TA+Q345R正火復合管板鉆孔加工方法的研究

謝 超

（合肥通用職業技術學院 培訓中心，安徽 合肥 230031）

鈦鋼復合板是以爆炸、軋制等復合方式將鈦板和鋼板焊接而成的雙金屬復合板，繼承了鈦金屬的密度低、比強度高、耐海水腐蝕等優點，充分利用鈦合金優異的耐腐蝕性能作為覆層材料，在我國的冶金、遠洋船舶、石油化工等行業應用越來越廣泛［1］。目前，裝備制造業對大型特種有色金屬材料及其復合板的需求量越來越高，特種設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效率及良品率，但國內在鈦鋼板機加工工藝方面較為欠缺，業內需要具備優異的加工方案來提高鈦鋼復合板在機械行業的應用。本文針對TA+Q345R 正火復合管板鉆孔的加工方法進行研究，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正火復合管板鉆孔的加工方法，大大提高了管孔的加工質量以及加工穩定性，提高了產品合格率，降低了加工風險，為行業研究在TA+Q345R 正火復合管板鉆孔上奠定了加工工藝基礎。

1 TA+Q345R正火復合管板加工特性研究

1.1 TA+Q345R正火復合管板成分屬性

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

1.2 TA+Q345R正火復合管板加工的特性

在TA+Q345R正火復合管板加工過程中，存在增強相和基體相特性多樣性的問題，如鉆頭產熱，因為增強相和基體相熱膨脹系數不同而導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TA+Q345R復合板界面金相組織和拉伸，疲勞斷口進行分析。結果表示：在鈦-鋼結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生，如圖1 所示TA+Q345R復合板爆炸態金相照片出現了類同于鈦材完全退火后的等軸晶粒組織［2］。但在TA+Q345R復合板結合界面附近的Q345R基體發生了較為明顯的脫碳現象，碳含量的降低出現了靠近界面的鋼層成為白色脫碳組織。這個組織的形成，使鉆頭向下鉆動過程中面臨的材質硬度增加，此時需要調節鉆頭的轉速以及給進速度，鉆頭在通過鈦-鋼結合界面時能否把控鉆頭的工況增加了不少TA+Q345R正火復合管板鉆孔過程的難度［3］。

圖1 TA+Q345R復合板爆炸態金相照片

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

1.3 TA+Q345R正火復合管板鉆孔常見問題

由此可見TA+Q345R 正火復合管板加工情況復雜。在經過大量實際鉆孔測試后，TA+Q345R正火復合管板鉆孔加工過程中易產生分層、毛刺、撕裂等缺陷，嚴重影響其機械性能。這種缺陷嚴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，會導致TA+Q345R 正火復合管板結構強度的嚴重下降致無法使用，這將對TA+Q345R正火復合管板結構的安全性和使用壽命都造成嚴重的影響。因此為了避免這種情況的發生，本文對TA+Q345R 正火復合管板的鉆孔過程進行研究是有必要的。目前在對TA+Q345R 正火復合管板的鉆工加工實驗中出現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鋼化學成分（質量分數%）

圖2 TA+Q345R復合板鉆孔分層

1.4 TA+Q345R正火復合管板鉆孔問題產生的原因

TA+Q345R正火復合管板鉆孔過程中，鉆頭會交替接觸基體相和增強相，而基體相和增強相因為上文所說的硬度，體積比及各項異性等因素，導致二者對加工的影響并不相同。因此TA+Q345R正火復合管板的加工對刀具的幾何尺寸和耐磨性有特殊的要求。鉆頭進入工件后由于TA+Q345R正火復合管板的徑向彈性收緊及導熱性能差，使鉆頭受較大徑向及軸向力，普通鉆頭易出現加工困難、磨損加劇的現象。TA+Q345R 化學活性高，在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應，形成溶敷、擴散而形成新的合金，造成粘刀具，切屑不易排除，往往產生鉆頭被咬住、扭斷鉆頭等現象［4］。

TA+Q345R 正火復合管板鉆孔過程中鉆口受力處于一直變化的狀態，鑿刃邊緣負前角產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給速度、鉆孔直徑之間的關系如公式（1）：

