防彈鋼板的機(jī)械加工性能研究

何 蔚，鄧文科，雷 勇

（三一汽車制造有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

某型防彈鋼板是某公司外購(gòu)的一種高強(qiáng)度耐磨防護(hù)鋼板，該鋼板應(yīng)我司要求特別生產(chǎn)，具有高強(qiáng)高硬特點(diǎn)，擁有良好的力學(xué)性能、可靠的防護(hù)性能和良好的焊接性能，主要應(yīng)用于各種具有防護(hù)要求的場(chǎng)合特別是用于特種車輛關(guān)鍵防護(hù)位置的結(jié)構(gòu)件。

從表1可知，此防彈鋼的屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到1 500 MPa，屬于低合金高強(qiáng)度鋼。目前國(guó)內(nèi)常用的高強(qiáng)度鋼板屈服強(qiáng)度一般是750~1 000 MPa.而且針對(duì)1 000 MPa以上的低合金高強(qiáng)鋼的機(jī)械加工研究報(bào)道甚少。因此本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)該防彈鋼板的加工性能進(jìn)行了探索，為工廠實(shí)際生產(chǎn)以及工程師設(shè)計(jì)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

表1 某防彈鋼的機(jī)械性能與化學(xué)成分

1 工藝性分析

根據(jù)已有文獻(xiàn)了解，高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的剪切強(qiáng)度高，變形困難，切削力在同等切削條件下，比一般鋼材增加3倍，比切削45#鋼的單位切削力大1.17～1.4倍[1]。高強(qiáng)度鋼切削時(shí)切屑不易卷曲和折斷，還會(huì)纏繞在工件和刀具上，影響切削的順利進(jìn)行。同時(shí)高強(qiáng)度鋼的導(dǎo)熱性差，切削時(shí)切屑集中于刃口附近很小的接觸面內(nèi)，使切削溫度增高，所以需要在加工時(shí)進(jìn)行切削液冷卻。

2 工藝試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用的防彈鋼板主要用于某型特種車輛的車身防護(hù)，涉及的工序是折彎與焊接以及裝配。因?yàn)榇祟愪摪逶诨鹧婕庸ず髲?qiáng)度會(huì)有所降低，所以焊接坡口主要是采用銑削加工。另外根據(jù)裝配需求需要在鋼板上開(kāi)孔，所以主要測(cè)試的加工工序?yàn)殂@削和銑削。因車削刀具的材料與鉆銑削刀具類似，可以進(jìn)行類比，考慮到成本，本次試驗(yàn)未進(jìn)行車削試驗(yàn)。為了結(jié)合工廠現(xiàn)有設(shè)備，并考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、通用性等方面的因素，決定通過(guò)采用普通設(shè)備與數(shù)控設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)（見(jiàn)表2），為該鋼板大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際提供設(shè)備選用依據(jù)。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

2.2 刀具選擇

防彈鋼在經(jīng)過(guò)熱處理后，硅、鉬、鎳等元素使固溶體強(qiáng)化，金相組織多為馬氏體，具有很高的強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)鋼材工藝性的分析以及相關(guān)文獻(xiàn)的介紹[2]，也選擇硬質(zhì)合金刀具與高性能高速鋼刀具進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。同樣根據(jù)實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性原則采用國(guó)產(chǎn)高速鋼刀具和國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具（見(jiàn)表3）。

表3 試驗(yàn)刀具

2.3 試驗(yàn)板材制備

本次采購(gòu)的鋼板主要為板厚8 mm的防彈鋼板。因?yàn)楣S的主要鋼板下料工藝為等離子或者激光切割，均為熱切割，割口位置會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，一般距割口5~8 mm范圍。熱影響區(qū)的硬度會(huì)急劇下降。激光下料比等離子下料熱影響區(qū)小。為減少熱影響區(qū)的寬度，此次板材采用激光切割下料。考慮裝夾因素，選擇150 mm×300 mm尺寸作為試驗(yàn)板材規(guī)格。

2.4 工藝試驗(yàn)參數(shù)選擇原則

因主要為生產(chǎn)進(jìn)行探索驗(yàn)證，故本次試驗(yàn)的工藝參數(shù)采用機(jī)加切削手冊(cè)推薦參數(shù)以及參考刀具商手冊(cè)推薦參數(shù)制定[3-4]。普通機(jī)床未安裝液壓泵，采用手動(dòng)添加切削液方式，數(shù)控機(jī)床開(kāi)啟高壓切削液模式。

2.5 其他特殊事項(xiàng)

因合金刀具的特性，在低轉(zhuǎn)速的普通機(jī)床不適用，易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，故本次在普通機(jī)床上未進(jìn)行合金刀具試驗(yàn)?？紤]到需進(jìn)行螺紋孔的加工，合金螺紋刀具性價(jià)比太低，不存在大范圍推廣的意義，故本次螺紋加工只進(jìn)行了高速鋼絲錐的試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 高速鋼鉆頭：設(shè)備（搖臂鉆）

