編者按：從（cóng）航空鈦合金的加工特點、加工用刀具、工裝夾具和切削參數等方麵，分析討論鈦合金的（de）加工工藝方（fāng）法，並對其表（biǎo）麵（miàn）完整性控（kòng）製技術進行介紹。

高（gāo）級工程（chéng）師　黃強

1、序言

近年來，航空製造（zào）業（yè）對鈦合金的需求大（dà）幅提升，大型飛機（jī）中鈦合金的使用範圍非常廣泛。作為飛機及發動機的優良製造材料，鈦合金具有結構強度高、質量輕及耐蝕（shí）性良好等特點。鈦合金材料的（de）切削性（xìng）能決定了其加工後工件表麵完整性較差。下麵從鈦合金的加工特性、加工刀具、工裝選（xuǎn）用和切（qiē）削參數（shù）等（děng）方麵，介紹航空鈦合（hé）金的加工方法及表麵完整性控製技術。 2、鈦合（hé）金的特點及應（yīng）用

在航空（kōng）工業領域，鈦合金主要用於製造發動機壓氣機盤、中空風扇葉片、渦輪盤和機匣殼（ké）體等零部件，以及（jí）大飛機起落架、外翼段、機身（shēn）外殼、艙門、液壓係統和機身後段等（děng）結構件。目前，鈦合金在航空（kōng）工業中的使用比例已由6%提高至15%以上。波音777使用（yòng）了7%～9%的鈦合金零件；為達到降低燃油消耗20%的目標，波音787在研發過程中投入約（yuē）20億（yì）元，專項研究鈦合金在飛機某些部位替代鋁合金，使（shǐ）波音（yīn）787機體鈦合（hé）金用量（liàng）達15%；國內大飛機項目中，鈦合金的用量已（yǐ）從支（zhī）線客機ARJ21的4.8%，逐步增長到幹線客（kè）機C919的9%以上。

航空領域結構輕量化、高（gāo）強度等需求，使其（qí）越來越離不開鈦合金。根據強度（dù）和耐高溫性能，鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金和鈦鋁合金，其中以α+β鈦合金（Ti6Al4V）應用（yòng）最為廣（guǎng）泛。α鈦合金熱焊接性能好，抗氧化性強，但韌性一般；β鈦合金可鍛（duàn）性較好，冷成形性及熱（rè）處（chù）理強化性（xìng）強；α+β鈦合金韌（rèn）性好，可焊接及熱處理強化（huà），抗疲勞性能較好（hǎo）。

Ti6Al4V的材料成分主要包括Ti、Al、V、Fe、 O、C、S i、C u及少量的（de）N、H、B和Y。鈦合金綜合力學性能優異，密度低，耐腐蝕性能良好，作為一種高強度合金材料，在航空發動機及航空工業領域一直被推廣使用。但是，鈦合金切（qiē）削過程中的高溫、高抗（kàng）力，使其加工後表麵冷作硬（yìng）化現象（xiàng）嚴重，加劇了刀具的磨損，導致其切削性較（jiào）差，這些都不利於獲得好的表麵質量，影響鈦合金零件的（de）使用壽命及發動機工作性能。下（xià）麵以Ti6Al4V為研究對（duì）象，結合生（shēng）產實踐中積累的經驗方法，對鈦合金零件的切削性能、加工方法（fǎ）及表麵檢測技術進行介紹。

3、鐵合金加工方法

3.1 刀具的選擇

加工鈦合金的刀具材料應具有韌性好、熱硬性好、散（sàn）熱性及耐磨性好等特點，除此之外，刀具還（hái）應滿足刃口鋒利、表麵（miàn）光潔等（děng）要（yào）求。加工鈦合金材料（liào）時，首選（xuǎn）導熱（rè）性較好、強度較高的硬質合金刀具（jù），且前角較小、後角較大。為避免刀尖崩刃及裂碎，刀尖刃部應做圓弧過渡（dù）處（chù）理；加工時應保持刃口鋒（fēng）利，有利（lì）於及時排屑，避免切屑粘刀（dāo）。

