編（biān）者按：從航空鈦合金的加工特點、加工用（yòng）刀具、工裝夾具和（hé）切削參數等方（fāng）麵，分析討論鈦合金的加工工藝方法，並對其表麵完整性（xìng）控製技術進行介紹。

高級（jí）工程師　黃（huáng）強

1、序言（yán）

近年來，航空製造業對鈦合金的需求大幅（fú）提升，大型飛機中（zhōng）鈦合金的使用範（fàn）圍非常廣泛。作為飛機及（jí）發動機的優良製造材料（liào），鈦合金具有結構強度高、質（zhì）量輕及（jí）耐蝕性（xìng）良好等特點。鈦合金材料的切削性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（tè）性、加工（gōng）刀具、工裝選用和切（qiē）削參數（shù）等（děng）方麵，介紹航空鈦合金的加（jiā）工方法及表麵完整（zhěng）性控（kòng）製技術。 2、鈦合金的特點及應用

在航空工業（yè）領域，鈦（tài）合金主要用（yòng）於製造發動機壓氣機盤、中空風扇（shàn）葉片、渦輪盤和機匣殼體等零部件，以及大飛機起落架、外翼段、機身外殼、艙門（mén）、液壓係統和機身後段等結構件。目前，鈦（tài）合（hé）金在（zài）航空工業中的使（shǐ）用比例已由6%提（tí）高至15%以上。波音777使用了7%～9%的鈦合金零件（jiàn）；為達到（dào）降（jiàng）低燃油消耗20%的目標（biāo），波音787在研發過程中投入約20億元，專項研究鈦合（hé）金在飛機某些部位替代鋁合金，使波音787機體鈦合金用量達（dá）15%；國內大（dà）飛機項目中，鈦合金的（de）用量已從支（zhī）線客機ARJ21的4.8%，逐步增長到幹線客機C919的9%以上。

航（háng）空領域結構（gòu）輕量化、高強度等需求，使其越來越（yuè）離不開鈦合（hé）金。根據強度和耐高溫性能，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（qí）中以α+β鈦合金（jīn）（Ti6Al4V）應用最為廣泛。α鈦合金熱焊接性能好（hǎo），抗氧化性強，但韌性一般；β鈦合金可鍛性較好，冷成形性及熱處理強化性強；α+β鈦合金韌性好，可焊接及熱處理強化，抗疲勞性能較好。

Ti6Al4V的（de）材（cái）料成分主要包括Ti、Al、V、Fe、 O、C、S i、C u及少量的N、H、B和Y。鈦合金綜合力（lì）學性能優（yōu）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（bèi）推廣使用。但是，鈦合金切削（xuē）過程（chéng）中的高溫、高抗力，使其加工（gōng）後表麵冷作硬化現象嚴重，加劇（jù）了刀具的磨損（sǔn），導致其切削性較差，這些（xiē）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（gōng）作性能。下麵以Ti6Al4V為研究（jiū）對（duì）象，結合生產實踐中積累的經驗（yàn）方法，對鈦合金零件的切削性能（néng）、加工方法（fǎ）及表麵檢測技術進行介紹。

3、鐵合（hé）金加工方法（fǎ）

3.1 刀具的（de）選擇

加工鈦合金的刀（dāo）具材料應具有韌性好、熱硬性好、散熱性及耐磨性好等特點，除此（cǐ）之外，刀具還應滿足刃口鋒利、表麵光潔等要求。加工鈦合金材料時（shí），首選導熱性較好、強度（dù）較高的硬質合金刀具，且前角較小、後角較大。為（wéi）避免刀尖崩刃及裂碎，刀尖刃部應做圓（yuán）弧過渡處理；加工時應保持刃口鋒利，有利於及時排（pái）屑，避免切屑粘刀。

加（jiā）工鈦合金時，為防止刀具（jù）本體及塗（tú）層與鈦合金產生親和反應，使刀（dāo）具磨損加劇，通常避免選（xuǎn）擇含鈦類硬質合（hé）金及含鈦塗層刀（dāo）具。多年（nián）的生產實踐發（fā）現，含鈦類硬質（zhì）合金刀具雖然容易發生黏結、磨損，但其具有優異的抗擴散磨損能力，尤其是高速切削時，含鈦類硬質合金（jīn）刀具的抗（kàng）擴散磨損能力明顯優於YG類（lèi）硬質合金刀具。

