TA+Q345R正火复合管板钻孔加工方法的研究

谢 超

（合肥通用职业技术学院 培训中心，安徽 合肥 230031）

钛钢复合板是以爆炸、轧制等复合方式将钛板和钢板焊接而成的双金属复合板，继承了钛金属的密度低、比强度高、耐海水腐蚀等优点，充分利用钛合金优异的耐腐蚀性能作为覆层材料，在我国的冶金、远洋船舶、石油化工等行业应用越来越广泛［1］。目前，装备制造业对大型特种有色金属材料及其复合板的需求量越来越高，特种设备的加工存在工艺难度大、体积大、重量大等问题，需要具备良好的加工工艺才能提高生产效率及良品率，但国内在钛钢板机加工工艺方面较为欠缺，业内需要具备优异的加工方案来提高钛钢复合板在机械行业的应用。本文针对TA+Q345R 正火复合管板钻孔的加工方法进行研究，通过了解多种加工工艺带来的不同工艺效果，最终确定了TA+Q345R正火复合管板钻孔的加工方法，大大提高了管孔的加工质量以及加工稳定性，提高了产品合格率，降低了加工风险，为行业研究在TA+Q345R 正火复合管板钻孔上奠定了加工工艺基础。

1 TA+Q345R正火复合管板加工特性研究

1.1 TA+Q345R正火复合管板成分属性

钛金属板的属性除上表面的钢化学成分外，钛硬度是200～220HB，Q345R 板材硬度在150～170HB 之间，较大的硬度差距导致复合板材的加工难度增大，实际加工时需要采用不同的刀具以及不同的加工工艺。

1.2 TA+Q345R正火复合管板加工的特性

在TA+Q345R正火复合管板加工过程中，存在增强相和基体相特性多样性的问题，如钻头产热，因为增强相和基体相热膨胀系数不同而导致的钻头打孔孔径不均匀；也存在材料非均匀性和各向异性的问题。TA+Q345R 复合板的形成，是TA 和Q345中间链接界面形成了金属化合物，孙倩等提到利用金相显微镜，扫描电镜对TA+Q345R复合板界面金相组织和拉伸，疲劳断口进行分析。结果表示：在钛-钢结合界面生成了脆性化合物，较小的组织晶粒伴随着高硬度的产生，如图1 所示TA+Q345R复合板爆炸态金相照片出现了类同于钛材完全退火后的等轴晶粒组织［2］。但在TA+Q345R复合板结合界面附近的Q345R基体发生了较为明显的脱碳现象，碳含量的降低出现了靠近界面的钢层成为白色脱碳组织。这个组织的形成，使钻头向下钻动过程中面临的材质硬度增加，此时需要调节钻头的转速以及给进速度，钻头在通过钛-钢结合界面时能否把控钻头的工况增加了不少TA+Q345R正火复合管板钻孔过程的难度［3］。

图1 TA+Q345R复合板爆炸态金相照片

除此之外基体相和增强相体积比的问题，TA+Q345R 正火复合管板的形成是爆炸、轧制等复合方式将钛板和钢板焊接而成的双金属复合板，这些复合方式的焊接精度无法保证。因此TA+Q345R 正火复合管板的TA 和Q345R 之间的界面为波纹状，如图1，钻头在钻过复合板的交界面时会频繁震动，影响钻孔精度。

1.3 TA+Q345R正火复合管板钻孔常见问题

由此可见TA+Q345R 正火复合管板加工情况复杂。在经过大量实际钻孔测试后，TA+Q345R正火复合管板钻孔加工过程中易产生分层、毛刺、撕裂等缺陷，严重影响其机械性能。这种缺陷严重影响了工件的加工效率，提高了加工成本。尤其是分层缺陷，会导致TA+Q345R 正火复合管板结构强度的严重下降致无法使用，这将对TA+Q345R正火复合管板结构的安全性和使用寿命都造成严重的影响。因此为了避免这种情况的发生，本文对TA+Q345R 正火复合管板的钻孔过程进行研究是有必要的。目前在对TA+Q345R 正火复合管板的钻工加工实验中出现的常见钻孔缺陷类型主要以分层为主，如图2所示。