加工鈦合金時，為防止刀具本（běn）體及塗層與鈦合金產生親和（hé）反應，使刀具磨損加劇，通常避免選擇含鈦類硬質合金及（jí）含鈦（tài）塗層刀具。多（duō）年的生產實踐發現，含鈦類（lèi）硬質合金刀具雖（suī）然容易發生黏（nián）結、磨損，但（dàn）其具有優異的抗擴散磨損能力，尤其（qí）是高速切（qiē）削（xuē）時，含鈦類（lèi）硬質合金刀（dāo）具（jù）的抗擴散磨損能力明顯優於YG類硬質合（hé）金刀具。

世界各大刀具廠商均推出了針對鈦合金（jīn）零件加工的切削刀片。刀具材質及塗層材（cái）料（liào）的不斷改良，提（tí）高了鈦合金材料的切削效率，推動了鈦合金工業的發展。伊斯卡（ISCAR）公司的IC20刀片切削鈦合金，刀具刃口鋒利，適合鈦合金（jīn）工件的精加工。其IC907刀片有效提高了刀片的耐磨性，適（shì）合應用於粗加工及半精加工中；山高（SECO）公司用（yòng）於加工鈦合金的CP200及CP500，采用物理氣相沉積技術，是一種高硬度超細顆粒的（de）刀片材質；瓦爾特（Walter）公司的WSM30、WSM20及WAM20，采用TiCN、TiAlN、TiN與Al2O3塗層，刀具的（de）抗變形、抗磨損能力（lì）較強。常用的鈦合金加工（gōng）刀具及塗層見表1。

表1　常用的鈦合金（jīn）加（jiā）工刀具及塗層

據統計（jì），航空製（zhì）造領域大部分需使用進口刀具，而鈦合金（jīn）等難加工材料（liào）對於進口刀具的依賴程度更（gèng）高。因此，推動國產刀具及塗層材（cái）料的研發及應用（yòng），是徹底解決國內鈦合金加工問題的有效途徑。

3.2 刀具的磨損及（jí）解決辦法

鈦合金材料切削時，在切削（xuē）速度較高（gāo）、吃刀量（liàng）較大的情況下，刀（dāo）具前刀麵切削溫度最（zuì）高處會磨出一個月牙窪，刀片的切削刃與月牙之間有明顯的棱邊。月牙窪的寬度及深度隨著切削磨損（sǔn）的加重逐漸擴展，使切削刃的剛性降低，繼續使用刀具（jù）會出（chū）現崩刃現象。刀片磨損（sǔn）的電子顯微圖像如圖（tú）1所示。

a）前（qián）刀麵（miàn）磨損出現（xiàn）崩刃現象 b）後刀麵（miàn）磨損

c）積屑瘤

圖1 刀片磨損的電（diàn）子顯微圖像

鈦合金材料加工時，刀片與工件劇（jù）烈摩（mó）擦，刀片後刀麵（miàn）與切削刃交界的部位磨出後角為零的小棱麵，形成後刀麵磨損（sǔn）。除此之外（wài），由（yóu）於（yú）鈦合金的加（jiā）工（gōng）硬化，副切削刃的刀尖（jiān）部位切削厚度逐（zhú）漸減小，導致切削刃打滑，後刀麵也會出現較大磨損。

刀（dāo）片（piàn）磨損後，可通過觀察切屑形態、顏色，機床的受力（lì）、聲音和振動等，調整切（qiē）削線（xiàn）速度及進（jìn）給量，控製刀片前刀（dāo）麵異常磨損（sǔn）。采用正前角槽型刀片，選用耐磨的刀片材（cái）料（liào）或（huò）塗層，提高刀具壽命。

鈦合金（jīn）加工過程中容易形成積屑瘤。當積屑瘤處於穩定狀態時，可代替切削刃進行切削，起（qǐ）到保護刀（dāo）具的效果；當積屑瘤累積到一定程度後，積屑瘤的頂端會伸出切削刃之外，刀具（jù）的實際工作前角增大，積屑瘤的累積和剝離，直接影響（xiǎng）零件加工的精度。積（jī）屑瘤碎片粘附在鈦合金已加工表麵上後，形成硬點和毛刺，影響表麵質量。積屑瘤無規律（lǜ）的（de）脫落和生成導致切削力產生波動，進（jìn）而引起切削振動，影響刀具使用壽命。為減小或避免鈦（tài）合金切削（xuē）過程中積屑瘤的產生，生產實踐中常用的方法有（yǒu）：提高切削速度，逐步增加切削深度至最佳；采用PVD物理塗層的（de）刀片材料；采（cǎi）用高壓冷卻係統等。

