TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔加工方法的研究

謝 超

（合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230031）

鈦鋼復(fù)合板是以爆炸、軋制等復(fù)合方式將鈦板和鋼板焊接而成的雙金屬復(fù)合板，繼承了鈦金屬的密度低、比強(qiáng)度高、耐海水腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，充分利用鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能作為覆層材料，在我國的冶金、遠(yuǎn)洋船舶、石油化工等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛［1］。目前，裝備制造業(yè)對(duì)大型特種有色金屬材料及其復(fù)合板的需求量越來越高，特種設(shè)備的加工存在工藝難度大、體積大、重量大等問題，需要具備良好的加工工藝才能提高生產(chǎn)效率及良品率，但國內(nèi)在鈦鋼板機(jī)加工工藝方面較為欠缺，業(yè)內(nèi)需要具備優(yōu)異的加工方案來提高鈦鋼復(fù)合板在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用。本文針對(duì)TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔的加工方法進(jìn)行研究，通過了解多種加工工藝帶來的不同工藝效果，最終確定了TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔的加工方法，大大提高了管孔的加工質(zhì)量以及加工穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品合格率，降低了加工風(fēng)險(xiǎn)，為行業(yè)研究在TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔上奠定了加工工藝基礎(chǔ)。

1 TA+Q345R正火復(fù)合管板加工特性研究

1.1 TA+Q345R正火復(fù)合管板成分屬性

鈦金屬板的屬性除上表面的鋼化學(xué)成分外，鈦硬度是200～220HB，Q345R 板材硬度在150～170HB 之間，較大的硬度差距導(dǎo)致復(fù)合板材的加工難度增大，實(shí)際加工時(shí)需要采用不同的刀具以及不同的加工工藝。

1.2 TA+Q345R正火復(fù)合管板加工的特性

在TA+Q345R正火復(fù)合管板加工過程中，存在增強(qiáng)相和基體相特性多樣性的問題，如鉆頭產(chǎn)熱，因?yàn)樵鰪?qiáng)相和基體相熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的鉆頭打孔孔徑不均勻；也存在材料非均勻性和各向異性的問題。TA+Q345R 復(fù)合板的形成，是TA 和Q345中間鏈接界面形成了金屬化合物，孫倩等提到利用金相顯微鏡，掃描電鏡對(duì)TA+Q345R復(fù)合板界面金相組織和拉伸，疲勞斷口進(jìn)行分析。結(jié)果表示：在鈦-鋼結(jié)合界面生成了脆性化合物，較小的組織晶粒伴隨著高硬度的產(chǎn)生，如圖1 所示TA+Q345R復(fù)合板爆炸態(tài)金相照片出現(xiàn)了類同于鈦材完全退火后的等軸晶粒組織［2］。但在TA+Q345R復(fù)合板結(jié)合界面附近的Q345R基體發(fā)生了較為明顯的脫碳現(xiàn)象，碳含量的降低出現(xiàn)了靠近界面的鋼層成為白色脫碳組織。這個(gè)組織的形成，使鉆頭向下鉆動(dòng)過程中面臨的材質(zhì)硬度增加，此時(shí)需要調(diào)節(jié)鉆頭的轉(zhuǎn)速以及給進(jìn)速度，鉆頭在通過鈦-鋼結(jié)合界面時(shí)能否把控鉆頭的工況增加了不少TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔過程的難度［3］。

圖1 TA+Q345R復(fù)合板爆炸態(tài)金相照片

除此之外基體相和增強(qiáng)相體積比的問題，TA+Q345R 正火復(fù)合管板的形成是爆炸、軋制等復(fù)合方式將鈦板和鋼板焊接而成的雙金屬復(fù)合板，這些復(fù)合方式的焊接精度無法保證。因此TA+Q345R 正火復(fù)合管板的TA 和Q345R 之間的界面為波紋狀，如圖1，鉆頭在鉆過復(fù)合板的交界面時(shí)會(huì)頻繁震動(dòng)，影響鉆孔精度。

