伊斯卡為油氣工業提供前沿解決方案
2014-1-16 來源：數控機床市場網 作者：
現代化的歷史進程促使全球對能源的需求急劇增長；今天的能源消耗大約是200年前的25倍。據最新的人口研究預計，到2050年，全球人口將達90億，這意味著人口將比當前人口多出大約25%。國際能源署（IEA）預計到2035年，為滿足全球對能源的需求，平均每年1.6萬億美元的前所未有的投資是非常必要的。在研發及制造技術方面進行大規模投資對保持長期的競爭優勢是至關重要的。
勘探與生產公司，以下稱之為E&P公司，以各國政府持續需求為驅動力，專注于深水和超深水油氣儲量的勘探及開采。這些深水及超深水項目持續推動著技術走向更前沿。潛在的投資者和跨國能源公司預見其上游產業將迎來長期投資。對當今勘探與生產而言，最重要也最具挑戰性的尖端技術應用于深水領域，一旦成功就為大幅增加世界上已探明的石油儲量帶來絕佳的契機。隨著勘探拓展到更深的水域，面對環境，本具的尖端性，本地基礎設施支持最小化等方面的挑戰，凸顯出了更高的技術及經濟性的要求。
海洋勘探越來越深意味著前所未有的技術挑戰。應用于如此惡劣環境下的設備，必須采用前沿技術及先進的工程技術進行精心設計。對伊斯卡的刀具工程師而言，面對著因諸如不銹鋼，雙相不銹鋼，超級合金，Inconel鉻鎳鐵合金及鈦合金等難加工材料加工需求的快速增長所帶來的挑戰。源于在許多酸堿溶液及含氯溶液環境中的機械性能及耐腐蝕性能，這些昂貴的難加工材料被廣泛應用于離岸工程項目。
不過，切削刀具的供應商通常將這些非標準材料歸類為耐高溫合金。一般而言，相對于耐熱合金，中碳鋼更易于切削；所以他們將刀具的重點研究方向定位于耐熱合金的切削技術及切削參數上。要達到優化切削參數及選刀方案的目的，充分考慮被加工材料的性能乃至性能對加工的影響是非常重要的。一般而言，為選擇合適的切削參數及刀具，需評估以下4種主要物理性能：抗拉強度，硬度，延展性及導熱性。
為配合深海工程對安全密封及環境法規的要求，E & P公司將選擇足以勝任的設備以耐受腐蝕環境，經受高壓及高溫。例如，Inconel 718就因其適合的出色的耐腐蝕特性而被上游勘探公司所廣泛采用。鎳基超級合金因奧氏體金相組織而具有高的抗拉強度及屈服強度，滿足了極限環境下的高安全可靠需求。
此外，加工Inconel 718的主要問題是處理刀片切削刃處的非常高的切削溫度，這源于被加工材料中的磨粒（鎳含量高達50-55%，鉻含量達17-21%）所導致的高磨損率，崩刃，溝槽磨損，刀片破損。Inconel 718 對殘留應力具有冶金敏感性，且切削加工過程會產生加工硬化，這使得即便在低的切削速度下，刀片切削刃都可能產生高的塑性變形進而大幅降低刀具的預期壽命。
伊斯卡作為全球最先進的金屬切削刀具公司之一，已成功研制出合金牌號IC806，旨在提升超級合金的加工效率。采用結合了超細晶粒硬質基體及薄的PVD涂層以及涂層后處理技術的新涂層牌號，能收獲大幅提高的刀具壽命及更高的加工可靠性。
加工高溫合金不僅僅意味著挑選合適的基體及涂層，還意味著選擇正確的切削刀具及幾何形狀。例如，通常在井架上完成鎳基合金油井管的加工，井架是已完成的油氣井上用的組件。必須采用硬質合金刀具加工井架內壁相對薄的鎳基層。加工過程通常被稱之為粗鏜，除了苛刻的安裝夾持外，刀具大懸伸，加工余量不均勻，斷續切削等也為加工增加了困難。以上不利因素常常引起振動，導致刀具壽命因此而縮短。因而，鎳基合金油井管加工過程成為了制造過程的瓶頸，最終導致加工費用高居不下。 (圖 1)
