航空TC21钛合金的机械加工

发布时间：2021-06-05

航空 T 2 C 1钛合金的机械加工西安飞机国际航空制造股份有限公司 (陕西 7 0 8 )刘红涛 109

随着先进的第四代飞机和高推比航空发动机的设计及应用技术的飞速发展，对材料特别是钛合金结构材料的需求大大增加，并对钛合金的性能提出了更高的要

先进飞机受力件的主选材料之一。但是钛合金的机械加工性有诸多不利的特性，属于难加工材料，原因在于：

( )屈服极限和强度极限之比 (/ )高达 1 08 09 ( . 5~ .5钢仅为 0 6— .5,导致冷作硬化，增 .5 0 7 )

求。其中，高损伤容限性能是目前先进战略飞机长寿命、高机动性、低成本的重要材料性能指标。

大冷作硬化层，降低合金塑性，加剧刀具磨损。( )导热性差，仅为钢的 16—13 2//,因而切屑带走热量与工件传导热量少，使切削区的温度高，导致加工变形：切削卷曲引起刀尖部位热量升高，压力加大，使刀具前后面易于磨损；增加刀具后刀面与已加工面摩擦，影响加工表面质量。

海上预警机验证机作为一个新研项目，根据其设计方案的总体要求，其尾翼部分零部件选用了新型的高强

高韧损伤容限型钛合金 T2材料制造承力接头。但是 C1由于 T 2钛合金是我国自行研制的具有独立自主知识 C1产权的第一个高强高韧损伤容限型钛合金，目前，国内

其他同行仅对该材料的物理、化学和力学性能进行了初步研究，在机械加工领域研究目前还是一片空白，而且国外先进航空企业对同类型的钛合金加工性能的研究封锁很严，没有任何可以借鉴的经验。我公司在以往的型号研制中，虽然大量使用过高强度钛合金，也开展过这方面的研究，但对于损伤容限型钛合金 T 2 C 1也是首次

( )钛合金的弹性模量小 ( 3 E=1 O 0 g m , 1 0 k/ m ) 约为钢的 12/,故刚性差、易变形。切削加工时，在切削力的作用下，工件容易产生让刀，不易保证零件的尺寸精度和形状精度，刀具切削之后，加工表面的回弹量

很大，为不锈钢的 2~3倍，造成刀具后刀面强烈的摩擦、粘附、粘结磨损。 ( )钛合金易粘附刀具，这是因为刀具与切削单位 4接触面积压力增大，使已加工表面产生回弹作用，切削后的切屑与刀具表层材料产生“亲和”作用，呈现粘刀一

使用，对其加工性能一无

所知，这是目前最大的困难，只能在实际生产中不断摸索，总结优化，逐步了解和掌握。通过对典型零件的机械加工，总结出该材料的机械加工典型工艺方案的制定，工艺参数的合理选择等相关

粘结一扩散过程，加快刀具磨损。 ( )高温下的钛合金与空气中的化学作用很强，在 5

的因素，为公司编制典型工艺规范和其他技术文件等提供了前提条件，并且为今后该材料的广泛应用提供一定

30以上高温作用下，钛合金易与大气中的 O、N、 0%:: H、C: 0和 c 0等物质产生强烈的化学反应，生成硬化层，加速刀具磨损。

的理论依据。

1 .零件材料性能分析钛合金大致分为三种：型、卢型、+ 卢型。型

( )在导热、导温、亲和及弹性模量诸因素作用 6下，切削区域的热量大量聚集，当温度高达 90— 8 1 9%范围时刀具刃口呈现回火、钝化等；钛合金精加 8 0工易产生烧伤、裂纹及残余应力。

钛合金代号为 T J型钛合金代号为 T;O+ A; B B/卢型钛合金代号为 T。其中最难加工的为/型钛合金，其次就是 c 3+型钛合金，次之是型钛合金。

钛合金材料具有比强度高 (密度为钢的一半，而且强度却超过钢的弹性 )、耐腐蚀性好 (于最好的不锈优

2零件结构特点分析 .如图 1、图 2所示，此类零件结构特点为：零件材料均为 T 2钛合金，毛坯尺寸分别为 5 0 m× 3 m C1 3m 30 m

钢，且像钢一样易于铸造和锻造加工)等特点，是现代

一

!笙丝塑

W W W, e al or ng1 50 co m t w ki 9 . m

参磊工冷工加

X 1m 5 m和 4 0 m× 4 r× 5 m。零件壁厚小，大 l 0m 30 m 7 m a部分为 2~3 m,而且槽腔多，加工开敞性差，刀路回 m

功率机床粗加工去除毛料黑皮硬化层，考虑到在加工时

要从零件毛料外侧进刀，要求铣六方，同时也便于普通机械加工划线工序的进行。②粗加工：为了节约数控设备资源，降低加工成本，提高加工效率，采取使用普通机床进行零件大余量的去除。③半精加工：为了使精加

