钛合金零件的机械加工工艺和质量控制

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加工工艺 材料研究钛合金零件的机械加工工艺和质量控制王晓平，郭初阳，周 亮(中国人民解放军驻陕西飞机工业(集团)有限公司 军事代表室，陕西 汉中 723200)摘 要：钛合金材料具有比强度高、变形系数小、热强性、低 温韧性 、抗腐蚀性和较好的焊接性能等优点，其越来越 多地被 用于制做飞机起落架结构承力件和 紧固件等 ；但 由于其导热 系数 小、弹性模量小、加工性能差 、效率低、易烧伤和 变形等缺点的存在 ，也影响其产品的加工及质量 。本文结合 多型飞机起 落架的科研和生产实践 ，从材料 、设备、人 员、工艺规程及加工环境等几个方面进行控制，重点完善优化工艺过程，从而提 高了加工效率，节约了制造成本 ，保证 了产品质量。

关键词 ：起落架；钛合金零件 ；机械加工；质量控制中图分类号 ：TH 142 文献标志码 ：AMachining Process and Quality Control of Titanium Alloy PartsW ANG Xiaoping，GUO Chuyang，ZHOU Liang(The Military Representative Office of Shaanxi Aircraft Industry(Group)Co．，Ltd，Hanzhong 723200，China)Abstract：Titanium alloy material has the characteristics like high strength ratio，small deformation coefficient，hotstrong resistance，low temperature toughness，corrosion resistance，good welding performance and so on，so it has beenmore and more used in structure bearing parts，fasteners of aircraft landing gear，etc．，but because of its smal coefficient ofthermal conductivity and the smal elastic modulus，the processing performance difference，low efficiency，easy to burn anddeformation，it will make effects on the product processing and quality．This paper combined with the landing gear type ofscientific research and production practice，from material，equipment，personnel，process documents，processing conditionsand other several aspects to control and optimization of process documents to improve the machining efficiency，and save theproduction cost，which ensures the quality of products.

Key words：landing gear，titanium aloy parts，Machining，quality control钛合金材料具有比强度高和变形系数小等优点，是制造飞机起落架的首选材料。近年来，国内多型飞机起落架的承力件和紧固件均采用钛合金材料；但由于钛合金材料存在导热系数小、弹性模量小、加工性能差、效率低、易烧伤和变形等缺陷，限制了其进一步的应用。为进一步保证加工质量 ，经过研究和实践 ，最终优化 了机械加工的工艺规程并对质量进行控制，提高了工艺水平和加工效率。工艺质量控制流程图如图 1所示。

钛合金零件机械加上J：艺控制流穰f卡于料 ¨ 没备 l1人疆培 1 f工艺文 1 f加工环 1 f腰最 1 l
丝 J I塑 J I 兰丝 I I!=i=堡型 J I鉴丝型 J l丝型 J图 1 工艺质 量控 制流程图1 材料控 制1)钛合金原材料应按要求进行人厂复验，以确保材料及模压件符合性能要求。主要检查产品合格证 、标识 、锻件取样部位 、试验类型、规格 、数量、毛坯状态的全尺寸和力学性能等 ，以预防零件缺陷。

2)在钛合金材料的机械加工中，主要使用嘉实多水溶性冷却液。按 1：50的配比率与水混合，冷却液压力为 2～4 MPa，流量为 15～20 L／min。含卤族元素的冷却液易对钛合金材料产生应力和化学腐蚀，应禁止使用。

2 设备控制2．1 设备要求1)提供既可靠又准确的控制进给运动。

2)选择切削刀具及工件装夹位置时尽可能考虑如何提高加工工件的刚度，以避免其振动及震颤。

3)加工过程 中尽量增加冷却液的压力和流量 ，以确保切削刃上有足够的冷却液。

2．2 刀具要求钛合金零件的化学亲和性较大，在加工过程中刀尖的切削温度高，致使刀具的耐磨性和强韧度变差 ；因此 ，不应采用钛一钨一钻类的硬质合金刀具 。在加工过程中根据零件结构(腔或凸台)、余量分布和毛坯表面硬化程度，合理选择涂层刀具类型，并分粗加工、半精加工和精加工工序，以降低切削温度，减少黏刀和崩刀，保持刀刃锋利，提高刀具耐用度。低速断续切削时，根据零件结构选择接杆，以增强刀具《新技术新工艺》加工工艺与材料研究 I 91新技术新工艺 2013年 第 9期的整体刚度，实现减振效能；并应选用细晶粒的基体材料做为刀体材料，确保涂层有较强的附着力和强度 ，以提高零件的加工质量和刀具的切削效率。

2．3 夹具要求由于钛合金材料弹性模量小 ，切削时易变形；因此 ，切削时对零件的夹紧力不应太大，必要时应使用辅助支承。在进行夹具结构设计时 ，应考虑对零件的实际切削力，以保证零件夹紧而不变形。

3 制造控制3．1 结构设计的通用要求钛合金零件的转接半径在其结构允许的情况下尽可 能选 用较 大 值。零 件表 面 粗糙 度 Rn≤ 3．2m，对于用铰、镗孔方法加工的孔 ，表面粗糙度 Rn≤1．6 m。设计带孑L的零件时，孑L的边缘应为光滑的倒角。对于承受载荷较大 的零件，其受拉力 区应尽量减小钉孔 ，同时避免螺纹孔 ；并避免使用磨削加工的方法 ，以满足零件表面粗糙度的设计要求。