對于伊斯卡的應用工程師而言解決方案是明晰的，對于這一應用，他們推薦采用專為加工高溫合金而研制的ISO系列SNMG 432-EM-R硬質合金刀片。采用此刀片加工的一大重要特征是非刀尖圓角加工，而是以45°主偏角加工。這有效減少了溝槽磨損，一并提高了切削速度及進給量，且同時收獲了高的刀具壽命。(圖 2)
通過對刀片鋒利切削刃進行細微的刃口處理使之得到強固，加以13°前角設計，使得刀片在加工諸如鎳基合金這類難加工材料時可實現6mm的大切削深度。
然而，不管是刀片涂層還是斷屑槽都無法確保加工高溫合金時的高效率，因為好的切屑控制是難以企及的。
正如前面所提及的，加工高溫合金的過程會產生大量切削熱。通過冷卻液可有效減少切削熱，降低了切屑的延展性使之易于折斷。事實上，在高溫合金的加工中基本摒棄了外冷卻方式，而是采用了貫穿主軸與刀具的內冷卻方式。
當今的CNC數控機床一般都標配了常規的冷卻系統，可以提供低壓冷卻。然而，在加工高溫合金時，產生的切削溫度遠遠高于冷卻液的沸點，這使得冷卻液在抵達切削區域前就蒸發為蒸汽，使得切削刃受到熱沖擊，進而對刀片壽命造成負面影響。
高壓冷卻系統能對冷卻液進行加壓，通過小的冷卻噴口為切削區域帶來足夠的冷卻液流量，克服了切削區域切削溫度太高的障礙。在高壓的作用下，通過冷卻噴嘴的冷卻液具有非常高的速度。隨之而來的效果是顯而易見的，作用于切屑的沖擊力非常大，切削溫度明顯降低，保護切削刃免于受到熱沖擊，確保了硬質合金刀片壽命的提高，工件表面質量高。伊斯卡的JHP系統正是應用于車削中心，立式車床及多任務機床的高壓冷卻系統的一個實例。
伊斯卡，作為金屬切削的領袖企業，正是最早應市場需求而設計并提供高壓及超高壓冷卻刀具系統的供應商之一。(圖 3)
采用JHP高壓冷卻系統易于獲得小切屑，不再因切屑纏繞于工件或夾具而頻繁停機。額外的特點或者說是優點提升了生產率，削減了昂貴的加工成本。現已證實，在加工不銹鋼及高溫合金時通過采用高壓冷卻，能實現刀具壽命及切屑控制的大幅提升。對當今油氣工業而言，伊斯卡新一代高壓冷卻刀具在提升生產率方面是不可或缺的。
當油氣工業用戶對生產效率進行評估時，伊斯卡孔加工系列因涵蓋孔徑及孔深范圍寬，效率高，被證實為最值得推薦的解決方案之一。
舉例說明，束魔變色龍槍鉆（SUMOGUN）是當前市場上僅有的一款帶兩個有效切削刃的夾持可換刀頭的槍鉆。相比于傳統的焊接式槍鉆，采用束魔變色龍槍鉆使得生產率明顯提升。每個束魔變色龍槍鉆鉆桿可夾持一定直徑范圍內的標準束魔變色龍鉆（SUMOCHAM）刀頭。根據加工的ISO材料的不同，可選擇不同幾何形體的刀頭。束魔變色龍槍鉆的刀頭可實現在機更換，這意味著不必因更換刀頭從機床上取下槍鉆。與市場上的大多數傳統槍鉆相比，束魔變色龍槍鉆帶兩個直排屑槽，夾持標準束魔變色龍鉆刀頭，能以高得多的進給率鉆削深孔。(圖 4)
新型束魔變色龍槍鉆可夾持不同刀頭，能根據被加工材料及應用的不同而靈活應用。通過采用聚酰胺塑料扳手可輕松實現刀頭的裝卸。(圖 5)
標準模塊式束魔變色龍槍鉆的驅動桿也是模塊式的，這是其另一特點。這款革新的槍鉆尾端為螺紋連接式，可連接于不同類型及規格的標準驅動桿。
新型標準束魔變色龍槍鉆直徑范圍為14-25mm，夾持標準束魔變色龍鉆刀頭。每種直徑的槍鉆均提供兩款排屑槽長度，分別為400mm及800mm，可應用于標準臥式銑削中心，臥式車床，多任務機床及專機。所有鉆桿均經鍍鎳處理，使得排屑更容易且更流暢。
對于油氣工業的大直徑鉆削應用，采用伊斯卡的復合變色龍鉆（COMBICHAM）系列是大幅提升生產能力及效率的最佳方案之一。(圖 6)