转余地小，尤其是两耳片之间的槽腔，空间狭小，度深较大；槽腔转角半径小于 5 mm,导致刀具在接转角时，刀具刚性差，容易在转角处产生断刀啃伤零件；粗加工

余量大，加工周期长；端头耳片容易变形，尺寸公差

工余量均匀，保证加工质量，提高加工效率，普铣无将法加工到的大余量部位，采用数控半精加工，零件单面

小，以保证；耳片端头两精度孔，由于采购专用钻铰难刀具，周期长，费用大，所以只能是用数控精镗的方式完成，没有可供参考加工参数，难度较大。

均匀留余量 1 3 m~ m。④去除切削应力热处理。⑤数控精加工零件上下表面、加工基准，并建立坐标系。⑥数控精加工零件理论外形，为了提高零件的加工效率，认真分析零件型面特点，用去零件理论外形容差的思想，采取五轴联动方式进行加工，钛合金的五轴联动加工对

机床设备，刀具强度，刚性要求较高，而且参数选择非常重要。⑦数控精加工型腔，转机床 (兰宝地转由D MG),采用数控五轴加工中心进行立卧转换的方式，图 1海上预警验证机尾翼部分前梁悬挂接头本体三维图

精加工零件耳片槽子。⑧数控反面精加工型腔外形等。⑨钳工修整，送计量，检验，卸料。⑩6 3厂按标工精镗

两孔，保证位置尺寸。返回后零件表面处理。经过优化后的工艺方案是使零件的加工周期大大缩短，尤其是数控粗加工改为普铣和理论外形三坐标行切

改为五轴联动侧刃铣。图2海上预警验证机尾翼部分后梁悬挂接头本体三维图

4机床的选择 .零件毛料重量分别为 8 . 8 k、5 .4 k,加工完 6 15 g 0 0 6 g成后零件重量分别为 17 5 g . 9 k。两零件的金属 . 5 k、137 g

结合以上分析首先要解决以下几个问题：①工艺方案的制定。②加工过程中机床、刀具、加工参数的合理

选择。③加工过程中零件变形、动等情况的控制。④颤由于零件配套时间紧，材料难加工，在保证进度和质量

去除率 9.6、9.%,为提高零件的切削效率，选 79% 72择合适的数控机床加工零件是非常必要的。众所周知，

的前提下加工效率问题等。

要提高切削效率就必须提高单位时间内的金属去除率。金属去除率公式：Q=O, p功率公式：P=Q K式中 o——切削深度； a——切削宽度； ,——进给率；——

3零件加工工艺方案的制定 .结合该类零件的结构特点，参考 TA、T 1、 C- C 8T6 1V等钛合金的加工经验

,制定工艺方案如下： iA4

1 0 0 0

( )第一套工艺方案 1

普铣加工零件上下面黑皮一

数控加工基准边一数控粗加工一去应力热处理一数控精

加工基准边，钻基准孔一数控精加工零件理论外型三轴行切一数控精加工零件型腔一数控反面精加工耳片槽 (数控五轴加工中心进行立卧转换 )一数控反面精加工型腔一数控铣零件外形 (于普铣卸工艺凸台)一钳工便修整一计量一普铣卸料一钳工修整一检验— 3厂精镗两精度孔一检验一表面处理。 ( )优化后第二套工艺方案 2具体分为：①选用大

功率比系数 (经验值 ),对于铝合金材料

而言，整体刀加工时 K: 25镶齿刀加 1.,工时 K=1 3~1.。 3 5

在切削深度和切削宽度一定的情况下，进给速度越高则金属去除率越大，同时机床功率也越大。故此为确

保切削效率的提高，必须选用大功率机床。根据加工钛合金零件机床选取的基本原则：机床应满足刚性好、功

参磊

…——

l蚕；銮.妻蚕夔鎏鬟曩 .垦 J率大、冷却装置齐全及刀座外伸长度短等特征，结合零件毛料尺寸大小和分厂数控机床的实际情况，我们选取MO U L 5 G机床进行零件加工。 D MIL2 0 K——系数，可以在金属切削用量手册查出。