在切削加工中，由於鈦合金的塑性較低，切屑與前刀麵的接觸麵積小，刀具磨損主要發生（shēng）在車刀的前刀麵上，因此（cǐ）切削刀片應該選用（yòng）較小前（qián）角，合適（shì）的前角為0°～5°。小（xiǎo）前角可有（yǒu）效（xiào）增大切屑（xiè）與前刀（dāo）麵的接（jiē）觸麵積，有利於分散集（jí）中（zhōng）在刃口附近的切削熱；選擇5°～10°後（hòu）角可以減少刀具與零件的摩擦。刀片底麵和刀杆（gǎn）之間選擇V形接（jiē）觸麵組合，這種強固夾持（chí）結（jié）構設計，可有效提高刀杆夾（jiá）持的剛性，消除刀具振動，提高鈦合（hé）金工件加工後的表麵質量。

3.3 工裝的選（xuǎn）擇

鈦合金工件在定位裝夾時，夾具壓緊力與工件支承力相互作用，在自由狀態下會引起應力變形；鈦合金（jīn）切（qiē）削時吃刀抗力較（jiào）大，故工藝係統需保證有足夠的剛度，需對工件的定位（wèi）結構及定（dìng）位尺寸進行（háng）分析，選擇（zé）穩定（dìng）可靠的定位基準，必要時增加輔助支（zhī）撐（chēng），或通過過（guò）定位以提高零件剛性。由於鈦合金易變形，所以夾緊力不能大，必要時可使用扭矩扳手，確（què）保壓緊力穩定。此外，在使用夾具定位裝夾鈦合金零件時，還應保證夾具的定位麵與鈦合金工件的定位（wèi）麵配合良好，夾具的壓緊力與工件的支承力相（xiàng）互平衡；對於比較大的壓緊麵，應盡量采用分（fèn）散壓緊的（de）方式，避免壓力集中導致工件變形。夾具壓板的壓緊點應盡量靠近（jìn）工件被加工表（biǎo）麵，以減（jiǎn）少鈦合金切削時產生的振動。

鈦合金加工嚴禁使用含鉛、鋅、銅、錫（xī）、鎘（gé）及低熔點金屬的夾具、測具或各種臨時工裝（zhuāng），加工鈦合金（jīn）的設備、夾具及工裝應保持清潔無汙染，鈦合金工件加工後（hòu）應及時清洗，鈦合金表麵不允許出現鉛、鋅、銅、錫（xī）、鎘及低熔點金屬等殘留物。轉移及搬運鈦合金工（gōng）件時，應使用專用周（zhōu）轉箱，避免與其他材料的工件混用和（hé）混放。對精（jīng）加工後的鈦合金表（biǎo）麵進（jìn）行檢查及清洗時（shí），應戴上幹淨手套，防止油（yóu）汙及指紋汙染（rǎn）鈦合金表麵，以避免發生鹽應力腐（fǔ）蝕，影響鈦合（hé）金工件的服役性能。

3.4 切（qiē）削參（cān）數

鈦（tài）合金的切削（xuē）參數主要包括切削速度、進給量和切削深（shēn）度，其中切削速（sù）度是影響其切削性能的主（zhǔ）要因素。通過將鈦合金工件恒轉速切削及恒線速度切削進行對比試驗，認為恒轉速切削狀態要（yào）差於（yú）恒（héng）線速度切削。當鈦合金的（de）切削線速度vc=60m/min、進給量f=0.127mm/r、切削深度ap=0.05～0.1mm時，鈦（tài）合金表麵（miàn）很少發現硬化層。

由於硬化層主要出現在精加工後的工件表麵上，所以精車（chē）時切削深度不宜過大，否則會產生大量的切削熱，切削熱聚集會導致鈦（tài）合金表麵金相組（zǔ）織出現變化，零件表麵易產生硬化層；切削深度（dù）過小會導致工件表麵摩擦擠壓，出現加工（gōng）硬化。因此，鈦合金工件在加工時，精車的切削（xuē）深（shēn）度必須大於刀具倒鈍的尺寸。

鈦（tài）合金進給量（liàng）選擇應適中，若進給量過小，加工時刀具在硬化層中切削，則磨損較快。進給量可根據不同的刀（dāo）具（jù）R進行選擇，精加工一般選擇較（jiào）小的進給量，這是因為大進給量切削會使刀具（jù）抗力增加，使刀具受熱彎曲或崩刃（rèn）。表2為不同類型及材質（zhì）的刀具切削鈦合金時的常用參數。

