| 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1 P110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2 P110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 | |
图1 切断刀片几何形状
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。
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 | |
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
|
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％。
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。 |