刀具的齿数的确定：齿数多，振动小，加工平稳，但不利于排屑。齿数少，排屑较好，但是刚性差，不适

在粗加工时，由于余量较大，尽量选用刚性好，功率高等特点的机床，在这里我们选用分厂现有的普通大立铣设备，机床功率大约在 1k 5 W。半精加工、精加工时，选取适合加工钛合金零件或钢件的机床，根据零件结构特点和加工特性我们选用五

合钛合金加工。对于钛合金的加工来说，刀具的齿数一般为 3— 6齿较为合适。

根据理论参数在实际加工中的应用情况，我们对相关参数进行了一定的调整，得出了较好的加工效果，如图3、图 4所示。

坐标加工中心机床兰宝地 A B摆角头、功率 3k和 2W D G机床 B摆角头、功率 2k M C 8W。D G机床主要用于 M加工零件耳片槽子，其他工作量均在兰宝地机床进行。

5 .刀具的选择根据零件的结构特点初步确定刀具的直径和悬伸。对于钛合金，粗加工尽量使用大直径刀具，大直径刀具有刚性好、不易折断，切削参数和切削

参数较大，以提

高加工效率等优点。精加工时，尽量采用大小刀结合。根据零件材料的加工特性来选择适合加工该零件刀具材料，根据钛合金材料的特点，选用如高钴高速钢、粉末冶金高速钢、硬质合金刀具等，应避免使用易于产

图3前梁悬挂接头本体

生“亲和”的钛一一钨钴类合金以及涂层刀具等。一般情况下采用硬质合金和高速钢刀具，硬质合金刀具的优

点是刚性好，可以使用高转速、大切削量，可以提高加工效率，缺点是刀具硬而脆，冲击性能不好，易崩耐容刃。高速钢刀具具有韧性好，精加工零件表面质量较好，但是该类刀具刚性差，不能实现高转速、大切削量的加工，加工效率低。另外，随着涂层技术的发展，针图4同材料其他零件的加工效果

调整后用于实际加工的具体加工参数如下：

对加工钛合金的刀具涂层技术，可以大大提高刀具的使用寿命和加工效率。

@d O m￣ m盘刀，粉末冶金硬质合金刀片，去黑皮，切深 55 m,切宽 3 r m 5 m,转速 n= 1O/ i,进给 f= a lrmn 5 m/ i。②6 O l焊接式硬质合金刀具，材料 0 m mn 4 rmmY 3/ S r 30 9 i,粗加工，切深 4 m C 0 m,切宽 2 m 0 m,转速= 8 rmn 10/ i,进给 f=1 4 m/ i。切深 6 m 6~ 0 m m n 5 m,切

6切削参数的初步确定 .切削参数应根据加工使用的机床、刀具的材质及被加工的材料等来确定。切削速度主要是根据刀具生产厂家提供的数据以及在实际应用中的加工情况来确定。转

宽 1m 5 m时，零件外垂直进刀，机床振动较大，在转角

速 n和进给速度可以根据以下公式计算得出n=1O 0/ fr 0 v,D) r=

处刀具崩刃 ( n:lO/ i, 5 m mn。③ 03 m O rm n f= m/ i) rm 焊接式硬质合金刀，材料 Y 3/ SC,粗加工，切深 3 09 ir1r 5 m,切宽 2 m a 0 m,转速 n=10/ n 6 rmi,进给 f=1 6~ 4 m/ i。切深 2 m 0 m mn 5 m,切宽 1m 5 m时，零件外垂直进刀，刀断 ( n=10/ i, 6 rm n f=4 m/ n;切深 5 m, 0 m mi) a r 切宽 2 m 0 m时，零件外垂直进刀，刀具磨损较快 ( n=

{,K=V /

式中 D——刀具直径； r齿数；

卜

每齿进给量；

1 rmn厂 6r/ i。@qO3 m焊接式硬质合金 6/ i,= 0 m rn 0 a a ) br 3 m

2 1 0 0年第 2￣ 2t/W W W. et w Or i g1 0 c m a| kn 95 . om

参磊工冷工加

蚋越圈刀具，材料 Y 3/ SC,粗加工，切深 8 m,切宽 30 9 ir m

在加工过程中，逆铣机床振动较大。

2r 0 m,转速=10/ i,进给f=1 a 6 rr n a 6~4 r/ i。加 0 m rn a a工封闭槽子，不用预加工下刀孔，螺旋进刀，螺旋角度

7控制零件加工中的颤动和零件变形 .在 T 2钛合金零件加工过程中，首先，由于该材 C1料退火状态的=10 0 a相当难以加工，在进行大 7 MP

不得大于 1。 5,半径最好大于 1r。⑤￣ 03 r整体 5m a b rmn 2硬质合金刀具，材料 K 4 5或 S D 4 0 MG 0 P K 6,精加工，切深 5~1 m 5 m,切宽 3~8 mm,转速/=10—10/ i, 7 2, 5 rr n a