表2 不同類型及材質的（de）刀具切削鈦合（hé）金時（shí）的常用參數

3.5 冷卻係統

鈦合金切削對切削液的要求是霧化程度低。鈦合金加工時應選擇高壓冷（lěng）卻刀具，配合機床的高壓泵，冷卻（què）壓力可達60×105～150×105Pa。采用高壓冷卻刀具加（jiā）工鈦合金，可提（tí）高切削速（sù）度2～3倍，延長刀具使用壽命，改善鈦合金切屑（xiè）形態。切削鈦（tài）合金工件時澆注切削液，切削力比幹（gàn）切鈦合金減小5%～15%，徑向力減小10%～15%，切削溫度降低5%～10%，切削後鈦合金表麵形貌較好，塊狀（zhuàng）黏結物較少，有（yǒu）利於獲（huò）得（dé）較高的表麵質量。

目前使用（yòng）的Trim E206化合（hé）乳液，由（yóu）8%的原液與92%的純淨水混合而成，濃度為7%～9%，在鈦合金材料加工中能達到較好的加工效果，在車削、銑削和（hé）磨削加工中（zhōng）均可使用（yòng）。Trim E206中含有特效添加劑，可有效控製積屑瘤的產生。切（qiē）削液中添加有微小乳（rǔ）化分（fèn）子，提高了切削液的穩定性，降低了加工過（guò）程中切削液（yè）的帶走量，切（qiē）削液更容（róng）易進入工件切削部位。除此之外，Trim E206有較強的抗油汙能力，切削液殘（cán）留（liú）物易溶於水及工作液，有利於維持設備及加工零件表麵的整潔性。

4、鐵合金表麵完（wán）整性

4.1 鈦合金鍛件顯微組織檢測

鈦（tài）合金顯微組織（zhī）檢測是指對侵（qīn）蝕處理後的（de）鈦合金零件表（biǎo）麵用電（diàn）子顯（xiǎn）微鏡進行檢測，觀察鈦合金材料（liào）具有的組織形貌特征、分布等，用以檢測鈦合金（jīn）的金相組織是否符合相關（guān）標準及圖樣規範。鈦合金鍛件的顯微組織（zhī）檢（jiǎn）測步驟：鍛件粗加工→表麵拋（pāo）光→表麵侵蝕→清洗→吹幹→顯微（wēi）檢測。Ti6Al4V鈦合金的顯微檢（jiǎn）測如圖2所示。

a）表麵拋光 b）表麵侵蝕

c）清水衝洗 d）顯微檢測

圖2 Ti6Al4V鈦合金的顯微檢測

鍛件粗加工（gōng）的目的是將α層完全去除（chú）。鈦合金表麵使用粒度400#～800#的氧化鋁砂紙拋光，表麵（miàn）粗糙度值需達到Ra=0.025μm或更（gèng）高等級要求。侵蝕使用Kroll試劑，按2%HF、4%HNO3及水（shuǐ）溶液配成，將適量的Kroll試劑塗抹（mò）在拋光處理後的鈦合金表麵上，直至（zhì）獲得所需（xū）要的清（qīng）晰組織後，在（zài）水（shuǐ）中進行清洗並（bìng）吹幹（gàn），使用手持式電子顯微鏡對鈦合金表麵進行檢測，組織中應含有10%～50%的初生α。圖3所示Ti6Al4V鈦合金顯微組織形（xíng）貌為合格的金相組織。

a）β轉變（biàn）基體中初生α b）β晶界不連續（xù）α

c）β晶粒片狀（zhuàng）α

圖3 Ti6Al4V鈦合金顯微組織形貌

4.2 鈦合金藍色陽極化腐蝕檢測

鈦合金加工時，當刀片側刃（rèn）擠壓磨損後，刀片抗衝擊性能逐漸降低，導致鈦合金已加（jiā）工表麵（miàn）因擠壓過熱而產生加工硬（yìng）化。通常采用藍色陽極化腐蝕的方法對硬化等缺陷進行檢測。鈦合金工件藍色陽（yáng）極（jí）化腐蝕後的（de）表麵如圖4所示。氧化後的鈦合（hé）金工件經後處（chù）理溶解後，合（hé）格氧化膜的顏色應為均勻的淺藍色（見圖4a）。出現加工硬化的鈦合金工件在腐蝕檢測後，工件表麵呈現出深藍色（見圖4b）或局部顏色較深（見圖（tú）4c），且各部位（wèi）的顏色不均勻。

