編者按：從航空鈦合金的加工特點（diǎn）、加工用刀具、工（gōng）裝夾具和切削參（cān）數等方麵，分析討論鈦合金的加工工藝方法，並對其表麵完整性控（kòng）製技術進行介紹。

高級工程師　黃強

1、序言（yán）

近年來，航空製造業對鈦合金的需求大幅提（tí）升，大型飛機中鈦（tài）合金的使用範圍非（fēi）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（zhì）量輕及耐蝕性良好等特點。鈦（tài）合金材料（liào）的切削性（xìng）能決定了其加工後工件表麵完整性較（jiào）差。下麵從鈦合金的加（jiā）工特（tè）性（xìng）、加工（gōng）刀具、工裝選用和切削參數等方麵，介紹航空鈦合金的加（jiā）工方（fāng）法及表麵完整性控製技（jì）術。 2、鈦合金的（de）特點（diǎn）及（jí）應用

在航空工業領域，鈦合金主（zhǔ）要用於（yú）製造發動機壓（yā）氣機盤、中空風扇葉片、渦輪盤和機匣殼體等零部件（jiàn），以及大飛機起落架、外翼段、機身外殼、艙門、液壓（yā）係統和機身後段等結構件。目前（qián），鈦合金在航空工業中（zhōng）的使用比（bǐ）例已由（yóu）6%提高至15%以上。波音777使用了7%～9%的鈦合金零件；為達（dá）到降低燃油消耗20%的目標，波（bō）音787在研發過程中投入約20億元，專項研究鈦合（hé）金在飛（fēi）機某些部位替代鋁合金，使波音787機體鈦合金用量達15%；國內大飛機項目中，鈦合金的用量已從支線客機ARJ21的4.8%，逐步增長到幹（gàn）線客機C919的9%以上。

航空領域結構輕（qīng）量化、高強度等需求，使其越來越離（lí）不開鈦合金。根據強度和耐高溫性能，鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金（jīn）、α+β鈦合金（jīn）和鈦鋁合金，其中以α+β鈦合金（Ti6Al4V）應用最為廣泛。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（kě）鍛性較好，冷成形性及（jí）熱（rè）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的材料成分主要包括Ti、Al、V、Fe、 O、C、S i、C u及少量的N、H、B和Y。鈦合金綜合力學（xué）性能優異，密（mì）度（dù）低，耐腐蝕性能良好，作為（wéi）一種（zhǒng）高強度合金材料，在航空發動機及航空工業領域一直（zhí）被推（tuī）廣使用。但（dàn）是，鈦合金切削（xuē）過程（chéng）中的高溫（wēn）、高抗力，使（shǐ）其加工後表（biǎo）麵冷作硬化現象嚴重，加劇了刀（dāo）具的磨損，導（dǎo）致其切削（xuē）性較差，這些都不利於獲得好的表麵質量，影響鈦合金零件的使用壽命（mìng）及發動機工（gōng）作性（xìng）能（néng）。下麵以Ti6Al4V為研究對象，結合生產實踐中積累的經驗方法，對鈦合金零件的切削性能、加工（gōng）方法及表麵檢（jiǎn）測技術進行介紹。

3、鐵合金加工方法

3.1 刀具的選擇

加工（gōng）鈦合金的刀具材料應具（jù）有韌性好、熱硬性好、散熱（rè）性及耐磨性好等特點，除此之外，刀具還應滿足刃口鋒（fēng）利、表麵光潔等要求。加工鈦合金材料時，首（shǒu）選導熱性較好、強度較高的（de）硬質合金刀具，且前角較小、後角較大。為避免刀尖崩刃及裂（liè）碎，刀尖刃部應（yīng）做（zuò）圓弧過（guò）渡處理；加工時應保持刃口鋒（fēng）利（lì），有利（lì）於及時排屑，避免切屑粘刀。

加工（gōng）鈦合金時，為防止刀具（jù）本體及塗層與鈦合金產生親和反應，使（shǐ）刀具磨損加劇（jù），通（tōng）常避免選擇含鈦類硬質合金及含鈦塗層刀具。多年的生產實（shí）踐發現，含鈦類硬質合金刀（dāo）具雖然（rán）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，含鈦類硬質合金刀具的抗擴散磨損能力明顯優於YG類硬質合金刀具。