表1 TA/Q345R钢化学成分（质量分数%）

图2 TA+Q345R复合板钻孔分层

1.4 TA+Q345R正火复合管板钻孔问题产生的原因

TA+Q345R正火复合管板钻孔过程中，钻头会交替接触基体相和增强相，而基体相和增强相因为上文所说的硬度，体积比及各项异性等因素，导致二者对加工的影响并不相同。因此TA+Q345R正火复合管板的加工对刀具的几何尺寸和耐磨性有特殊的要求。钻头进入工件后由于TA+Q345R正火复合管板的径向弹性收紧及导热性能差，使钻头受较大径向及轴向力，普通钻头易出现加工困难、磨损加剧的现象。TA+Q345R 化学活性高，在高温高压下加工，与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散而形成新的合金，造成粘刀具，切屑不易排除，往往产生钻头被咬住、扭断钻头等现象［4］。

TA+Q345R 正火复合管板钻孔过程中钻口受力处于一直变化的状态，凿刃边缘负前角产生的推力使得钻孔初始阶段推力剧烈增加建立了钻削力与进给速度、钻孔直径之间的关系如公式（1）：

K1——TA材料常数；

K2——Q235材料常数；

Fz——推力；

f——转速；

d——钻孔直径。

在力学角度上可以得出减少TA+Q345R 正火复合管板钻孔过程分层缺陷，就是减少钻孔过程的轴向推力。钻孔进行到某个时刻，综合应力超过层间粘结强度，刀具刺穿出口侧，产生了一个出口分层区域［3］。钻孔进行到另外一个时刻，推力和临界值相等，不产生分层。整个复合板是具有弹性和各向异性的能量平衡方程，如公式（2）：

D——钻孔直径；

Fz——应用的推力；

x——位移；

a——假设发生开裂部分的尺寸；

G1——每一个区域的能力释放率；

U——储存的应变能。

无论是从力学角度看还是从能量角度看，由此可见Fz 是切削结构分层的最主要原因，在实际钻孔过程中要相应地降低钻孔给进速度。

2 工艺方案及试验

TA+Q345R 正火复合管板钻孔需要较高的加工质量，钻头刀具定位精度以及钻孔数量多等难点，本次试验采用的钻孔加工设备为数控立式多轴钻床，该设备换刀快，加工稳定性好［5］。结合TA+Q345R 正火复合管板加工特性及加工设备特点，切削液选用冷却性能好及润滑性能强的皂化液［6］。钻孔刀具可以使用高速钢钻头或硬质合金钻头打孔，因为这两种钻头的硬度更高，可以有效地减少钻头与钛层的摩擦，避免钻头高速转动时过热，在提高钻孔效率的同时，还能保证孔洞的质量。如果对孔洞质量要求很高，可以采用涂有涂层的合金钻头，避免合金钻头高速转动时产生合金线，导致洞口出现崩口。本文选用机夹式硬质合金内冷刀具，具备满足复合板切割这种复杂的钻孔工况，强度高，耐热性和耐磨性能好，而钻孔切削参数视材料加工特性而定。

2.1 试验方案1

试验板材钻孔要求：复合板为TA+基层Q345R，管孔粗糙度：Ra12.5；钻孔大小Φ34 mm，使用立式机夹式硬质合金钻头进行一次加工成型钻孔。加工基层选用适用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；内刃880-040305H-C-LM1144。加工复层外刃刀片选用适用于切削钛材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；内刃880-040305H-C-LM1144。该方案为了避免重复更换钻头带来的效率低下，因此采用先把各个孔位进行揭盖，全部揭盖完毕后统一钻通孔。

揭盖用加工刀片：给所有孔先揭盖，为了保证钻通孔用加工刀片顺利进给，揭盖孔径留单边0.2 mm 通孔余量，设置主轴转速n=2 200 r/min、进给速度f=0.06 mm/r 的参数加工钛层揭盖完毕，设置主轴进给速度f=0.08 mm/r 主轴转速n=3 000 r/min 继续加工Q345R 碳钢基层，并一次性将管孔Φ34 mm孔径加工到位。

