1、序言

近年来，航空造作业对钛合金的需要大幅提升，大型飞机中钛合金的使用领域极度宽泛。作为飞机及发起机的良好造作资料，钛合金拥有结构强度高、质量轻及耐蚀性优良等特点。钛合金资料的切削机能决定了其加工后工件表表齐全性较差。下面从钛合金的加工个性、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步骤及表表齐全性节造技术。

2、钛合金的特点及利用

在航空工业领域，钛合金重要用于造作发起机压气机盘、中空电扇叶片、涡轮盘和机匣壳体等零部件，以及大飞机起落架、表翼段、机身表壳、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%迪胙合金零件；为达到降低燃油亏损20%的指标，波音787在研发过程中投入约20亿元，专项钻研钛合金在飞机某些部位代替铝合金，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、高强度等需要，使其越来越离不开钛合金。凭据强度和耐高温机能，钛合金可分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金和钛铝合金，其中以α+β钛合金（Ti6Al4V）利用最为宽泛。α钛合金热焊接机能好，抗氧化性强，但韧性通常；β钛合金可锻性较好，冷成形性及热处置强化性强；α+β钛合金韧性好，可焊接及热处置强化，抗委顿机能较好。

Ti6Al4V的资料成分重要蕴含Ti、Al、V、Fe、O、C、Si、Cu及少量的N、H、B和Y。钛合金综合力学机能优异，密度低，耐侵蚀机能优良，作为一种高强度合金资料，在航空发起机及航空工业领域一向被推广使用。但是，钛合金切削过程中的高温、高抗力，使其加工后表表冷作硬化景象严沉，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表质量，影响钛合金零件的使用寿命及发起机工作机能。下面以Ti6Al4V为钻研对象，结合出产实际中堆集的经验步骤，对钛合金零件的切削机能、加工步骤及表表检测技术进行介绍。

3、钛合金加工步骤

3.1 刀具的选择

加工钛合金的刀具资料应拥有韧性好、扰撞性好、散热性及耐磨性好等特点，除此之表，刀具还应满足刃口敏感、表表光洁等要求。加工钛合金资料时，首选导热性较好、强度较高的硬质合金刀具，且前角较幼、后角较大。为预防刀尖崩刃及裂碎，刀尖刃部应做圆弧过渡处置；加工时应维持刃口敏感，有利于实时排屑，预防切屑粘刀。

加工钛合金时，为预防刀具本体及涂层与钛合金产生亲和反映，使刀具磨损加剧，通常预防选择含钛类硬质合金及含钛涂层刀具。多年的出产实际发现，含钛类硬质合金刀具固然容易产生黏结、磨损，但其拥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显著优于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。刀具材质及涂层资料的不休改进，提高了钛合金资料的切削效能，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，刀具刃口敏感，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，适合利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，选取物理气相沉积技术，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，选取TiCN、TiAlN、TiN与Al 2 O 3 涂层，刀具的抗变形、抗磨损能力较强。常用迪胙合金加工刀具及涂 层见表1。

据统计，航空造作领域大部门需使用进口刀具，而钛合金等难加工资料对于进口刀具的依赖水平更高。因而，推动国产刀具及涂层资料的研发及利用，是彻底解决国内钛合金加工问题的有效蹊径。

3.2 刀具的磨损及解决法子

钛合金资料切削时，在切削速度较高、吃刀量较大的情况下，刀具前导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显著的棱边。月牙洼的宽度及深度随着切削磨损的加沉逐步扩大，使切削刃的刚性降低，持续使用刀具会出现崩刃景象。刀片磨损的电子显微图像如图1所示。

钛合金资料加工时，刀片与工件剧烈摩擦，刀片后导与切削刃接壤的部位磨出后角为零的幼棱面，形成后导磨损。除此之表，由于钛合金的加工硬化，副切削刃的刀尖部位切削厚度逐步减幼，导致切削刃打滑，后导也会出现较大磨损。

刀片磨损后，可通过观察切屑状态、色彩，机床的受力、声音和振动等，调整切削线速度及进给量，节造刀片前导异常磨损。选取正前角槽型刀片，选用耐磨的刀片资料或涂层，提高刀具寿命。

钛合金加工过程中容易形成积屑瘤。当积屑瘤处于不变状态时，可包办切削刃进行切削，起到；さ毒叩某尚；当积屑瘤累积到肯定水平后，积屑瘤的顶端会伸出切削刃之表，刀具的现实工作前角增大，积屑瘤的累积和剥离，直接影响零件加工的精度；剂鏊槠掣皆陬押辖鹨鸭庸け肀砩虾，形成硬点和毛刺，影响表表质量；剂鑫薹ü娴耐崖浜吞焐贾虑邢髁Σ唪，进而引起切削振动，影响刀具使用寿命。为减幼或预防钛合金切削过程中积屑瘤的产生，出产实际中常用的步骤有：提高切削速度，逐步增长切削深度至最佳；选取PVD物理涂层的刀片资料；选取高压冷却系统等。