a）均勻淺藍色 b）深藍色 c）局部深藍色

圖4 鈦合金工件藍色陽極化腐蝕後的表麵

藍色陽（yáng）極化腐蝕後，對於出現加工（gōng）硬化的零件（jiàn），可通過調整（zhěng）加工鈦合金的切削刀具材質、塗層及（jí）切（qiē）削角度，優化走刀路徑及切削參數等（děng）方法，控製（zhì）並消除加（jiā）工硬化。

4.3 鈦合金表（biǎo）麵光飾（shì）加工

為了去除（chú）鈦合金壓（yā）氣機盤、輪轂、葉輪、軸和轉子隔圈的表麵缺（quē）陷，提高零件的工作壽命，在對鈦合金工件完（wán）成所有的機械加工工序後，可采用手動（dòng）蝶式（shì）光飾（shì）的方（fāng）法，對（duì）工件（jiàn）表麵進行光飾加工。蝶式光飾需使用圖5所示光飾加（jiā）工工具：旋轉氣槍（轉速18000r/min）、拋光杆、氧（yǎng）化（huà）鋁或碳化矽砂布（bù）（規格10mm×20mm、粒度120#）。

a）旋轉氣槍 b）拋光杆 c）砂布

圖（tú）5　光飾加工工（gōng）具

鈦（tài）合金工件內槽光飾加工如圖6所示（shì）。為達到較好的光飾效果，可使用以下方法。

1）用氧化鋁砂布沿其長度方向（xiàng）折疊，牢固地插入拋光杆前端夾持槽內，並按照與（yǔ）旋杆旋轉方向相反的方向擰緊，每光（guāng）飾（shì）一處工件表麵後換一次新砂布（見圖6a）。

2）旋轉的砂布應在鈦合金表麵往複運動一個或兩個周期，每個周期運動10～30s，往複運動速度約為1.57mm/s（見圖6b）。

3）當對鈦合金工件不同的表麵進行光飾時，應在周期間更換砂（shā）布。使（shǐ）用手動光（guāng）飾時，應使用適（shì）當的止動扳手或（huò）機械深度止動裝置，來控製（zhì）旋（xuán）轉砂布的穿過。

a）砂布安裝 b）旋轉拋光

圖6　鈦合金工件內槽光飾加工

5、結束語

鈦合金屬於典型（xíng）的難加工材料（liào），加工時由於切削抗力大、切削溫度高且刀具磨損嚴重，所以選擇合理的刀具材料及刀片角度是鈦合金加工麵臨的首（shǒu）要問（wèn）題。含Ti硬質合金（jīn）刀具抗擴散磨損性能較好，切削時刀具（jù）表麵形成穩定（dìng）的鈦合（hé）金黏（nián）結層，可以起到抑製磨損（sǔn）的作用。隨著（zhe）國產刀具的發展，鈦合金（jīn）的加（jiā）工效率逐漸提高，節約了加工成本，對實現發動機整體國產化起到了積極作用。在生產實踐中，鈦合金加工（gōng）應基於（yú）企業現有技術、設備、管理和成本等條件，選擇合理的（de）定位工裝，利用企業信息化數據平台優選切削參數，逐漸摒棄隻憑經驗（yàn）、類比選擇參數的粗放型加工理念。

通過對鈦合金鍛件進行顯微組織（zhī）檢測，對粗加工後鈦合（hé）金的金（jīn）相組織進（jìn）行了對比評定；光飾加工（gōng）可（kě）有效去除鈦合金表麵（miàn）的加工及材料缺陷，提（tí）高工件使用壽命；藍色陽極化腐（fǔ）蝕檢測可以有效識別鈦合金在加工過程中出（chū）現的加工硬化等缺陷；有效控製鈦合金（jīn）加工表麵完整性，對穩定鈦合金加（jiā）工質量（liàng），提高鈦合金工件使用（yòng）壽命有（yǒu）重要意義。

本文發（fā）表於《金屬加（jiā）工（冷加工）》2021年第7期1~55頁，作者：中國航（háng）發西（xī）安航空發動機有限公司黃強，原標題：《航空鈦合金加工方法及表麵完整性控製技術》。