通过揭盖分步加工方法，在不同的切削层使用不同的主轴转速和进给量能够在一定程度上解决了刀片断屑问题，刀片断屑不易排出会损伤刀具和加工面，因此该方案下管孔粗糙度较好，不用再进行二次打磨。

虽然一次性加工成型的方式提高了TA+Q345R 正火复合管板的加工效率，但是揭盖处与后期通孔结合处易出现台阶（接刀痕），这是因为中间更换刀具所导致，需后期返修。如图3 所示的管孔加工实验中，出现梯状台阶孔，造成了钻孔不平滑，使得管孔内部台阶深度达0.20 mm；该台阶形成位置在揭盖与通孔结合处，即基层和加强层交界位置，台阶宽度约0.01～0.05 mm，因此这种加工方式并不可取，需要重新翻修。同时也出现了一定的分层问题。

图3 管孔出现的小台阶以及分层问题

原因分析：TA+Q345R 正火复合管板的加工刀具在进给时接触的不同材料时受力状态不一致，刀具接触硬度不同的两种材质时会导致刀具发生震动或偏移问题，并且在揭盖时孔的位置与通孔时管板的位置也存在误差，可能是在揭盖和钻通孔过程中换刀后存在刀具位移，也可能是数控机床重复定位精度不满足而导致孔位偏移等引起的多方面因素产生了接刀痕［7］。

2.2 试验方案2

试验板材钻孔要求：同试验方案1

钻通孔用加工刀片：外刃880-0403W07HPMS2044，内刃880-040305H-C-LM1144，采用主轴进给速度f=0.06 mm/r，主轴刀头转速n=2 200 r/min 先加工钛层，不更换刀具情况下更改主轴加工参数为：进给速度f=0.07 mm/r，主轴转速n=2 800 r/min加工下方的Q345R基层。

试制效果：这种方案区别于方案1 采用不更换刀具，只更改主轴参数的加工方案，个别管孔不易断屑，影响管孔粗糙度，刀片断屑不易排出会损伤刀具和加工面，易出现管孔质量问题，局部管孔返修并且对刀具的寿命也存在影响。

原因分析：这可能是刀具在加工变速过程中每齿进给量不均匀，反馈到刀具上产生振动，导致切削状态不一致，出现不稳定，在钛层到Q345R 层的交界面处该类问题最为明显，对设备稳定性也会产生影响，影响设备寿命［7］，在TA+Q345R 正火复合管板钻孔样件试制中，孔椭圆度0.06～0.1 mm，视为加工椭圆度不合格，且管孔孔径上中下超差，达0.08～0.09 mm。如图4 管孔出现严重分层问题，这种加工方式导致加工件直接报废，因此该方案不可取。

图4 管孔出现严重分层问题

在对比试验方案1 和试验方案2，试验1 的揭盖分层加工的方式带来的加工效果相较于试验方案2 较好，因此对于TA+Q345R 正火复合管板钻孔仍需区分基体层和增强层的不同刀具加工方式，不同的刀具和设备加工参数都对应不同的加工层，才能满足最基本的加工要求，尤其是试验方案2 中在整个加工过程中使用主轴转速变速和主轴给进变速的一次性加工成型方案，对设备也有着较大影响，因此结合实验方案1和实验方案2存在的加工问题，在实验方案3 中采用揭盖的加工方式，仍沿用试验方案1中的加工工艺。

2.3 试验方案3

试验板材钻孔要求：同试验方案1。

加工基层选用适用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；内刃880-04 0305H-C-LM 1144。加工复合层外刃刀片选用适用于切削钛材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；内刃880-040305H-C-LM1144。针对“试验方案1”中出现的问题，为了避免刀具的重复定位导致的精度问题，该方案采用一孔一揭一钻的连续加工方式，具体为每加工一个孔，都要先对每个孔位进行揭盖，每个孔位揭盖完毕再对该孔进行钻通孔工艺，以避免重复定位带来的台阶孔问题。

