防彈鋼板的機械加工性能研究

何 蔚，鄧文科，雷 勇

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

某型防彈鋼板是某公司外購的一種高強度耐磨防護鋼板，該鋼板應我司要求特別生產，具有高強高硬特點，擁有良好的力學性能、可靠的防護性能和良好的焊接性能，主要應用于各種具有防護要求的場合特別是用于特種車輛關鍵防護位置的結構件。

從表1可知，此防彈鋼的屈服強度已經達到1 500 MPa，屬于低合金高強度鋼。目前國內常用的高強度鋼板屈服強度一般是750~1 000 MPa.而且針對1 000 MPa以上的低合金高強鋼的機械加工研究報道甚少。因此本文結合相關文獻資料，對該防彈鋼板的加工性能進行了探索，為工廠實際生產以及工程師設計應用提供技術支撐。

表1 某防彈鋼的機械性能與化學成分

1 工藝性分析

根據已有文獻了解，高強度鋼和超高強度鋼的剪切強度高，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]。高強度鋼切削時切屑不易卷曲和折斷，還會纏繞在工件和刀具上，影響切削的順利進行。同時高強度鋼的導熱性差，切削時切屑集中于刃口附近很小的接觸面內，使切削溫度增高，所以需要在加工時進行切削液冷卻。

2 工藝試驗方案

2.1 試驗設備

采用的防彈鋼板主要用于某型特種車輛的車身防護，涉及的工序是折彎與焊接以及裝配。因為此類鋼板在火焰加工后強度會有所降低，所以焊接坡口主要是采用銑削加工。另外根據裝配需求需要在鋼板上開孔，所以主要測試的加工工序為鉆削和銑削。因車削刀具的材料與鉆銑削刀具類似，可以進行類比，考慮到成本，本次試驗未進行車削試驗。為了結合工廠現有設備，并考慮經濟性、實用性、通用性等方面的因素，決定通過采用普通設備與數控設備進行對比試驗（見表2），為該鋼板大規模應用于生產實際提供設備選用依據。

表2 試驗設備

2.2 刀具選擇

防彈鋼在經過熱處理后，硅、鉬、鎳等元素使固溶體強化，金相組織多為馬氏體，具有很高的強度。通過對鋼材工藝性的分析以及相關文獻的介紹[2]，也選擇硬質合金刀具與高性能高速鋼刀具進行對比試驗。同樣根據實用性、經濟性原則采用國產高速鋼刀具和國產硬質合金刀具（見表3）。

表3 試驗刀具

2.3 試驗板材制備

本次采購的鋼板主要為板厚8 mm的防彈鋼板。因為工廠的主要鋼板下料工藝為等離子或者激光切割，均為熱切割，割口位置會產生熱影響區，一般距割口5~8 mm范圍。熱影響區的硬度會急劇下降。激光下料比等離子下料熱影響區小。為減少熱影響區的寬度，此次板材采用激光切割下料。考慮裝夾因素，選擇150 mm×300 mm尺寸作為試驗板材規格。

2.4 工藝試驗參數選擇原則

因主要為生產進行探索驗證，故本次試驗的工藝參數采用機加切削手冊推薦參數以及參考刀具商手冊推薦參數制定[3-4]。普通機床未安裝液壓泵，采用手動添加切削液方式，數控機床開啟高壓切削液模式。

2.5 其他特殊事項

因合金刀具的特性，在低轉速的普通機床不適用，易產生崩刃現象，故本次在普通機床上未進行合金刀具試驗。考慮到需進行螺紋孔的加工，合金螺紋刀具性價比太低，不存在大范圍推廣的意義，故本次螺紋加工只進行了高速鋼絲錐的試驗。

3 試驗過程

3.1 高速鋼鉆頭：設備（搖臂鉆）

刀具材質：高速鋼HSS

刀具直徑：D20

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

切削液：普通切削液手動添加

經過多次鉆削仍無法鉆動，只能在表面鉆出一個淺坑，如圖1所示。

圖1 高速鋼鉆孔試驗結果

3.2 合金鉆頭：設備——立式加工中心

刀具材質：硬質合金整體鉆頭牌號GD05

刀具直徑：D10

切削參數：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，表面粗糙度達到Ra12.5以上。

圖2 合金鉆頭鉆孔結果

3.3 高速鋼絲錐：設備——搖臂鉆

刀具材質：高速鋼絲錐HSS

刀具規格：M12

切削參數：Vc=2 m/min，n=100 r/min

實驗結果如圖3所示，高速鋼絲錐在孔口即崩刃無法進行。

圖3 高速鋼絲錐攻絲試驗結果

3.4 高速鋼銑刀：設備——普銑

刀具材質：高速鋼HSS

刀具直徑：D20

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

切削液：普通切削液手動添加

發現高速鋼銑刀在鋼板割口即熱影響區即卷刃，加切削液勉強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結果

3.5 硬質合金銑刀：設備——立式加工中心

刀具材質：硬質合金面銑刀 刀片牌號YBC302刀片型號SEET12T3-DM

刀具直徑：刀盤直徑50 mm

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

實驗時，如圖5所示。側銑與面銑加工面切削表面粗糙度質量均達到Ra12.5.

圖5 合金銑刀銑削試驗結果

4 試驗結果分析

經過以上試驗后，將結果進行了匯總（見表4），并總結如下：

表4 試驗情況匯總

4.1 加工刀具選擇

從切削結果和加工質量來看，國產硬質合金刀具加工方案完全可行。雖然不能通過這次試驗就完全否定高速鋼刀具對于所有高強鋼板加工的作用，至少通過以上切削驗證，對于該型防彈鋼板的加工應盡量避免采用高速鋼刀具。

4.2 加工設備選擇

因選擇硬質合金刀具則導致對于防彈鋼板的加工不宜采用轉速較低的普通機床。根據合金刀具的特質，在低速機床上合金刀具極易崩刃。故對于該防彈鋼板的加工設備應優先考慮數控設備。

4.3 螺紋的加工

對于防彈鋼板上螺紋孔的加工，本次工藝試驗發現高速鋼絲錐不能應用于防彈鋼板，考慮到刀具成本以及加工設備的限制也不建議在防彈鋼板的加工時使用合金螺紋銑刀。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行螺紋連接的可能。

5 結束語

經過以上的工藝試驗，此種高強度防彈鋼板在進行機械加工時需要采用數控機床，加工刀具應該采用硬質合金刀具。設計工程師在應用此防彈鋼板時需避免在鋼板上直接鉆攻螺紋孔，應考慮采取其他方式進行連接。通過工藝試驗，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計部門參考。這樣有助于減少工廠的浪費與設計缺陷，提高設計質量。此外對于其他更高強度鋼板的加工也具有借鑒意義。