世界各大刀具廠商（shāng）均推出了針對鈦合金零件加工的切（qiē）削刀片。刀具材質及塗（tú）層材料的不斷改良，提（tí）高了（le）鈦合金材料的切削效率，推動了鈦（tài）合金工業的發（fā）展。伊斯卡（kǎ）（ISCAR）公司的IC20刀片切削鈦合金，刀具刃口鋒利，適合（hé）鈦合金工件的（de）精加（jiā）工。其IC907刀片有效（xiào）提高了刀片的耐磨（mó）性，適合應用於粗加工及（jí）半精加工中；山（shān）高（gāo）（SECO）公司用於加工鈦合（hé）金的CP200及CP500，采（cǎi）用物理氣相沉積（jī）技術，是一種高（gāo）硬度超細（xì）顆粒的刀片材質；瓦爾特（tè）（Walter）公（gōng）司的WSM30、WSM20及WAM20，采用TiCN、TiAlN、TiN與Al2O3塗層，刀（dāo）具的抗（kàng）變形、抗磨損能力較強。常用的鈦合金加工刀具及塗層見表1。

表1　常用的鈦合金加工刀具及塗層

據統計，航空製造領域大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（de）依賴（lài）程度更高。因此，推動國產刀具（jù）及塗層材料的研發及應用，是徹（chè）底解決國內鈦合金加（jiā）工問題的有效途徑。

3.2 刀具的磨（mó）損及解（jiě）決辦法

鈦合金材料切削時，在（zài）切削速度較高、吃刀量較大的情況下，刀具（jù）前（qián）刀（dāo）麵切（qiē）削溫度最高處會磨出一個月牙窪，刀片（piàn）的切削（xuē）刃與月牙之（zhī）間有明顯的棱邊。月牙窪的寬度及深度隨著（zhe）切削磨損的加重逐漸擴展，使切削刃的剛性降低，繼續（xù）使用刀（dāo）具會出現崩刃現象。刀片磨損（sǔn）的電子顯微圖（tú）像如圖1所示。

a）前刀麵磨損出現崩（bēng）刃現象（xiàng） b）後（hòu）刀麵磨損

c）積屑瘤

圖1 刀片磨損的電子顯微圖像

鈦合金材料加工時（shí），刀片與工件劇烈摩擦，刀（dāo）片後刀麵與切削刃交界的部位磨出後角為零的小棱（léng）麵，形成後刀麵磨損。除此之外，由於鈦合金的加工硬化，副切削刃的刀尖部位切削厚度逐漸減小，導致（zhì）切削（xuē）刃打滑，後刀麵也會出現較大磨損。

刀片磨損後，可通過觀察切屑（xiè）形態、顏（yán）色，機床的受力、聲音（yīn）和振動等，調整切削線速度及進給量，控製刀片前刀麵異常磨損。采用正前角槽（cáo）型刀片（piàn），選用耐磨的刀片材料或塗（tú）層，提高刀具壽命。

鈦（tài）合金加工過程中容易形成積（jī）屑瘤。當積屑瘤處於穩定狀態時，可代替切削刃進行切（qiē）削，起（qǐ）到保護刀具的效果；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（wài），刀具（jù）的實際工（gōng）作前角增大（dà），積屑瘤的累積和剝離，直（zhí）接影響零（líng）件加（jiā）工的精度。積屑（xiè）瘤碎片粘附在鈦合金已加工表麵（miàn）上後，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切削力產生波動，進而引起切削振動，影響刀具使用壽命。為減（jiǎn）小或避免鈦合金切削過程中積屑瘤的產生，生產實踐中常用的（de）方法有：提（tí）高切削速度（dù），逐步增加切削深（shēn）度至最佳；采用PVD物理塗層的（de）刀片材料；采用高壓冷卻係統等。

在切削加工（gōng）中，由於鈦（tài）合金的塑性較低，切屑與前（qián）刀麵的接觸麵積小，刀具磨（mó）損主要發生在車（chē）刀的前刀麵上，因此切削刀片應該選用較小前角，合適的（de）前角為0°～5°。小前角可（kě）有效增大切屑與前刀麵的接觸麵積，有利於分散集中在刃口（kǒu）附近的切（qiē）削熱；選擇5°～10°後角（jiǎo）可（kě）以（yǐ）減少刀具與零件的摩擦。刀片（piàn）底麵（miàn）和刀杆之間選擇V形接觸麵（miàn）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（miàn）質量。

3.3 工裝的選擇

鈦合金工件在定位裝夾時，夾具壓緊力與工（gōng）件支承力相互作用（yòng），在自由狀態下會引起應力變形；鈦合金切（qiē）削時吃刀抗力較大，故工藝係統需保（bǎo）證有足夠的剛度，需對工件的定（dìng）位結構及（jí）定位尺寸（cùn）進行分析，選擇穩定可靠的定位基準，必要時增加（jiā）輔助支撐，或通過過定位以提高（gāo）零件剛性。由於鈦合金易（yì）變形，所以（yǐ）夾緊力不能大，必要時可使用扭矩（jǔ）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（jiàn）的定位麵配合（hé）良好，夾具（jù）的壓緊力與工件（jiàn）的支承力相互平衡；對於比較大（dà）的壓緊麵（miàn），應盡量采用分散（sàn）壓緊的方式，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工件被加工表麵，以減少（shǎo）鈦合金切削時產生的振動。