在切削加工中，由于钛合金的塑性较低，切屑与前导的接触面积幼，刀具磨损重要产生在车刀的前导上，因而切削刀片应该选用较幼前角，相宜的前角为0°～5°。幼前角可有效增大切屑与前导的接触面积，有利于分散集中在刃口左近的切削热；选择5°～10°后角能够削减刀具与零件的摩擦。刀片底面和刀杆之间选择V形接触面组合，这种强固夹持结构设计，可有效提高刀杆夹持的刚性，解除刀具振动，提高钛合金工件加工后的表表质量。

3.3 工装的选择

钛合金工件在定位装夹时，夹具压紧力与工件支承力相互作用，在自由状态下会引起应力变形；钛合金切削时吃刀抗力较大，故工艺系统需保障有足够的刚度，需对工件的定位结构及定位尺寸进行分析，选择不变靠得住的定位基准，必要时增长辅助支持，或通过过定位以提高零件刚性。由于钛合金易变形，所以夹紧力不能大，必要时可使用扭矩扳手，确保压紧力不变。此表，在使用夹具定位装夹钛合金零件时，还应保障夹具的定位面与钛合金工件的定位面共同优良，夹具的压紧力与工件的支承力相互平衡；对于比力大的压紧面，应尽量选取分散压紧的方式，预防压力集中导致工件变形。夹具压板的压紧点应尽量靠近工件被加工表表，以削减钛合金切削时产生的振动。

钛合金加工严禁使用含铅、锌、铜、锡、镉及低熔点金属的夹具、测具或各类一时工装，加工钛合金的设备、夹具及工装应维持清洁无传染，钛合金工件加工后应实时洗濯，钛合金表表不允许出现铅、锌、铜、锡、镉及低熔点金属等残留物。转移及搬运钛合金工件时，应使用专用周转箱，预防与其他资料的工件混用和混放。对精加工后迪胙合金表表进行查抄及洗濯时，应戴上干净手套，预防油污及指纹传染钛合金表表，以预防产生盐应力侵蚀，影响钛合金工件的服役机能。

3.4 切削参数

钛合金的切削参数重要蕴含切削速度、进给量和切削深度，其中切削速度是影响其切削机能的重要成分。通过将钛合金工件恒转速切削及恒线速度切削进行对比试验，以为恒转速切削状态要差于恒线速度切削。当钛合金的切削线速度v c =60m/min、进给量f=0.127mm/r、切削深度a p =0.05～0.1mm时，钛合金表表很少发现硬化层。

由于硬化层重要呈此刻精加工后的工件表表上，所以精车时切削深度不宜过大，不然会产生大量的切削热，切削热荟萃会导致钛合金表表金相组织出现变动，零件表表易产生硬化层；切削深度过幼会导致工件表表摩擦挤压，出现加工硬化。因而，钛合金工件在加工时，精车的切削深度必须大于刀具倒钝的尺寸。

钛合金进给量选择应适中，若进给量过幼，加工时刀具在硬化层中切削，则磨损较快。进给量可凭据分歧的刀具R进行选择，精加工通常选择较幼的进给量，这是由于猛进给量切削会使刀具抗力增长，使刀具受热弯曲或崩刃。

3.5 冷却系统

钛合金切削对切削液的要求是雾化水平低。钛合金加工时应选择高压冷却刀具，共同机床的高压泵，冷却压力可达60×10 5 ～150×10 5 Pa。选取高压冷却刀具加工钛合金，可提高切削速度2～3倍，耽搁刀具使用寿命，改善钛合金切屑状态。

切削钛合金工件时浇注切削液，切削力比干切钛合金减幼5%～15%，径向力减幼10%～15%，切削温度降低5%～10%，切削后钛合金表表描摹较好，块状黏结物较少，有利于获得较高的表表质量。

目前使用的Trim E206化合乳液，由8%的原液与92%的纯净水混合而成，浓度为7%～9%，在钛合金资料加工中能达到较好的加工成效，在车削、铣削和磨削加工中均可使用。Trim E206中含有特效增长剂，可有效节造积屑瘤的产生。切削液中增长有微幼乳化分子，提高了切削液的不变性，降低了加工过程中切削液的带走量，切削液更容易进入工件切削部位。除此之表，Trim E206有较强的抗油污能力，切削液残留物易溶于水及工作液，有利于维持设备及加工零件表表的整洁性。

4、钛合金表表齐全性

4.1 钛合金锻件显微组织检测

钛合金显微组织检测是指对侵蚀处置后迪胙合金零件表表用电子显微镜进行检测，观察钛合金资料拥有的组织描摹特点、散布等，用以检测钛合金的金相组织是否切合有关尺度及图样规范。钛合金锻件的显微组织检测步骤：锻件粗加工→表表抛光→表表侵蚀→洗濯→吹干→显微检测。Ti6Al4V钛合金的显微检测如图2所示。