1.3 TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔常見問題

由此可見TA+Q345R 正火復(fù)合管板加工情況復(fù)雜。在經(jīng)過大量實(shí)際鉆孔測試后，TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔加工過程中易產(chǎn)生分層、毛刺、撕裂等缺陷，嚴(yán)重影響其機(jī)械性能。這種缺陷嚴(yán)重影響了工件的加工效率，提高了加工成本。尤其是分層缺陷，會(huì)導(dǎo)致TA+Q345R 正火復(fù)合管板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的嚴(yán)重下降致無法使用，這將對(duì)TA+Q345R正火復(fù)合管板結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命都造成嚴(yán)重的影響。因此為了避免這種情況的發(fā)生，本文對(duì)TA+Q345R 正火復(fù)合管板的鉆孔過程進(jìn)行研究是有必要的。目前在對(duì)TA+Q345R 正火復(fù)合管板的鉆工加工實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的常見鉆孔缺陷類型主要以分層為主，如圖2所示。

表1 TA/Q345R鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

圖2 TA+Q345R復(fù)合板鉆孔分層

1.4 TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔問題產(chǎn)生的原因

TA+Q345R正火復(fù)合管板鉆孔過程中，鉆頭會(huì)交替接觸基體相和增強(qiáng)相，而基體相和增強(qiáng)相因?yàn)樯衔乃f的硬度，體積比及各項(xiàng)異性等因素，導(dǎo)致二者對(duì)加工的影響并不相同。因此TA+Q345R正火復(fù)合管板的加工對(duì)刀具的幾何尺寸和耐磨性有特殊的要求。鉆頭進(jìn)入工件后由于TA+Q345R正火復(fù)合管板的徑向彈性收緊及導(dǎo)熱性能差，使鉆頭受較大徑向及軸向力，普通鉆頭易出現(xiàn)加工困難、磨損加劇的現(xiàn)象。TA+Q345R 化學(xué)活性高，在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散而形成新的合金，造成粘刀具，切屑不易排除，往往產(chǎn)生鉆頭被咬住、扭斷鉆頭等現(xiàn)象［4］。

TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔過程中鉆口受力處于一直變化的狀態(tài)，鑿刃邊緣負(fù)前角產(chǎn)生的推力使得鉆孔初始階段推力劇烈增加建立了鉆削力與進(jìn)給速度、鉆孔直徑之間的關(guān)系如公式（1）：

K1——TA材料常數(shù)；

K2——Q235材料常數(shù)；

Fz——推力；

f——轉(zhuǎn)速；

d——鉆孔直徑。

在力學(xué)角度上可以得出減少TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔過程分層缺陷，就是減少鉆孔過程的軸向推力。鉆孔進(jìn)行到某個(gè)時(shí)刻，綜合應(yīng)力超過層間粘結(jié)強(qiáng)度，刀具刺穿出口側(cè)，產(chǎn)生了一個(gè)出口分層區(qū)域［3］。鉆孔進(jìn)行到另外一個(gè)時(shí)刻，推力和臨界值相等，不產(chǎn)生分層。整個(gè)復(fù)合板是具有彈性和各向異性的能量平衡方程，如公式（2）：

D——鉆孔直徑；

Fz——應(yīng)用的推力；

x——位移；

a——假設(shè)發(fā)生開裂部分的尺寸；

G1——每一個(gè)區(qū)域的能力釋放率；

U——儲(chǔ)存的應(yīng)變能。

無論是從力學(xué)角度看還是從能量角度看，由此可見Fz 是切削結(jié)構(gòu)分層的最主要原因，在實(shí)際鉆孔過程中要相應(yīng)地降低鉆孔給進(jìn)速度。

2 工藝方案及試驗(yàn)

TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔需要較高的加工質(zhì)量，鉆頭刀具定位精度以及鉆孔數(shù)量多等難點(diǎn)，本次試驗(yàn)采用的鉆孔加工設(shè)備為數(shù)控立式多軸鉆床，該設(shè)備換刀快，加工穩(wěn)定性好［5］。結(jié)合TA+Q345R 正火復(fù)合管板加工特性及加工設(shè)備特點(diǎn)，切削液選用冷卻性能好及潤滑性能強(qiáng)的皂化液［6］。鉆孔刀具可以使用高速鋼鉆頭或硬質(zhì)合金鉆頭打孔，因?yàn)檫@兩種鉆頭的硬度更高，可以有效地減少鉆頭與鈦層的摩擦，避免鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)過熱，在提高鉆孔效率的同時(shí)，還能保證孔洞的質(zhì)量。如果對(duì)孔洞質(zhì)量要求很高，可以采用涂有涂層的合金鉆頭，避免合金鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生合金線，導(dǎo)致洞口出現(xiàn)崩口。本文選用機(jī)夾式硬質(zhì)合金內(nèi)冷刀具，具備滿足復(fù)合板切割這種復(fù)雜的鉆孔工況，強(qiáng)度高，耐熱性和耐磨性能好，而鉆孔切削參數(shù)視材料加工特性而定。

2.1 試驗(yàn)方案1

試驗(yàn)板材鉆孔要求：復(fù)合板為TA+基層Q345R，管孔粗糙度：Ra12.5；鉆孔大小Φ34 mm，使用立式機(jī)夾式硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行一次加工成型鉆孔。加工基層選用適用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；內(nèi)刃880-040305H-C-LM1144。加工復(fù)層外刃刀片選用適用于切削鈦材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；內(nèi)刃880-040305H-C-LM1144。該方案為了避免重復(fù)更換鉆頭帶來的效率低下，因此采用先把各個(gè)孔位進(jìn)行揭蓋，全部揭蓋完畢后統(tǒng)一鉆通孔。

揭蓋用加工刀片：給所有孔先揭蓋，為了保證鉆通孔用加工刀片順利進(jìn)給，揭蓋孔徑留單邊0.2 mm 通孔余量，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速n=2 200 r/min、進(jìn)給速度f=0.06 mm/r 的參數(shù)加工鈦層揭蓋完畢，設(shè)置主軸進(jìn)給速度f=0.08 mm/r 主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min 繼續(xù)加工Q345R 碳鋼基層，并一次性將管孔Φ34 mm孔徑加工到位。

通過揭蓋分步加工方法，在不同的切削層使用不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量能夠在一定程度上解決了刀片斷屑問題，刀片斷屑不易排出會(huì)損傷刀具和加工面，因此該方案下管孔粗糙度較好，不用再進(jìn)行二次打磨。

雖然一次性加工成型的方式提高了TA+Q345R 正火復(fù)合管板的加工效率，但是揭蓋處與后期通孔結(jié)合處易出現(xiàn)臺(tái)階（接刀痕），這是因?yàn)橹虚g更換刀具所導(dǎo)致，需后期返修。如圖3 所示的管孔加工實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)梯狀臺(tái)階孔，造成了鉆孔不平滑，使得管孔內(nèi)部臺(tái)階深度達(dá)0.20 mm；該臺(tái)階形成位置在揭蓋與通孔結(jié)合處，即基層和加強(qiáng)層交界位置，臺(tái)階寬度約0.01～0.05 mm，因此這種加工方式并不可取，需要重新翻修。同時(shí)也出現(xiàn)了一定的分層問題。

圖3 管孔出現(xiàn)的小臺(tái)階以及分層問題

原因分析：TA+Q345R 正火復(fù)合管板的加工刀具在進(jìn)給時(shí)接觸的不同材料時(shí)受力狀態(tài)不一致，刀具接觸硬度不同的兩種材質(zhì)時(shí)會(huì)導(dǎo)致刀具發(fā)生震動(dòng)或偏移問題，并且在揭蓋時(shí)孔的位置與通孔時(shí)管板的位置也存在誤差，可能是在揭蓋和鉆通孔過程中換刀后存在刀具位移，也可能是數(shù)控機(jī)床重復(fù)定位精度不滿足而導(dǎo)致孔位偏移等引起的多方面因素產(chǎn)生了接刀痕［7］。

2.2 試驗(yàn)方案2

試驗(yàn)板材鉆孔要求：同試驗(yàn)方案1

鉆通孔用加工刀片：外刃880-0403W07HPMS2044，內(nèi)刃880-040305H-C-LM1144，采用主軸進(jìn)給速度f=0.06 mm/r，主軸刀頭轉(zhuǎn)速n=2 200 r/min 先加工鈦層，不更換刀具情況下更改主軸加工參數(shù)為：進(jìn)給速度f=0.07 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速n=2 800 r/min加工下方的Q345R基層。