鈦合金加（jiā）工嚴禁使（shǐ）用含（hán）鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔點金屬的夾具、測具或各種臨時工裝（zhuāng），加工鈦合（hé）金的（de）設備、夾具及工裝應保持清潔無汙染，鈦合金工件加工後應及（jí）時清洗，鈦合金表（biǎo）麵不允許出現鉛、鋅、銅、錫、鎘及低熔（róng）點金屬等殘留物（wù）。轉移及搬運鈦合金工件時，應使用專用周轉箱，避免與其他材料的工（gōng）件混用和混放（fàng）。對精加（jiā）工後的鈦合金表麵進行檢查及清（qīng）洗時（shí），應戴上幹淨（jìng）手套，防止油汙（wū）及指紋（wén）汙染鈦合金表麵，以避免發（fā）生鹽（yán）應力腐蝕，影響鈦合金工件的服役性能。

3.4 切削參數

鈦合金的切削參數（shù）主（zhǔ）要（yào）包括切削速度、進（jìn）給量和切削深度，其中切削速度是影響其（qí）切（qiē）削性能的主要因素。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（xuē）狀態要差於恒線速度（dù）切削。當（dāng）鈦合金的切削線速度vc=60m/min、進給量f=0.127mm/r、切削深度（dù）ap=0.05～0.1mm時，鈦合金表麵很少發現硬化層。

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

鈦合金進給量（liàng）選（xuǎn）擇（zé）應適中，若進給量過小（xiǎo），加工時刀（dāo）具在硬化層中（zhōng）切削，則磨損（sǔn）較快。進給量可（kě）根（gēn）據不同的刀（dāo）具R進行選（xuǎn）擇，精加工一（yī）般選擇（zé）較小的進給量，這（zhè）是因為大進給量切削會使刀具抗力增加，使刀具（jù）受熱彎曲或崩刃（rèn）。表2為不同類型及材質的刀具切削鈦合金時的常用參數。

表2 不同類型及材質的刀具切削鈦合金時（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（jīn）加（jiā）工時應選（xuǎn）擇高（gāo）壓冷卻刀具，配合機床的高壓泵，冷卻壓力可達60×105～150×105Pa。采用高壓冷卻刀具加工鈦合金，可提高（gāo）切削速度2～3倍，延長刀具使用壽命，改善鈦合金切屑形態。切削（xuē）鈦合（hé）金工件時（shí）澆注切削液，切削力比幹（gàn）切鈦合金減（jiǎn）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，塊狀黏結物較少，有利於獲得較高的（de）表麵質量。

目前使用的Trim E206化（huà）合乳液（yè），由8%的原（yuán）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（hǎo）的加工效（xiào）果，在車削（xuē）、銑削和磨（mó）削加工中均（jun1）可（kě）使用（yòng）。Trim E206中含有特（tè）效添加劑，可有效控製積（jī）屑瘤的產生。切削液中添（tiān）加有微小乳化分子，提高了切削液的穩定性，降低了加工過程中切削液的帶走量，切削液更容易進入工（gōng）件切削部（bù）位。除此之外，Trim E206有較強的抗油汙能力，切削液殘留物易溶於水及工作液，有利於維持設（shè）備（bèi）及（jí）加工零件表麵的整潔性。

4、鐵合金表麵完整性

4.1 鈦合金鍛件顯微組（zǔ）織檢（jiǎn）測

鈦合金顯（xiǎn）微組（zǔ）織檢測是指對侵蝕處理後的鈦合金零（líng）件表麵用電子（zǐ）顯微鏡進行檢測，觀察鈦（tài）合金材料具有的組織形貌特征、分布等，用以檢（jiǎn）測鈦合金（jīn）的金相組織（zhī）是否符合相關標準及圖樣規範。鈦合金鍛件的顯微組織檢測步驟：鍛件（jiàn）粗加工→表麵拋光→表麵侵蝕→清洗→吹幹→顯（xiǎn）微檢（jiǎn）測。Ti6Al4V鈦合金的顯微檢測如圖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（jīn）的顯微檢測