加工方案为单独对每个孔位进行揭盖以及数控钻孔一次成型，不同于方案一中先全部孔位揭盖完毕再每个孔位钻通孔。每次加工参数为主轴进给速度f=0.06 mm/r、主轴n=2 200 r/min 加工钛复合层，为保证钻通孔刀具可以顺利进入，揭盖时，孔位预留单边0.15 mm 的通孔余量。钻通孔时，将管孔孔径一次加工成型到位，加工参数为主轴进给速度f=0.08 mm/r，主轴转速n=3 000 r/min加工Q345-R碳钢基层。

试件加工效果：管孔质量较好，能满足基本的使用要求，但在加工过程中还是存在偶发性切屑缠绕等问题，如图5 管孔因切屑对管孔产生划痕图。切屑缠绕损伤刀具和加工面，导致管孔孔径超差。钻孔刀具使用寿命降低，平均约52个孔/刃。

图5 管孔因切屑产生划痕

为避免出现试制方案3 中出现切屑缠绕损伤刀具和加工面导致易发生孔径超误差的问题，需要加入修整孔径超误差的工序。在此引进双刃镗刀对管孔进行修正，通过对孔径壁进行修正，保证管孔加工质量满足要求，使管孔加工质量更稳定，在增加镗刀对TA+Q345R 正火复合管板管孔修整后管孔的椭圆度及整体孔径偏差控制在0.02 mm内，降低管孔加工质量风险，能够满足图纸要求，提高管孔加工合格率。

2.4 试验方案4

延续试验方案3 的加工方式，引进双刃镗刀做为管孔数控一次成型的修整工序，对管孔内部进行一次成型加工修正，采用如图6 双刃镗刀进行加工。

图6 双刃镗刀

试验板材钻孔要求：同试验方案1。

加工基层选用适用于切削Q345R 材料的刀片：外刃880-0403W07H-PLM4044；内刃880-04 0305H-C-LM1144。加工复合层外刃刀片选用适用于切削钛材料的刀片：外刃880-0403W07HPMS2044；内刃880-040305H-C-LM1144；增加镗孔加工刀片：880-0403W07H-PLM4044。

该方案采用沿用方案3 一孔一揭一钻的连续加工方式，加工方式为每加工一个孔，都要预先对每个孔位进行揭盖，每个孔位基层预钻完毕再对该孔进行钻通孔工艺，以避免重复定位带来台阶孔的缺陷问题［8］。

加工方案为单独对每个孔位进行揭盖及数控一次成型，每次加工参数为主轴进给速度f=0.06 mm/r、主轴n=2 200 r/min。试验中先加工钛复合层，为保证钻通孔刀具可以顺利通过钛复合层，在上述揭盖环节，孔位还要预留单边0.15 mm的通孔余量。钻通孔时，将管孔孔径一次加工成型到位，加工参数为主轴进给速度f=0.08 mm/r，主轴转速n=3 000 r/min，此时加工为Q345R碳钢基层。

然后对管孔进行镗扩孔修正，设置主轴转速2 700 r/min，主轴进刀速度f=0.1 mm/r，经过实测后，如图7加工椭圆度小于0.015 mm，加工粗糙度满足图纸设计要求。

图7 钻孔成功图示

3 结论

表2 中N 为孔的数量，在四次方案试验中，通过方案一和方案二的对比中，确定了直接钻通孔是不可取的方式，必须在方案一揭盖+钻通孔两部工艺上继续优化，并推测出方案一对于连续钻孔导致了定位误差叠加，因此在钻孔换刀方面改为一孔一换，但是最终表明还是需要像方案四这样的镗孔修正方案。

表2 方案效果对比

在经过对TA+Q345R 正火复合管板钻孔加工工艺的研究和实验中，了解了多种加工工艺带来的不同工艺效果，最终确定了揭盖+钻通孔+镗孔的TA+Q345R 正火复合管板钻孔加工工序，大大提高了管孔的加工质量、加工稳定性以及产品合格率，降低了加工风险，为行业内在TA+Q345R 正火复合管板钻孔上奠定了工艺基础，提高了制造工艺水平，增强了市场竞争力［9］。