試制效果：這種方案區(qū)別于方案1 采用不更換刀具，只更改主軸參數(shù)的加工方案，個(gè)別管孔不易斷屑，影響管孔粗糙度，刀片斷屑不易排出會(huì)損傷刀具和加工面，易出現(xiàn)管孔質(zhì)量問題，局部管孔返修并且對(duì)刀具的壽命也存在影響。

原因分析：這可能是刀具在加工變速過程中每齒進(jìn)給量不均勻，反饋到刀具上產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致切削狀態(tài)不一致，出現(xiàn)不穩(wěn)定，在鈦層到Q345R 層的交界面處該類問題最為明顯，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響，影響設(shè)備壽命［7］，在TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔樣件試制中，孔橢圓度0.06～0.1 mm，視為加工橢圓度不合格，且管孔孔徑上中下超差，達(dá)0.08～0.09 mm。如圖4 管孔出現(xiàn)嚴(yán)重分層問題，這種加工方式導(dǎo)致加工件直接報(bào)廢，因此該方案不可取。

圖4 管孔出現(xiàn)嚴(yán)重分層問題

在對(duì)比試驗(yàn)方案1 和試驗(yàn)方案2，試驗(yàn)1 的揭蓋分層加工的方式帶來的加工效果相較于試驗(yàn)方案2 較好，因此對(duì)于TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔仍需區(qū)分基體層和增強(qiáng)層的不同刀具加工方式，不同的刀具和設(shè)備加工參數(shù)都對(duì)應(yīng)不同的加工層，才能滿足最基本的加工要求，尤其是試驗(yàn)方案2 中在整個(gè)加工過程中使用主軸轉(zhuǎn)速變速和主軸給進(jìn)變速的一次性加工成型方案，對(duì)設(shè)備也有著較大影響，因此結(jié)合實(shí)驗(yàn)方案1和實(shí)驗(yàn)方案2存在的加工問題，在實(shí)驗(yàn)方案3 中采用揭蓋的加工方式，仍沿用試驗(yàn)方案1中的加工工藝。

2.3 試驗(yàn)方案3

試驗(yàn)板材鉆孔要求：同試驗(yàn)方案1。

加工基層選用適用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；內(nèi)刃880-04 0305H-C-LM 1144。加工復(fù)合層外刃刀片選用適用于切削鈦材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；內(nèi)刃880-040305H-C-LM1144。針對(duì)“試驗(yàn)方案1”中出現(xiàn)的問題，為了避免刀具的重復(fù)定位導(dǎo)致的精度問題，該方案采用一孔一揭一鉆的連續(xù)加工方式，具體為每加工一個(gè)孔，都要先對(duì)每個(gè)孔位進(jìn)行揭蓋，每個(gè)孔位揭蓋完畢再對(duì)該孔進(jìn)行鉆通孔工藝，以避免重復(fù)定位帶來的臺(tái)階孔問題。

加工方案為單獨(dú)對(duì)每個(gè)孔位進(jìn)行揭蓋以及數(shù)控鉆孔一次成型，不同于方案一中先全部孔位揭蓋完畢再每個(gè)孔位鉆通孔。每次加工參數(shù)為主軸進(jìn)給速度f=0.06 mm/r、主軸n=2 200 r/min 加工鈦復(fù)合層，為保證鉆通孔刀具可以順利進(jìn)入，揭蓋時(shí)，孔位預(yù)留單邊0.15 mm 的通孔余量。鉆通孔時(shí)，將管孔孔徑一次加工成型到位，加工參數(shù)為主軸進(jìn)給速度f=0.08 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min加工Q345-R碳鋼基層。

試件加工效果：管孔質(zhì)量較好，能滿足基本的使用要求，但在加工過程中還是存在偶發(fā)性切屑纏繞等問題，如圖5 管孔因切屑對(duì)管孔產(chǎn)生劃痕圖。切屑纏繞損傷刀具和加工面，導(dǎo)致管孔孔徑超差。鉆孔刀具使用壽命降低，平均約52個(gè)孔/刃。

