航空钛合金加工方法及表面完整性控制技术

航空钛合金加工方法及表面完整性控制技术

赵益源

航空工业西飞 陕西 西安 710000 摘要 ：钛合金属于典型的难加工材料，加工时由于切削抗力大、切削温度高且刀具磨损严重，所以选择合理的刀具材料及刀片角度是钛合金加工面临的首要问题。含 Ti 硬质合金刀具抗扩散磨损性能较好，切削时刀具表面形成稳定的钛合金黏结层，可以起到抑制磨损的作用。随着国产刀具的发展，钛合金的加工效率逐渐提高，节约了加工成本，对实现发动机整体国产化起到了积极作用。在生产实践中，钛合金加工应基于企业现有技术、设备、管理和成本等条件，选择合理的定位工装，利用企业信息化数据平台优选切削参数，逐渐摒弃只凭经验、类比选择参数的粗放型加工理念。

关键词：钛合金；加工方法；刀具；检测机理；表面完整性

中图分类号: 文献标识码：A

引言

钛合金作为航空发动机关键构件的主要应用材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能。然而其弹性模量小、热导率低、化学亲和力强，切削加工过程中会产生较高的切削力和切削温度，不同的热力耦合作用会使工件表层组织、成分、力学性能发生变化，形成不同的表面完整性状态特性。本文基于表面完整性形成机制分析，阐述了工艺参数、刀具材料和性能、润滑方式对切削力、切削温度以及表面粗糙度与形貌、残余应力分布、显微硬度分布、微观组织的影响规律，分析了不同切削力、切削温度状态下表面完整性的形成机制。通过总结当前研究进展，指出现有研究主要集中于现象和规律的描述，鲜见基于加工界面热力耦合作用分析表面完整性形成机理方面的研究，对表面完整性的定性和定量表征体系不完善。

1表面完整性形成机制

表面完整性形成机制就是描述给定切削工艺因子与切削加工过程中的切削力和温度，及最终产生的表面完整性状态特征之间的关系及其影响机制。如图 2 所示，表面完整性形成过程主要包括两个阶段：第一阶段为不同工艺因子下，产生不同的切削力 F = gF（P）和切削温度 T = gT（P）；第二阶段为不同热力耦合作用下产生不同的表面完整性状态特征 SS = f（F，T）。在表面完整性形成过程中，切削界面热力耦合作用不仅受工艺参数、刀具条件、润滑方式的影响，还受材料性能、刀具-工件啮合状态、输出响应信号监测等界面复杂工况的影响。切削加工过程中的热力耦合作用使得材料分别在变形区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ内产生应力、应变，从而使工件表层及亚表层组织、成分、力学性能发生变化，未得到释放的切削力和切削温度转变为变形能使工件表面产生大塑性变形，同时伴随着工件表面不均匀的应力和变形，构成了残余变形区，残余变形区的变形储存能是加工表面微观组织、加工硬化、残余应力形成的能量来源。

2钛合金的特点及应用

在航空工业领域，钛合金主要用于制造发动机压气机盘、中空风扇叶片、涡轮盘和机匣壳体等零部件，以及大飞机起落架、外翼段、机身外壳、舱门、液压系统和机身后段等结构件。目前，钛合金在航空工业中的使用比例已由6%提高至15%以上。波音777使用了7%～9%的钛合金零件；为达到降低燃油消耗20%的目标，波音787在研发过程中投入约20亿元，专项研究钛合金在飞机某些部位替代铝合金，使波音787机体钛合金用量达15%；国内大飞机项目中，钛合金的用量已从支线客机ARJ21的4.8%，逐步增长到干线客机C919的9%以上。航空领域结构轻量化、高强度等需求，使其越来越离不开钛合金。

钛合金综合力学性能优异，密度低，耐腐蚀性能良好，作为一种高强度合金材料，在航空发动机及航空工业领域一直被推广使用。但是，钛合金切削过程中的高温、高抗力，使其加工后表面冷作硬化现象严重，加剧了刀具的磨损，导致其切削性较差，这些都不利于获得好的表面质量，影响钛合金零件的使用寿命及发动机工作性能。下面以Ti6Al4V为研究对象，结合生产实践中积累的经验方法，对钛合金零件的切削性能、加工方法及表面检测技术进行介绍。

3钛合金加工方法

3.1刀具的选择

加工钛合金的刀具材料应具有韧性好、热硬性好、散热性及耐磨性好等特点，除此之外，刀具还应满足刃口锋利、表面光洁等要求。加工钛合金材料时，首选导热性较好、强度较高的硬质合金刀具，且前角较小、后角较大。为避免刀尖崩刃及裂碎，刀尖刃部应做圆弧过渡处理；加工时应保持刃口锋利，有利于及时排屑，避免切屑粘刀。加工钛合金时，为防止刀具本体及涂层与钛合金产生亲和反应，使刀具磨损加剧，通常避免选择含钛类硬质合金及含钛涂层刀具。

多年的生产实践发现，含钛类硬质合金刀具虽然容易发生黏结、磨损，但其具有优异的抗扩散磨损能力，尤其是高速切削时，含钛类硬质合金刀具的抗扩散磨损能力明显优于YG类硬质合金刀具。世界各大刀具厂商均推出了针对钛合金零件加工的切削刀片。刀具材质及涂层材料的不断改良，提高了钛合金材料的切削效率，推动了钛合金工业的发展。伊斯卡（ISCAR）公司的IC20刀片切削钛合金，刀具刃口锋利，适合钛合金工件的精加工。

其IC907刀片有效提高了刀片的耐磨性，适合应用于粗加工及半精加工中；山高（SECO）公司用于加工钛合金的CP200及CP500，采用物理气相沉积技术，是一种高硬度超细颗粒的刀片材质；瓦尔特（Walter）公司的WSM30、WSM20及WAM20，采用TiCN、TiAlN、TiN与Al2O3涂层，刀具的抗变形、抗磨损能力较强。据统计，航空制造领域大部分需使用进口刀具，而钛合金等难加工材料对于进口刀具的依赖程度更高。因此，推动国产刀具及涂层材料的研发及应用，是彻底解决国内钛合金加工问题的有效途径。

3.2刀具的磨损及解决办法

钛合金材料切削时，在切削速度较高、吃刀量较大的情况下，刀具前刀面切削温度最高处会磨出一个月牙洼，刀片的切削刃与月牙之间有明显的棱边。月牙洼的宽度及深度随着切削磨损的加重逐渐扩展，使切削刃的刚性降低，继续使用刀具会出现崩刃现象。钛合金材料加工时，刀片与工件剧烈摩擦，刀片后刀面与切削刃交界的部位磨出后角为零的小棱面，形成后刀面磨损。除此之外，由于钛合金的加工硬化，副切削刃的刀尖部位切削厚度逐渐减小，导致切削刃打滑，后刀面也会出现较大磨损。刀片磨损后，可通过观察切屑形态、颜色，机床的受力、声音和振动等，调整切削线速度及进给量，控制刀片前刀面异常磨损。采用正前角槽型刀片，选用耐磨的刀片材料或涂层，提高刀具寿命。

结语

综上所述，近年来，航空制造业对钛合金的需求大幅提升，大型飞机中钛合金的使用范围非常广泛。作为飞机及发动机的优良制造材料，钛合金具有结构强度高、质量轻及耐蚀性良好等特点。钛合金材料的切削性能决定了其加工后工件表面完整性较差。下面从钛合金的加工特性、加工刀具、工装选用和切削参数等方面，介绍航空钛合金的加工方法及表面完整性控制技术。

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