世界各大刀具廠商均推（tuī）出了（le）針對鈦合金（jīn）零件加工的切削刀片。刀具（jù）材質及塗層材料的不斷改良，提高了鈦合金材（cái）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（rèn）口鋒利，適合鈦合金工件的精（jīng）加工。其IC907刀片有效提高了刀片的耐磨性，適合應用於粗加工及半精（jīng）加工中；山（shān）高（SECO）公司用於加工鈦合金的CP200及CP500，采（cǎi）用物理氣相沉積技術，是（shì）一種高硬（yìng）度（dù）超細顆粒的刀片（piàn）材質；瓦爾特（Walter）公司的WSM30、WSM20及WAM20，采用TiCN、TiAlN、TiN與Al2O3塗層，刀（dāo）具的抗變形、抗（kàng）磨損能力較強。常用的鈦合金加工刀具及塗層見（jiàn）表1。

表1　常用的鈦（tài）合金加工刀具及塗層

據統計，航空製造領域大（dà）部分需使用進口刀具，而鈦合金等難加工材料對於進口刀具的依賴（lài）程度更高。因（yīn）此，推動國產刀具及塗層材料的研發及應用，是徹底解決國內鈦合（hé）金加工（gōng）問題的有效（xiào）途（tú）徑。

3.2 刀具的磨損及解決（jué）辦法

鈦合金材料（liào）切削時，在切削速度較高、吃刀量較大的情況下，刀具前刀麵切削溫度最高處會磨出一個月牙窪，刀（dāo）片的切削刃與月牙之間有明顯的棱邊。月牙窪的寬度及深（shēn）度隨著切削磨損的加重（chóng）逐漸擴展，使切削刃的剛性降低，繼續使用（yòng）刀具會出現崩刃現象。刀片磨損的（de）電子顯微圖像如圖1所示。

a）前刀麵（miàn）磨損出現崩刃現（xiàn）象 b）後刀麵磨損

c）積屑（xiè）瘤

圖1 刀片磨損的電子顯微圖像

鈦合金材料加工時，刀片與工件劇（jù）烈摩擦，刀片後刀（dāo）麵與切削刃交（jiāo）界的部位磨出後角為零的小（xiǎo）棱麵，形成後（hòu）刀麵磨損。除此之外，由（yóu）於鈦合金的加工硬化，副切削刃（rèn）的（de）刀尖部位切削厚度逐漸減小，導致（zhì）切削刃打滑，後刀麵也（yě）會出現較大（dà）磨（mó）損。

刀片磨損後（hòu），可通過觀察切屑形態、顏色，機床的受力（lì）、聲音和振動等，調（diào）整切削線速度及進給量，控製（zhì）刀片前刀麵異常磨（mó）損。采用正前角槽型刀片，選用耐磨的（de）刀片材料或塗層（céng），提高刀具壽（shòu）命。

鈦合金加工（gōng）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，起到保（bǎo）護刀具的效果；當積屑瘤累積到（dào）一定程度後，積屑（xiè）瘤的頂端會伸出切（qiē）削（xuē）刃之外，刀具的實際工作前（qián）角增大，積屑瘤的累積和剝離，直接影響零件（jiàn）加工的精度。積屑瘤（liú）碎片粘附在鈦合金（jīn）已加（jiā）工（gōng）表麵上（shàng）後，形成硬點和毛刺，影響表麵質量。積屑瘤無規律的脫落和生成導致（zhì）切削力產生波動，進而引起切削振（zhèn）動，影響刀具使用壽命。為減小或避免鈦合金（jīn）切（qiē）削過程中積屑瘤的產生，生產實踐（jiàn）中常用的方法有：提高切削速度，逐步增加切削深度至最（zuì）佳；采用PVD物理（lǐ）塗層的刀片材料；采用高壓（yā）冷卻係統等。

