擊性能，其物理機械性能見表3。
表3 切斷刀片的物理機械性能
| 刀片牌號 |
硬度(HRA) |
抗彎強度
(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 |
| 涂層刀片牌號 |
刀片表面涂層材料 |
涂層厚度 |
| YB120 |
TiC+TiCN+TiN |
3～4μm |
| ZP35T8 |
TiC+TiCN+TiN |
5～8μm |
YB120 涂層刀片是以SC30為基體，采用化學氣相沉積(CVD)法，在950～1050℃的高溫下，在基體表面沉積厚度為3～4μm的碳化鈦和氮化鈦復合涂層； ZP35T8涂層刀片是以ZP35為基體，采用CVD法，在950～1030℃的高溫下，在基體表面沉積厚度為5～8μm的碳化鈦和氮化鈦復合涂層。無涂層硬質(zhì)合金切斷刀片的化學成分見表4。從表4可知，SC30和ZP35兩種牌號的碳化鉭(鈮)含量很高，這兩種合金的紅硬性均很高，且抗彎強度良好，具有較好的綜合性能，是制造切斷刀片較理想的合金牌號。
表4 硬質(zhì)合金切斷刀片的化學成分
| 刀片牌號 |
刀片材料化學成分(%) |
| 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 | |
1.刀盤 2.刀桿 3.刀片 4.工件
圖2 切斷刀片安裝方式示意圖
|
4．試驗方法
切斷刀片切削性能試驗在成都無縫鋼管有限責任公司的RTME420CNC型數(shù)控鋼管切斷機上進行。切斷方式為銑削加工。工件(鋼管)用卡爪固定在機床上，切斷刀片通過刀桿前端的彈性夾緊槽夾緊在刀桿上，刀桿通過壓塊和螺釘固定在刀盤上，如圖2所示。刀盤帶動刀片作旋轉(zhuǎn)進給運動，刀盤外徑為730mm。刀盤上均勻安裝一組(16片)切斷刀片，刀片的主切削刃調(diào)整在同一圓周上，誤差不超過0.04mm。切斷刀片切斷高強度套管的切削速度v＝120m/min，每片刀片的吃刀深度ap＝0.1mm，進給量f=ap×80％。
5．試驗結(jié)果及分析
6種切斷刀片切斷加工P110高強度石油套管的刀片耐用度試驗結(jié)果見表5。
表5 切斷刀片耐用度試驗結(jié)果
| 刀片牌號 |
切斷刀片耐用度(件/組) |
| 第1組 |
第2組 |
第3組 |
平均值 |
相對值 |
| 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 |
試驗結(jié)果分析如下：
- 6種切斷刀片切斷加工P110高強度石油套管的刀片耐用度從高到低的排列順序為YB120，ZP35T8，ZP35，SC30，YW4，CT35。其中YB120涂層切斷刀片的耐用度最高。
- 新型涂層切斷刀片YB120比未經(jīng)涂層的硬質(zhì)合金刀片SC30的壽命提高44.28%；而硬質(zhì)合金刀片ZP35經(jīng)CVD涂層后的刀片ZP35T8的壽命無明顯提高，其原因尚待進一步研究。
切斷刀片化學成分中的碳化鉭(鈮)含量越多，刀片的紅硬性越好，耐用度越高。 |