K1——TA材料常數；

K2——Q235材料常數；

Fz——推力；

f——轉速；

d——鉆孔直徑。

在力學角度上可以得出減少TA+Q345R 正火復合管板鉆孔過程分層缺陷，就是減少鉆孔過程的軸向推力。鉆孔進行到某個時刻，綜合應力超過層間粘結強度，刀具刺穿出口側，產生了一個出口分層區域［3］。鉆孔進行到另外一個時刻，推力和臨界值相等，不產生分層。整個復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——應用的推力；

x——位移；

a——假設發生開裂部分的尺寸；

G1——每一個區域的能力釋放率；

U——儲存的應變能。

無論是從力學角度看還是從能量角度看，由此可見Fz 是切削結構分層的最主要原因，在實際鉆孔過程中要相應地降低鉆孔給進速度。

2 工藝方案及試驗

TA+Q345R 正火復合管板鉆孔需要較高的加工質量，鉆頭刀具定位精度以及鉆孔數量多等難點，本次試驗采用的鉆孔加工設備為數控立式多軸鉆床，該設備換刀快，加工穩定性好［5］。結合TA+Q345R 正火復合管板加工特性及加工設備特點，切削液選用冷卻性能好及潤滑性能強的皂化液［6］。鉆孔刀具可以使用高速鋼鉆頭或硬質合金鉆頭打孔，因為這兩種鉆頭的硬度更高，可以有效地減少鉆頭與鈦層的摩擦，避免鉆頭高速轉動時過熱，在提高鉆孔效率的同時，還能保證孔洞的質量。如果對孔洞質量要求很高，可以采用涂有涂層的合金鉆頭，避免合金鉆頭高速轉動時產生合金線，導致洞口出現崩口。本文選用機夾式硬質合金內冷刀具，具備滿足復合板切割這種復雜的鉆孔工況，強度高，耐熱性和耐磨性能好，而鉆孔切削參數視材料加工特性而定。

2.1 試驗方案1

試驗板材鉆孔要求：復合板為TA+基層Q345R，管孔粗糙度：Ra12.5；鉆孔大小Φ34 mm，使用立式機夾式硬質合金鉆頭進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；內刃880-040305H-C-LM1144。加工復層外刃刀片選用適用于切削鈦材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；內刃880-040305H-C-LM1144。該方案為了避免重復更換鉆頭帶來的效率低下，因此采用先把各個孔位進行揭蓋，全部揭蓋完畢后統一鉆通孔。

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給，揭蓋孔徑留單邊0.2 mm 通孔余量，設置主軸轉速n=2 200 r/min、進給速度f=0.06 mm/r 的參數加工鈦層揭蓋完畢，設置主軸進給速度f=0.08 mm/r 主軸轉速n=3 000 r/min 繼續加工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速和進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 正火復合管板的加工效率，但是揭蓋處與后期通孔結合處易出現臺階（接刀痕），這是因為中間更換刀具所導致，需后期返修。如圖3 所示的管孔加工實驗中，出現梯狀臺階孔，造成了鉆孔不平滑，使得管孔內部臺階深度達0.20 mm；該臺階形成位置在揭蓋與通孔結合處，即基層和加強層交界位置，臺階寬度約0.01～0.05 mm，因此這種加工方式并不可取，需要重新翻修。同時也出現了一定的分層問題。

圖3 管孔出現的小臺階以及分層問題

原因分析：TA+Q345R 正火復合管板的加工刀具在進給時接觸的不同材料時受力狀態不一致，刀具接觸硬度不同的兩種材質時會導致刀具發生震動或偏移問題，并且在揭蓋時孔的位置與通孔時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，也可能是數控機床重復定位精度不滿足而導致孔位偏移等引起的多方面因素產生了接刀痕［7］。

2.2 試驗方案2

試驗板材鉆孔要求：同試驗方案1

鉆通孔用加工刀片：外刃880-0403W07HPMS2044，內刃880-040305H-C-LM1144，采用主軸進給速度f=0.06 mm/r，主軸刀頭轉速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為：進給速度f=0.07 mm/r，主軸轉速n=2 800 r/min加工下方的Q345R基層。

試制效果：這種方案區別于方案1 采用不更換刀具，只更改主軸參數的加工方案，個別管孔不易斷屑，影響管孔粗糙度，刀片斷屑不易排出會損傷刀具和加工面，易出現管孔質量問題，局部管孔返修并且對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給量不均勻，反饋到刀具上產生振動，導致切削狀態不一致，出現不穩定，在鈦層到Q345R 層的交界面處該類問題最為明顯，對設備穩定性也會產生影響，影響設備壽命［7］，在TA+Q345R 正火復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0.08～0.09 mm。如圖4 管孔出現嚴重分層問題，這種加工方式導致加工件直接報廢，因此該方案不可取。