在切削（xuē）加工中，由於鈦合金的塑性較低，切屑與前（qián）刀麵的接觸麵積小（xiǎo），刀具磨（mó）損（sǔn）主要發生在車刀（dāo）的前刀（dāo）麵上，因此切削刀片應該選用（yòng）較小前角，合適的前角（jiǎo）為0°～5°。小前角可有效增大切屑與前刀麵（miàn）的接觸麵積（jī），有利於分散集（jí）中在刃口附近的切削熱；選擇（zé）5°～10°後角可以減少刀具與（yǔ）零件的摩擦。刀片底麵和刀杆（gǎn）之間（jiān）選擇V形接觸麵組合，這種強固夾持結構設計，可有效提高刀杆夾持（chí）的剛性，消除刀具振動，提高鈦合金工件加工後的表麵質量（liàng）。

3.3 工裝的選擇

鈦合金工件在定（dìng）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（huì）引起應力變形（xíng）；鈦合金切削時吃刀抗力較大，故工藝係統需保證有足夠的剛度，需對工件的定位結構及（jí）定位尺寸進行分析，選擇穩定可靠的定（dìng）位基準，必要時增加（jiā）輔助支撐，或通過過定位以提高零件剛性。由於鈦合金易變形，所以夾緊力（lì）不能大，必要時可使用扭矩扳手，確保壓緊力穩定。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麵配合（hé）良好，夾具的壓（yā）緊（jǐn）力與工件的支承力相互平衡；對於比較大的壓緊麵，應盡量采用分散（sàn）壓緊的方式，避免（miǎn）壓力集中導致（zhì）工件變形。夾具壓板的壓緊點應盡量靠近工件被加（jiā）工表麵，以減少鈦（tài）合金切削時產生（shēng）的振動。

鈦合金（jīn）加工嚴禁使用含鉛、鋅、銅、錫、鎘（gé）及低熔點金屬（shǔ）的（de）夾具、測具或各種（zhǒng）臨時工裝，加工（gōng）鈦合金的（de）設備、夾具及工裝應保（bǎo）持清（qīng）潔（jié）無汙染，鈦合金工件（jiàn）加工後應（yīng）及（jí）時清洗，鈦合金表麵不允許出現鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點金屬等殘留物。轉移及搬運鈦合金工件時，應使（shǐ）用專（zhuān）用周（zhōu）轉箱，避免與其他材料的工件混用和混放。對精加工後的鈦合（hé）金表麵進行檢查及清洗時，應（yīng）戴上幹淨（jìng）手套，防止油汙及指紋汙染鈦合金表麵，以避免發生鹽應力腐蝕，影響鈦合金工件的服役性能。

3.4 切削參數

鈦合金的切（qiē）削參數主要包（bāo）括切（qiē）削速度、進給量和切削深度，其中切削速度是影響其切削性能的主要因素。通過將鈦合（hé）金工件恒轉速（sù）切削及恒線速度切（qiē）削進行對比試驗，認為恒轉速切削（xuē）狀（zhuàng）態要差（chà）於恒線速度切削（xuē）。當鈦合（hé）金的切削（xuē）線速度vc=60m/min、進給量f=0.127mm/r、切削深度ap=0.05～0.1mm時，鈦合金表麵很少發現硬化（huà）層。

由於硬化（huà）層主要出現在精加工後的工件表麵（miàn）上，所以精車時切削深度不宜過大，否則會產生大量的切削熱，切（qiē）削熱聚集會導致鈦合金表麵金相組織出現變化，零（líng）件表麵易產生硬化層；切削深度過（guò）小會導致工件表麵摩擦擠壓（yā），出現加工硬（yìng）化。因此，鈦合金工件在加工時，精車的切削深度必須大於刀具倒鈍的尺寸。

鈦合金（jīn）進給量選（xuǎn）擇應適中（zhōng），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（de）刀（dāo）具R進行選擇，精加（jiā）工（gōng）一般選擇較小的進給量，這是因為（wéi）大進給量切削會使刀具抗力增加（jiā），使刀具受熱彎（wān）曲或崩刃。表（biǎo）2為不同類型（xíng）及材質的刀具（jù）切削鈦合金時的常用參數。

