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用于切断高强度石油套管的切断刀片 |
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作者：陈德洪 胡荣生 殷国茂 李平 陈诠 |
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1 引言
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。
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。
2．工件材料
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。表1P110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 |
表2P110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 |
3．切断刀片
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。
切断刀片几何形状
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。
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 |
YB120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。
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 |
4．试验方法
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％。
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
5．试验结果及分析
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。
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 |
试验结果分析如下：
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。
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。
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。(end)
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(12/18/2004) |
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佳工网友 刘玉喜
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于1/26/2013 6:56:00 PM评论说：
文章写的很好，zp35硬质合金烧结的收缩比是多少，烧结工艺可否告知。(电话：1 5645109855)
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