余量加工过程中机床振动较大，对刀具的强度、刚性要求较高，而且对零件的精度质量影响较大，所以在粗加

进给/=8~ 0 m r n (角速度降低 ) 4r/ i转 a a。加工封闭槽

工时尽量采取大功率，转矩，刚性好的设备，以及尽大量选用大直径，长度合适 (一般刀具的长径比不超过 41: )来提高加工的稳定性。其次，就是合理科学的设置零件的工艺凸台和零件在加工时的装夹方式，保持在

子，不用预加工下刀孔，螺旋进刀或零件外侧进刀。 @￣ 03 m体硬质合金刀具，材料 K C0 br整 2 m M 4 5或 s— PD 4 0,精加工，切深 5 m,切宽 8 m,转速 n=2 0 K6 m m 8 rm n/ i,进给 f=4~6 m/ i (角速度降低 ) 0 0 m mn转。

加工过程中使零件、刀具相对稳定，减少颤动。第三，要经常检查刀具刃口的好坏，要保持刃口锋利。只有这

⑦( O m b, m,高速钢 M 2 25 4,精加工，切深 5 m,切宽 m8 m,转速 n=2 0/ i,进给 f=3 a r 4 rmn 0~5 m/ i ( 0 m m n转

样刀具才能进行平稳切削，能提高加工质量，加工效才率，而且可以延长刀具的使用寿命，节约成本。第四，顺铣也能大大减少振动。

角速度降低 )。⑧+03 m高速钢 M 2粗加工，切深 3rm 4,2 m,切宽 2 m a r 0 m,转速 20rmn 0/ i,进给，: 2 m/ n 7 m mi,刀具底角磨损严重。⑨ 63 m整体硬质合金刀具，材 1 rm料 K G0 M 4 5或 S D 4 0 P K 6,精加工，切深 0 5 m,切宽 .m

目前钛合金的加工，为了消除因材料性能而引起的变形，主要是通过适当得去应力热处理来消除。在加工

0 5 m,转速：3 0—50/ i,进给 f=10—10 .m 0 0 rr n a 0 5

中的变形，主要是通过合理的选择和安排工艺方案，工艺路线，尽量减少零件在加工过程中受到较大外力来控

m/i ( m mn转角速度降低 ) C能到 f 20 m mn。TA= 0m/ i左

右。( lr m整体硬质合金刀具，材料 K G0￣b 3 2m M 45或SD 40 P K 6,精加工，切深 05 . mm,切宽 0 5 . mm,转速=

制变形。钛合金零件在精加工后变形，对于它的校正是非常困难的，目前正在研究的有钛合金的热校形，钛合金振动校形等技术，都还没有应用于零件的生产实际。对于该零件来说，工艺凸台进行了合理优化设置 (见图 5,零件在整个加工过程中，没有任何装夹外力 )作用在零件上，减少零件由于长时间外力作用而变形。在图 1中零件悬空斜面处设置一个工艺凸台，减少法反

3 0~ 0 rri,进给 f=10~15 m rn (角速 0 4 0/ n a 0 2r/ i转 a a

度降低 )。

精镗孔：用普通镗床，焊接式硬质合金刀具，n= 10/ i,0= . 0 5 m,厂 . 5 m r 9 rrn。 0 2~ . m -=00 m/。数控镗孔： a 可转位单头镗刀，硬质合金刀头，n=50~7 0/ n 0 0 rmi,

口=02—05 m f=005~00 m/。使用 u钻 . .m, .2 .4 m r( lm￣ 6 m)钻孔，使用深孔循环，进给 f=3~5 b 0 Omm/mi n, n=。

面加工时零件颤动，提高加工的稳定性。为了防止零件耳片加工过程中变形收口和颤动，将工艺凸台设在耳片

0 1— . m . 0 3 m,转速 7 0~100/ i。普 0 0 rr n a

外缘，减少变形，提高加工平稳性，同时使零件装夹定位更加方便快速。在加工第一件时，使用第一套工艺方

通钻

铰孔 T 2材料，可以参考 T 4参数适当调整，数 C1 C控深孔循环，刀具 Y 3 F硬质合金，转速 n= 0 rmn K0 8 0/ i,.