表（biǎo）2 不同類型及材質的刀具切削鈦合金時的常用參數

3.5 冷卻係統

鈦合金切削對切削液的要求（qiú）是霧化（huà）程度低。鈦合金加工時應選擇高壓冷卻刀具，配合機床的高壓（yā）泵，冷卻壓力（lì）可達60×105～150×105Pa。采用高壓冷卻刀具加工鈦合金，可提高切削速度2～3倍，延長刀具使（shǐ）用壽（shòu）命，改善鈦合金切屑形態。切削鈦合（hé）金工件時澆（jiāo）注切削（xuē）液，切削力比幹切鈦合金減小5%～15%，徑向力減小10%～15%，切削溫度（dù）降低5%～10%，切削後鈦合金表麵形貌較好，塊（kuài）狀黏結物較少，有利於（yú）獲得較（jiào）高的表麵質量。

目前使用的Trim E206化合乳液，由8%的原液與92%的純淨（jìng）水混合而成，濃度為7%～9%，在鈦合金（jīn）材料加工中能達到較好的加工效果，在車削（xuē）、銑削和磨（mó）削加工中均可使用。Trim E206中含有特效添加劑，可有效控製積屑瘤的產生。切削液中添加有微小乳化分子，提高了切削（xuē）液的穩定性，降低了加工過程中切削液的（de）帶走量（liàng），切（qiē）削液（yè）更容易進入工件切削部位。除此之外，Trim E206有較強的抗油汙能（néng）力，切削液殘留物易溶於水及工作液，有利於維（wéi）持（chí）設備及加工零件表麵（miàn）的整（zhěng）潔性。

4、鐵合（hé）金（jīn）表麵完整性

4.1 鈦合（hé）金鍛件顯微組（zǔ）織檢測

鈦合金顯（xiǎn）微組織檢測是指對（duì）侵蝕處理後的鈦合金零件表麵用電子顯（xiǎn）微（wēi）鏡進行檢測，觀察鈦合金材料具有的組織形貌特（tè）征、分布等，用以檢測鈦合金（jīn）的金相組織是否（fǒu）符合相關標準及圖樣規範。鈦合金鍛件的顯微組織檢（jiǎn）測步驟：鍛件（jiàn）粗加工→表麵拋光→表麵侵（qīn）蝕→清洗→吹幹→顯微檢測。Ti6Al4V鈦合金的顯微檢測如圖（tú）2所示。

a）表麵拋光 b）表麵（miàn）侵蝕

c）清水衝洗 d）顯微檢測

圖2 Ti6Al4V鈦合金的顯微檢測

鍛件粗加工的目的是將α層完全去除。鈦合金表麵使用（yòng）粒度400#～800#的氧化鋁砂紙拋光（guāng），表麵粗（cū）糙度值需達到Ra=0.025μm或更高（gāo）等級（jí）要求。侵蝕使用Kroll試（shì）劑，按2%HF、4%HNO3及水溶液（yè）配成，將（jiāng）適量的Kroll試劑塗抹在拋（pāo）光（guāng）處理後的鈦合金表麵上，直至獲得所需（xū）要的清晰（xī）組織後，在水中進行清洗並吹幹，使用手持式電子顯微鏡對鈦合金表麵進行檢測，組織中應（yīng）含（hán）有10%～50%的（de）初生α。圖3所示Ti6Al4V鈦合金顯微組織形貌為合格的金相組（zǔ）織。

a）β轉變基體中初生α b）β晶界不連（lián）續α

c）β晶粒片狀α

圖（tú）3 Ti6Al4V鈦（tài）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（gōng）時，當刀（dāo）片側刃擠壓磨損後，刀片抗衝擊性能逐漸降低（dī），導致鈦合金已加工表麵因擠壓過熱而產生加工硬化。通常采用藍色陽（yáng）極化腐蝕的方法對硬化等缺陷進行檢（jiǎn）測。鈦合金工件藍色陽極化腐蝕後的表麵如圖4所示。氧化後的鈦合金工件經後處理溶（róng）解後，合格氧化（huà）膜的顏（yán）色應為均（jun1）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（sè）較（jiào）深（見圖4c），且各部（bù）位（wèi）的顏色（sè）不均勻。

a）均勻淺（qiǎn）藍色 b）深藍色（sè） c）局部深（shēn）藍色

圖4 鈦合（hé）金工件藍色陽極化腐蝕後的表麵（miàn）

藍色陽極化腐蝕（shí）後，對於出現加工硬化的零件，可通過調整（zhěng）加工鈦合金的切（qiē）削刀（dāo）具材質、塗層及切削角度，優化（huà）走刀路徑及切（qiē）削（xuē）參（cān）數等方法，控製並消除加工（gōng）硬化。