這種新型模塊式鉆削系列直徑范圍為26-50mm，鉆深可達5xD。復合變色龍鉆（COMBICHAM）夾持一個束魔變色龍鉆（SUMOCHAM）刀頭，2片標準的帶修光刃的精密磨制方刀片SOGX/SOGT，刀片規格因鉆徑大小而不同，采用了領先科技的束魔合金牌號IC808（PVD涂層）。源于全效率設計，鉆頭可實現高速進給鉆削，能獲得高的鉆削效率，高精度及高的被加工表面質量。
建議在油氣工業深孔鉆削零部件的深腔加工中，堅持選用可靠的刀具以確保剛性，刀具壽命，重復定位精度，高精度并優化刀具壽命。
比如將伊斯卡最先進的加工技術整合于一體的“多合一”整體硬質合金立銑刀EFP。該銑刀集伊斯卡飛碟銑刀（FEEDMILL），分屑槽銑刀（CHIP SPLITTER）及防振降噪銑刀（CHATTERFREE）這三種革新的立銑刀的優點于一身，攜最前沿設計為一體，用于型腔銑時具有出色的優勢。EFP整體硬質合金飛碟銑刀憑借其大圓弧切削刃的結構，在0.3-1.0mm的切削深度下能實現高達0.5mm/齒的每齒進給。隨之而來的是采用此刀具能顯著縮短加工周期，由此為工廠帶來生產率的提升。(圖 7)
獨特的切削刃結構使得切削載荷軸向指向機床主軸，這使得即便在大懸伸加工中，也具有高的加工穩定性，實現高的進給率。此獨特的特點使得其在高溫合金的型腔及凹腔加工中具有高的金屬去除率。在型腔加工中，相比于其余粗加工立銑刀，這款帶分屑槽切削刃的立銑刀加工的側壁更平整，被加工表面光潔度更高。分屑槽銑刀的排屑槽還結合了防振降噪（CHATTERFREE）不等齒距設計使得切削力分布更佳，是成功的快速去除大余量解決方案。
此獨特的整體硬質合金立銑刀直徑范圍為6-20mm，具有4個或5個切削刃。合金牌號為IC903，該牌號為在超細晶粒基體上進行前沿的AL-TEC涂層，兼具出色的耐磨性及韌性。
當油氣工業的零部件夾持于帶ISO40 / CAT40 / BT40柄部接口的低功率機床時，采用EFP整體硬質合金立銑刀也可實現高效加工。
毫無疑問，石油、天然氣工業通過各種途徑關聯著我們生命中的每一天：為我們的汽車加油；為我們的家庭供暖；為我們的食材烹煮。油氣工業為全球69億人口帶來他們日常所需能源的60%。另外40%的能源來自于煤、核電、水力發電，以及諸如風電、潮汐能發電乃至類似于柴火這樣的生物質能這類“可再生能源”。全球對能源的需求仍在持續增長，尤其是像中國、印度這樣的發展中國家；與此同時，油氣工業仍在繼續探尋新能源。一些位于具有挑戰性區域的油氣逐漸被發現，例如深水，北極以及一些有政治紛爭的地區。
為滿足全球范圍內對能源需求的快速增長，政府部門頒發了越來越多的深水鉆探許可證。源于對深水油氣的勘探及抽取有空前增長的預期，E&P公司預見離岸工程將迎來強勁的增長。
今天，盡管典型的深水工程水深范圍為1500-2000米，但水深達7000米的超深水工程數量在持續增加。在深水的不利環境下，為遵循苛刻條件下的安全法則，需要巨大的投入來獲得特制的設備及特殊材料。
為應對上述挑戰，保持生產加工的經濟性，伊斯卡研制了革新而前沿的刀具，用于加工能勝任深水不利環境的特殊材料。越來越多的差異化需求，驅動伊斯卡走上了一條革新之路，研制新產品，提供前沿的刀具解決方案，并已印制出完整的解決方案單行本（圖8）；同時通過強大的全球營銷網絡保障每一位客戶得到技術支持及后勤、物流支持。伊斯卡，致力于為綠色環保的環境創建解決方案。
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