鍛件粗加工的目的是（shì）將α層完全（quán）去除。鈦合金表麵使用粒度400#～800#的氧化鋁砂（shā）紙拋光，表麵粗糙度值需達到Ra=0.025μm或（huò）更高等級要求。侵蝕使用Kroll試（shì）劑，按2%HF、4%HNO3及水溶液配成，將適量的Kroll試（shì）劑塗抹在拋光處理後的鈦合金表麵上，直至獲得所需要的清晰（xī）組織後，在水中進行清洗並吹幹，使用手持（chí）式電（diàn）子（zǐ）顯微鏡對鈦（tài）合金表（biǎo）麵進行檢測，組織（zhī）中應含有（yǒu）10%～50%的初生α。圖3所示Ti6Al4V鈦合金顯微組織形貌為合格的金相組織。

a）β轉（zhuǎn）變基體中（zhōng）初（chū）生α b）β晶界不連續α

c）β晶粒片狀α

圖3 Ti6Al4V鈦合金顯微組（zǔ）織形貌

4.2 鈦合金藍色陽極（jí）化腐蝕檢測

鈦合金加工時，當刀片側刃擠壓磨損後，刀片抗衝擊性能（néng）逐（zhú）漸降低，導致鈦合金已加工表麵因擠壓過熱而產生加工硬（yìng）化。通常采用藍色陽極化腐（fǔ）蝕（shí）的（de）方法對硬化等缺陷進行檢測（cè）。鈦合金工件藍色（sè）陽極化腐蝕（shí）後（hòu）的表麵如圖4所示。氧化（huà）後的鈦合金工件經後處理溶解後，合（hé）格氧化膜（mó）的顏色應為均勻的淺藍色（見圖4a）。出現加工硬（yìng）化的鈦合金工件在腐（fǔ）蝕（shí）檢測後，工（gōng）件表麵（miàn）呈現出深藍色（見圖4b）或局部顏色較深（見圖4c），且各部（bù）位的（de）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（lán）色陽極化腐蝕（shí）後，對於出現加工硬化的零件，可（kě）通過（guò）調整加工鈦合金的（de）切削刀（dāo）具材質、塗層及切削角度，優化走刀路徑及切削參數等方法，控（kòng）製並消除加工硬化。

4.3 鈦合金表（biǎo）麵（miàn）光飾加工

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

a）旋轉（zhuǎn）氣槍 b）拋光杆（gǎn） c）砂布

圖5　光飾加工工（gōng）具

鈦合金工件內槽光飾加工如圖6所示。為達到較好的光飾效果，可使用以下方法。

1）用（yòng）氧化鋁砂布沿其長度方向折疊，牢（láo）固地插入拋光杆前端夾（jiá）持槽內，並按照與（yǔ）旋（xuán）杆旋轉方向相反的方向擰緊，每光飾一處工件表麵後換一次新砂布（見圖6a）。

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

3）當對鈦合金工件不同的表麵進行光飾時，應在周期間更換砂布。使用手動光飾時（shí），應使用適當的止動扳手或機械深度止動裝置，來（lái）控製旋轉砂布的穿過。

a）砂（shā）布安（ān）裝 b）旋轉拋（pāo）光

圖6　鈦合金工（gōng）件內槽光飾加工

5、結束語

鈦合金屬於典型的難加工材料，加（jiā）工時由於切削抗力大、切削（xuē）溫度高且刀具磨損嚴重，所（suǒ）以選擇合理的刀具材（cái）料及刀片角度是鈦合金加工麵臨的首要問題。含Ti硬質合（hé）金刀具抗（kàng）擴散磨損性能（néng）較好，切削時刀具表麵形成穩定的鈦（tài）合金黏結層，可以起到抑（yì）製磨損的作用。隨著國產刀具的發展，鈦合金的（de）加工效率逐漸提高，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（tài）合金加工應基於企業現有技術（shù）、設備、管（guǎn）理和成本等條件，選擇合理的定位工（gōng）裝，利用企業信息化數據（jù）平台優選切削參數，逐（zhú）漸摒棄隻憑經驗、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（xiǎn）微組織檢測，對粗加工後鈦合金（jīn）的金相組（zǔ）織進行了對比評定；光飾加工可（kě）有效去除（chú）鈦合金表麵的加工及材料缺陷（xiàn），提高工件使用壽（shòu）命；藍色陽極化腐蝕檢測可以有（yǒu）效識別鈦合金在加工過程中出現的加工硬（yìng）化等（děng）缺陷；有效控製鈦合金加（jiā）工表麵（miàn）完整性，對穩（wěn）定鈦合金加工質（zhì）量，提高鈦合金工件使用壽命有重要意義（yì）。

本（běn）文發表（biǎo）於《金屬加工（冷加工）》2021年第（dì）7期（qī）1~55頁，作者：中國航發西（xī）安航（háng）空發動機有限公司黃強，原標題：《航空鈦合金（jīn）加工方法及表麵完（wán）整性控製技術》。