刀具材質(zhì)：高速鋼HSS

刀具直徑：D20

切 削 參 數(shù) ：Vc=3 m/min，n=130 r/min，fn=0.15 mm/r

切削液：普通切削液手動(dòng)添加

經(jīng)過(guò)多次鉆削仍無(wú)法鉆動(dòng)，只能在表面鉆出一個(gè)淺坑，如圖1所示。

圖1 高速鋼鉆孔試驗(yàn)結(jié)果

3.2 合金鉆頭：設(shè)備——立式加工中心

刀具材質(zhì)：硬質(zhì)合金整體鉆頭牌號(hào)GD05

刀具直徑：D10

切削參數(shù)：Vc=80 m/min，n=2000 r/min，fn=0.12 mm/r

切削液：高壓切削液

如圖2所示，能順利鉆通，表面粗糙度達(dá)到Ra12.5以上。

圖2 合金鉆頭鉆孔結(jié)果

3.3 高速鋼絲錐：設(shè)備——搖臂鉆

刀具材質(zhì)：高速鋼絲錐HSS

刀具規(guī)格：M12

切削參數(shù)：Vc=2 m/min，n=100 r/min

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，高速鋼絲錐在孔口即崩刃無(wú)法進(jìn)行。

圖3 高速鋼絲錐攻絲試驗(yàn)結(jié)果

3.4 高速鋼銑刀：設(shè)備——普銑

刀具材質(zhì)：高速鋼HSS

刀具直徑：D20

切削參數(shù)：Vc=80 m/min，n=400 r/min，fn=0.2 mm/r

切削液：普通切削液手動(dòng)添加

發(fā)現(xiàn)高速鋼銑刀在鋼板割口即熱影響區(qū)即卷刃，加切削液勉強(qiáng)銑完一槽刀具已磨損燒蝕，如圖4所示。

圖4 高速鋼銑刀銑削試驗(yàn)結(jié)果

3.5 硬質(zhì)合金銑刀：設(shè)備——立式加工中心

刀具材質(zhì)：硬質(zhì)合金面銑刀 刀片牌號(hào)YBC302刀片型號(hào)SEET12T3-DM

刀具直徑：刀盤直徑50 mm

切削參數(shù)：Vc=150 m/min，n=1 000 r/min，fn=0.15 mm/r

實(shí)驗(yàn)時(shí)，如圖5所示。側(cè)銑與面銑加工面切削表面粗糙度質(zhì)量均達(dá)到Ra12.5.

圖5 合金銑刀銑削試驗(yàn)結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)后，將結(jié)果進(jìn)行了匯總（見(jiàn)表4），并總結(jié)如下：

表4 試驗(yàn)情況匯總

4.1 加工刀具選擇

從切削結(jié)果和加工質(zhì)量來(lái)看，國(guó)產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具加工方案完全可行。雖然不能通過(guò)這次試驗(yàn)就完全否定高速鋼刀具對(duì)于所有高強(qiáng)鋼板加工的作用，至少通過(guò)以上切削驗(yàn)證，對(duì)于該型防彈鋼板的加工應(yīng)盡量避免采用高速鋼刀具。

4.2 加工設(shè)備選擇

因選擇硬質(zhì)合金刀具則導(dǎo)致對(duì)于防彈鋼板的加工不宜采用轉(zhuǎn)速較低的普通機(jī)床。根據(jù)合金刀具的特質(zhì)，在低速機(jī)床上合金刀具極易崩刃。故對(duì)于該防彈鋼板的加工設(shè)備應(yīng)優(yōu)先考慮數(shù)控設(shè)備。

4.3 螺紋的加工

對(duì)于防彈鋼板上螺紋孔的加工，本次工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高速鋼絲錐不能應(yīng)用于防彈鋼板，考慮到刀具成本以及加工設(shè)備的限制也不建議在防彈鋼板的加工時(shí)使用合金螺紋銑刀。故在采用防彈鋼板零件的連接上基本需要排除在鋼板上進(jìn)行螺紋連接的可能。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上的工藝試驗(yàn)，此種高強(qiáng)度防彈鋼板在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)需要采用數(shù)控機(jī)床，加工刀具應(yīng)該采用硬質(zhì)合金刀具。設(shè)計(jì)工程師在應(yīng)用此防彈鋼板時(shí)需避免在鋼板上直接鉆攻螺紋孔，應(yīng)考慮采取其他方式進(jìn)行連接。通過(guò)工藝試驗(yàn)，明確了新材料的工藝方案，并將防彈鋼板的工藝性能提供給設(shè)計(jì)部門參考。這樣有助于減少工廠的浪費(fèi)與設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。此外對(duì)于其他更高強(qiáng)度鋼板的加工也具有借鑒意義。