锻件粗加工的主张是将α层齐全去除。钛合金表表使用粒度400 # ～800 # 的氧化铝砂纸抛光，表表粗糙度值需达到Ra=0.025μm或更高档级要求。侵蚀使用Kroll试剂，按%HF、4%HNO3 及水溶液配成，将适量的Kroll试剂涂抹在抛光处置后迪胙合金表表上，直至获得所必要的清澈组织后，在水中进行洗濯并吹干，使用手持式电子显微镜对钛合金表表进行检测，组织中应含有10%～50%的初生α。

图3所示Ti6Al4V钛合金显微组织描摹为合格的金相组织。

4.2 钛合金蓝色阳极化侵蚀检测

钛合金加工时，当刀片侧刃挤压磨损后，刀片抗冲击机能逐步降低，导致钛合金已加工表表因挤压过热而产生加工硬化。通常选取蓝色阳极化侵蚀的步骤对硬化等缺点进行检测。钛合金工件蓝色阳极化侵蚀后的表表如图4所示。氧化后迪胙合金工件经后处置溶化后，合格氧化膜的色彩应为均匀的浅蓝色（见图4a）。出现加工硬化迪胙合金工件在侵蚀检测后，工件表表出现出深蓝色（见图4b）或部门色彩较深（见图4c），且各部位的色彩不均匀。

蓝色阳极化侵蚀后，对于出现加工硬化的零件，可通过调整加工钛合金的切削刀具材质、涂层及切削角度，优化走刀蹊径及切削参数等步骤，节造并解除加工硬化。

4.3 钛合金表表光饰加工

为了去除钛合金压气机盘、轮毂、叶轮、轴和转子隔圈的表表缺点，提高零件的工作寿命，在对钛合金工件实现所有的机械加工工序后，可选取手动蝶式光饰的步骤，对工件表表进行光饰加工。蝶式光饰需使用图5所示光饰加工工具：旋转气枪（转速18000r/min）、抛光杆、氧化铝或碳化硅砂布（规格10mm×20mm、粒度120 # ）。

钛合金工件内槽光饰加工如图6所示。为达到较好的光饰成效，可使用以下步骤。

1）用氧化铝砂布沿其长度方向折叠，牢固地插入抛光杆前端夹持槽内，并依照与旋杆旋转方向相反的方向拧紧，每光饰一处工件表表后换一次新砂布（见图6a）。

2）旋转的砂布应在钛合金表表往复活动一个或两个周期，每个周期活动10～30s，往复活动速度约为1.57mm/s（见图6b）。

3）当对钛合金工件分歧的表表进行光饰时，应在周期间更换砂布。使用手动光饰时，应使用适当的止动扳手或机械深度止动装置，来节造旋转砂布的穿过。

5、实现语

钛合金属于典型的难加工资料，加工时由于切削抗力大、切削温度高且刀具磨损严沉，所以选择合理的刀具资料及刀片角度是钛合金加工面对的首要问题。含Ti硬质合金刀具抗扩散磨损机能较好，切削时刀具表表形成不变迪胙合金黏结层，能够起到抑造磨损的作用。随着国产刀具的发展，钛合金的加工效能逐步提高，节约了加工成本，对实现发起机整体国产化起到了积极作用。在出产实际中，钛合金加工应基于企业现有技术、设备、治理和成本等前提，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，逐步摒弃只凭经验、类比选择参数的粗放型加工理想。

通过对钛合金锻件进行显微组织检测，对粗加工后钛合金的金相组织进行了对比评定；光饰加工可有效去除钛合金表表的加工及资料缺点，提高工件使用寿命；蓝色阳极化侵蚀检测能够有效鉴别钛合金在加工过程中出现的加工硬化等缺点；有效节造钛合金加工表表齐全性，对不变钛合金加工质量，提高钛合金工件使用寿命有沉要意思。

参考文件：

[1] 吕杨，李晓岩. 航空航天用钛合金的切削加工近况及发展趋向[J]. 航空造作技术，2012（14）：55-57.

[2] 陈五一，袁跃峰. 钛合金切削加工技术钻研进展[J].航空造作技术，2010（15）：26-30.

[3] 田荣鑫，姚倡锋，黄新春，等. 面向加工表表粗糙度迪胙合金高效铣削工艺参数区间敏感性及优选[J].航空学报，2010，31（12）：2464-2470.

[4] 李富长，宋祖铭，杨典军. 钛合金加工工艺技术钻研[J]. 新技术新工艺，2010（5）：66-68.

[5] 陈爽，张葆青，闫石. 钛合金加工个性分析及刀具选择[J]. 工具技术，2011（45）：58-62.

[6] 黄强. 钛合金蓝色阳极化缺点检测及加工工艺钻研[J].机械工程师，2019（7）：165-170.