圖4 管孔出現嚴重分層問題

在對比試驗方案1 和試驗方案2，試驗1 的揭蓋分層加工的方式帶來的加工效果相較于試驗方案2 較好，因此對于TA+Q345R 正火復合管板鉆孔仍需區分基體層和增強層的不同刀具加工方式，不同的刀具和設備加工參數都對應不同的加工層，才能滿足最基本的加工要求，尤其是試驗方案2 中在整個加工過程中使用主軸轉速變速和主軸給進變速的一次性加工成型方案，對設備也有著較大影響，因此結合實驗方案1和實驗方案2存在的加工問題，在實驗方案3 中采用揭蓋的加工方式，仍沿用試驗方案1中的加工工藝。

2.3 試驗方案3

試驗板材鉆孔要求：同試驗方案1。

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

加工方案為單獨對每個孔位進行揭蓋以及數控鉆孔一次成型，不同于方案一中先全部孔位揭蓋完畢再每個孔位鉆通孔。每次加工參數為主軸進給速度f=0.06 mm/r、主軸n=2 200 r/min 加工鈦復合層，為保證鉆通孔刀具可以順利進入，揭蓋時，孔位預留單邊0.15 mm 的通孔余量。鉆通孔時，將管孔孔徑一次加工成型到位，加工參數為主軸進給速度f=0.08 mm/r，主軸轉速n=3 000 r/min加工Q345-R碳鋼基層。

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

圖5 管孔因切屑產生劃痕

為避免出現試制方案3 中出現切屑纏繞損傷刀具和加工面導致易發生孔徑超誤差的問題，需要加入修整孔徑超誤差的工序。在此引進雙刃鏜刀對管孔進行修正，通過對孔徑壁進行修正，保證管孔加工質量滿足要求，使管孔加工質量更穩定，在增加鏜刀對TA+Q345R 正火復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，降低管孔加工質量風險，能夠滿足圖紙要求，提高管孔加工合格率。

2.4 試驗方案4

延續試驗方案3 的加工方式，引進雙刃鏜刀做為管孔數控一次成型的修整工序，對管孔內部進行一次成型加工修正，采用如圖6 雙刃鏜刀進行加工。

圖6 雙刃鏜刀

試驗板材鉆孔要求：同試驗方案1。

加工基層選用適用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；內刃880-04 0305H-C-LM1144。加工復合層外刃刀片選用適用于切削鈦材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；內刃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加工方式，加工方式為每加工一個孔，都要預先對每個孔位進行揭蓋，每個孔位基層預鉆完畢再對該孔進行鉆通孔工藝，以避免重復定位帶來臺階孔的缺陷問題［8］。

加工方案為單獨對每個孔位進行揭蓋及數控一次成型，每次加工參數為主軸進給速度f=0.06 mm/r、主軸n=2 200 r/min。試驗中先加工鈦復合層，為保證鉆通孔刀具可以順利通過鈦復合層，在上述揭蓋環節，孔位還要預留單邊0.15 mm的通孔余量。鉆通孔時，將管孔孔徑一次加工成型到位，加工參數為主軸進給速度f=0.08 mm/r，主軸轉速n=3 000 r/min，此時加工為Q345R碳鋼基層。

然后對管孔進行鏜擴孔修正，設置主軸轉速2 700 r/min，主軸進刀速度f=0.1 mm/r，經過實測后，如圖7加工橢圓度小于0.015 mm，加工粗糙度滿足圖紙設計要求。

圖7 鉆孔成功圖示

3 結論

表2 中N 為孔的數量，在四次方案試驗中，通過方案一和方案二的對比中，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優化，并推測出方案一對于連續鉆孔導致了定位誤差疊加，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 方案效果對比

在經過對TA+Q345R 正火復合管板鉆孔加工工藝的研究和實驗中，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 正火復合管板鉆孔加工工序，大大提高了管孔的加工質量、加工穩定性以及產品合格率，降低了加工風險，為行業內在TA+Q345R 正火復合管板鉆孔上奠定了工藝基礎，提高了制造工藝水平，增強了市場競爭力［9］。