案，加工和精加工均在兰宝地机床完成，刀具选用粗O l m,焊接式硬质合金刀、材料 Y 3/ SC、悬伸 rm 30 9 ir10 m和￣ 03 0m b rmm焊接式硬质合金刀、材料 Y 3/ 3 30

厂 5 mm mi,Ⅱ 0 5 m。铰孔，铰刀为 S D 4 0 4= 0/ n= . r a P K 6/ 5

焊接式硬质合金，转速 n:30/ i,手动进给，每进 0 rm n1r 0 m退一次刀。 a

9 ir SC、悬伸 8 m 0 m,这两种刀具单一顺铣方式来完成大余量的去除，机床和刀具均能满足要求。第二件使用优

以上参数均为加工效果较好，刀具磨损适当，加工效率较高。刀具要求：刀具齿数尽量为 4齿以上 (直径在 1r 6 m以上的刀具 ) a,刀具刃长不能太长，在加工封闭槽子时，避免使用小底角刀具，容易烧刀。切深应大于刀具底角尺。刀具的选用时尽量避免使用高速钢刀具。

化后的方案，刀具不变，机床改用普通设备和数控结合的方式，经过试验也能满足要求，零件加工仿真效果如图 6所示。

(下转第 3 7页)

参磊工冷工加

WWW et wor ng1 50 C m al ki 9 . Om

兰！堡笙丝塑● 翟

一

—

圜

2 .刀库乱刀处理方法( )排除故障，取消机床的报警，手动盘刀，让机 1械臂复位、刀库复位、机床执行回零方式一次 (回参返考点 )。

的圃匮

一击CT幕软点 R屏下的键圆，依然后次表 2P RES ET CURRENT

点囤一匣囹一叵击匦圃查如所看，表2示。N0 ADD RES

( )手动方式下取下刀库中的所有刀具。然后在手 2动数据输入 MD方式下执行： IT; O

0 1 0 20 3

C0 o

l 6

M0 ( _刀按装到主轴上 ) 6;把 m

这时，查看 O 1号参数的内容可以看到，C R E T U R N中的参数为任意值。此时，如表 2所示其值为 4。之前由于刀库回零后刀座 1号座处于刀库最下端，换刀位置

( )选择方式功能至手动方式 J G,通过机床面板 3 O

上的刀库管理键，顺时针旋转或逆时针旋转手动调整刀库，让刀盘上的

一号刀座处于刀盘最下方，即换刀过程中刀库刀座的位置。切换方式功能至手动数据输入 MD I方式，输入 M3 3指令，点击机床上的程序启动键，当听见机床 P C工作产生“”声，机床刀具清空复位。 L嘟 ( )选择手动数据输入 MD方式，进入刀具表查 4 I看刀具表信息，可以看见刀具表内的表内值是杂乱无序

上。这个 4代表的意思就是刀库 1号刀座中存放的是 T 4刀，我们可以手动更改这个数值。用光标键选择到数字4的位置上，输人数字 1,然后点击 MD面板上 I P T I N U

键，这时数值就由4更改为 1,其意思代表为刀座 1号座里存放的刀号为 T 1刀。到这里，就完成了刀库回零及刀具表复位的操作。

的。手动输入表内值，让表内值与序号、表内号相同，如表 1所示。

( )检查一下机床刀库是否正确，刀库是否与刀具 6

表位置一一对应。在 M I D方式下，依次执行 T;M 6 1 0;及 T;M 6 2 0;及 T;M 6 3 0;…T 6 0;仔细观察到库 1;M 6中的位置，依次是在 1号刀座、2号刀座、3号刀座… l 6号刀座处换刀，由此判断刀库正常。MW(收稿 1期：2 10 0 ) 3 00 7 8

用光标键选择 D 0 0对应的表内值在输入栏中输入 000,然后点击 MD面板上 IP T键。 I NU

( )参看 D 5 5 37号参数 ( 37表示当前刀座号所存 D5的刀具号 )查是否为数字 1。若不是，点击 M I D面板上0◆] 0◆ 0 0● 1.0 9● 00●]● 00● 0

0 0◆ 00● 00◆0 0● 00● 0◆ O◆ c● 0] ◆ O◆0 0◆ 00● 0 0● O● 0● OO◆ 00● 00◆0● 00● 00◆o 0● 0(◆ 00● 0:● 0’ I 00◆ 0o◆ O0● 00● 00◆ 0o◆ o0◆o 0◆ 0 ' t

(接第 2上 1页)

迹、加工余量和加工参数的突变等情况。( )进退刀方式：避免垂直下刀，应采取小角度斜 2下刀、螺旋下刀、零件外下刀或从预钻的下刀孔下刀，

斜向和螺旋下刀方式角度一般不大于 1。 5。 ( )分层加工时的要充分考虑层之间衔接，一般来 3

说最好是每一层下刀时必须把刀具抬出来再斜向或螺旋图 5