圖5 管孔因切屑產(chǎn)生劃痕

為避免出現(xiàn)試制方案3 中出現(xiàn)切屑纏繞損傷刀具和加工面導(dǎo)致易發(fā)生孔徑超誤差的問題，需要加入修整孔徑超誤差的工序。在此引進(jìn)雙刃鏜刀對(duì)管孔進(jìn)行修正，通過對(duì)孔徑壁進(jìn)行修正，保證管孔加工質(zhì)量滿足要求，使管孔加工質(zhì)量更穩(wěn)定，在增加鏜刀對(duì)TA+Q345R 正火復(fù)合管板管孔修整后管孔的橢圓度及整體孔徑偏差控制在0.02 mm內(nèi)，降低管孔加工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，能夠滿足圖紙要求，提高管孔加工合格率。

2.4 試驗(yàn)方案4

延續(xù)試驗(yàn)方案3 的加工方式，引進(jìn)雙刃鏜刀做為管孔數(shù)控一次成型的修整工序，對(duì)管孔內(nèi)部進(jìn)行一次成型加工修正，采用如圖6 雙刃鏜刀進(jìn)行加工。

圖6 雙刃鏜刀

試驗(yàn)板材鉆孔要求：同試驗(yàn)方案1。

加工基層選用適用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；內(nèi)刃880-04 0305H-C-LM1144。加工復(fù)合層外刃刀片選用適用于切削鈦材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；內(nèi)刃880-040305H-C-LM1144；增加鏜孔加工刀片：880-0403W07H-PLM4044。

該方案采用沿用方案3 一孔一揭一鉆的連續(xù)加工方式，加工方式為每加工一個(gè)孔，都要預(yù)先對(duì)每個(gè)孔位進(jìn)行揭蓋，每個(gè)孔位基層預(yù)鉆完畢再對(duì)該孔進(jìn)行鉆通孔工藝，以避免重復(fù)定位帶來臺(tái)階孔的缺陷問題［8］。

加工方案為單獨(dú)對(duì)每個(gè)孔位進(jìn)行揭蓋及數(shù)控一次成型，每次加工參數(shù)為主軸進(jìn)給速度f=0.06 mm/r、主軸n=2 200 r/min。試驗(yàn)中先加工鈦復(fù)合層，為保證鉆通孔刀具可以順利通過鈦復(fù)合層，在上述揭蓋環(huán)節(jié)，孔位還要預(yù)留單邊0.15 mm的通孔余量。鉆通孔時(shí)，將管孔孔徑一次加工成型到位，加工參數(shù)為主軸進(jìn)給速度f=0.08 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，此時(shí)加工為Q345R碳鋼基層。

然后對(duì)管孔進(jìn)行鏜擴(kuò)孔修正，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速2 700 r/min，主軸進(jìn)刀速度f=0.1 mm/r，經(jīng)過實(shí)測后，如圖7加工橢圓度小于0.015 mm，加工粗糙度滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

圖7 鉆孔成功圖示

3 結(jié)論

表2 中N 為孔的數(shù)量，在四次方案試驗(yàn)中，通過方案一和方案二的對(duì)比中，確定了直接鉆通孔是不可取的方式，必須在方案一揭蓋+鉆通孔兩部工藝上繼續(xù)優(yōu)化，并推測出方案一對(duì)于連續(xù)鉆孔導(dǎo)致了定位誤差疊加，因此在鉆孔換刀方面改為一孔一換，但是最終表明還是需要像方案四這樣的鏜孔修正方案。

表2 方案效果對(duì)比

在經(jīng)過對(duì)TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔加工工藝的研究和實(shí)驗(yàn)中，了解了多種加工工藝帶來的不同工藝效果，最終確定了揭蓋+鉆通孔+鏜孔的TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔加工工序，大大提高了管孔的加工質(zhì)量、加工穩(wěn)定性以及產(chǎn)品合格率，降低了加工風(fēng)險(xiǎn)，為行業(yè)內(nèi)在TA+Q345R 正火復(fù)合管板鉆孔上奠定了工藝基礎(chǔ)，提高了制造工藝水平，增強(qiáng)了市場競爭力［9］。