4.3 鈦（tài）合金（jīn）表麵光飾加工

為了去除鈦合金壓（yā）氣機盤、輪（lún）轂、葉輪、軸和轉子隔圈的表麵缺陷，提高零件的（de）工作壽命，在對鈦合金工件完成（chéng）所有（yǒu）的機械加工工序後（hòu），可采用手動蝶式光飾的方法，對工件表麵進行光飾加工。蝶（dié）式光飾需使用圖5所示光飾加工工具（jù）：旋轉氣槍（qiāng）（轉速18000r/min）、拋光杆、氧化鋁或碳化矽砂布（規格（gé）10mm×20mm、粒度120#）。

a）旋轉氣槍 b）拋（pāo）光杆 c）砂布

圖（tú）5　光飾加工工具

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

1）用氧化鋁砂布（bù）沿（yán）其長度（dù）方向（xiàng）折疊，牢固地插入拋光杆前端夾持槽內，並按照與旋杆旋轉方向相反的方（fāng）向（xiàng）擰緊，每光飾（shì）一處工件表麵後換一次新砂布（見圖6a）。

2）旋轉的砂（shā）布（bù）應在鈦合金表麵（miàn）往複運動一個（gè）或兩個（gè）周期，每個周（zhōu）期運動10～30s，往（wǎng）複運動（dòng）速（sù）度約為1.57mm/s（見圖6b）。

3）當對鈦合金工（gōng）件不同的（de）表麵進行光飾時，應在周期間更換砂布。使（shǐ）用手動光（guāng）飾時，應使用適當的止（zhǐ）動扳（bān）手或機械深度止動裝置，來控製旋轉（zhuǎn）砂（shā）布（bù）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（jiā）工

5、結（jié）束語（yǔ）

鈦合金屬（shǔ）於（yú）典型的難加工材料，加工時由於切削抗力大、切削溫度高且刀具磨損嚴（yán）重，所以選擇合理（lǐ）的刀具（jù）材料及刀片角度是鈦合金加工（gōng）麵臨的首要（yào）問題。含Ti硬質合金刀具抗擴散磨損（sǔn）性（xìng）能較好，切削時刀具表麵形成穩定的鈦合金黏結層（céng），可以起到（dào）抑製磨損（sǔn）的作用。隨著國產刀具的發展，鈦合金的加工效率逐漸提高，節約了（le）加工成本，對實（shí）現發（fā）動機（jī）整體國（guó）產化起到了（le）積極作用。在生產實踐中，鈦合金加工應基於企業現有技術、設備、管理和成本等條件（jiàn），選擇合理的定位工（gōng）裝，利用企業信息化數據平台優選切削參數（shù），逐漸摒棄隻憑經驗、類（lèi）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檢（jiǎn）測，對粗加（jiā）工後鈦合金（jīn）的金相組織進行了對比評定；光飾加工可有效去除鈦合金表麵的加工及材料缺陷，提高工件使用壽命；藍色陽極化腐蝕檢測可以有效識（shí）別鈦合金在加工過程中出現的加工硬化等缺陷；有效控製鈦合金加工表（biǎo）麵（miàn）完整性，對穩定鈦合金加工質量，提高鈦合金工件使（shǐ）用壽命（mìng）有重要意義。

本（běn）文發表於《金屬加工（冷加工）》2021年第（dì）7期1~55頁，作者：中國（guó）航（háng）發西安航空（kōng）發動機有（yǒu）限公司黃強，原標題：《航空鈦合金加工（gōng）方法及表麵（miàn）完（wán）整性控製技術》。