3．2 切削通用技术要求3．2．1 对刀具的要求刀尖应为圆弧状 以提高强度，防止烧损和崩断。

及时清除刀刃缺 口和积屑瘤 ，提高刀具耐用度。切削钛合金零件时，硬质合金和高速钢车刀的几何参数推荐值见表 1和表 2。

表 1 硬质合金车刀的几何参数工 零件抗拉强 前角 后角 主偏角 副偏角 刃倾角 刀尖圆弧序 度 Rm／MPa yc／(。)a。／(。) ，／(。) K ／(。)A ／(。)半径／mm工 零件抗拉强 前角 后角 主偏角 副偏角 刃倾角 刀尖圆弧序 度 Rm ／MPa y0／(。)ao／(。) ／(。) K ／(。) ／(。) 半径／mm粗 ≤1 000 11 7 25～45 6 0 0．5～2车 >1 000 7～11 4～7 6O～85 6 0～3 0．5～2精 ≤1 000 11 7 60~85 6 0 0．3～O．8车 >1 000 11 5～7 6O～85 6 0 0．3～0．83．2．2 切削参数的选择用硬质合金刀具切削钛合金零件时，切削速度为 2O～60 m／min；用高速钢刀具切削时 ，切削速度为 15～55 m／rain。涂层刀具的切削速度在硬质合金刀具和高速钢刀具 的切削速度的基础上 ，均提高5 ～ 25 。

3．2．3 对冷却液的要求在切削加工前 ，将冷却液喷嘴对准刀尖部位 ，优先选用高压水溶性乳化液冲刷刀具前刀面。

3．3 铣削通用技术要求3．3．1 对刀具的要求在机床主轴上固定铣刀的刀杆，并尽可能将其长度调短，以保证机床一夹具一刀具 工件系统的最大刚度。在加工钛合金模压件时，要求刀具能够承受加、减速过程中的冲击，并具有适 当的抗弯强度。选择大进给铣刀和玉米铣刀用于零件的粗加工，圆刀片铣刀和整体硬质合金铣刀用于零件的精加工。加T封闭轮廓型面需要刀具轴向切人时，采用端刃过中心的立铣刀 、伊斯卡 DR浅孔钻头和硬质合金钻头。

3．3．2 对冷却液的要求用硬质合金刀具精加工时，宜采用油雾 冷却或持续充足的水溶性冷却液；用高速钢刀具或硬质合金刀具粗加工时，应采用适宜重力切削的乳化液作为冷却液 。

3．3．3 铣削参数的选择1)常规铣削加1二高速钢 、硬质合金铣刀的常规加工铣削用量的选取见表 3和表 4。

表 3 高速钢铣 刀的常规铣削用量表 4 硬质合金铣刀的常规铣削用量2)数控铣削加 。

a．刀具选择。数控机床上铣削加工时 ，采用可转位硬质合 金涂层铣刀 ，如山特维克 GC1030和肯纳 KC522M 等。

b．阶段划分。由于钛合金的特性，在零件制造过程中，应合理划分加工阶段，根据余量分布状态、散热条件和零件结构分为粗铣和精铣加工 。

C．区域划分。根据钛合金零件的结构和余量分布状态，对其加工区域合理分类 ，如凸台类、型腔类和柱面类等。可以规范刀具选用，实现对余量的均衡去除，有效减少顺铣加工方式的走刀时间，提高加工效率。

92 l 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究加工工艺 材料研究d．程序优化。在数控 铣削加工时 ，尽可能保证刀具顺铣。在编程设计时检查零件拐角处的过渡圆弧半径的大小，减少刀具在铣削过程中的载荷突变 。

e．参数控制。对于钛合金零件粗铣削过程，合理优化程序的加工刀轨，对高速钢和硬质合金铣刀的数控铣削加工 ，按推荐参数选用，以提高零件的加工效率。

3)铣削速度 。涂层铣刀的铣削速度 ，在硬质合金刀具和高 速钢刀具 主 轴转 速 的基础上 ，均 提高5 ～25％。

4)铣削氧化皮。由于零件表面的余量分布不均衡，对于钛合金零件的平面铣削，主要选用伊斯卡立装铣刀；而在轮廓铣削时，选用瓦尔特玉米铣刀；对于外轮廓氧化皮，也可以选用伊斯卡立装铣刀铣削。

3．4 制孔通用技术要求1)钻孔 。钻孔时使用高速钢或硬质合金钻头，对于精度要求高的孔 ，使用氮铝化钛涂层钻孔刀具 。

钛合金零件钻孑L用钻头要求：顶角 2 一120。～127。；后角 口一12。～14。；螺旋角 口一35。～40。；前刀面和钻头(高速钢)轴线的夹角 )，一5。，前刀面和钻头(硬质合金)轴线的夹角 )，一0。；高速钢钻头后刀面整体磨损量≤0．6mm。采用标准结构 的高速钢钻头钻 孑L时 ，钻削速度值应为乘 以修正系数 K (取 0．8)后的值。为避免加工硬化 ，不允许钻头不进给而在原 位置打转。为减少螺纹底孔表面加工硬化深度，应使用修磨锋利的钻头。

2)锪孔 、扩孑L和铰孔的加工用量应合理 。

3．5 制螺纹通用技术要求1)加工钛合金零件的丝锥刚度应较大。

2)用丝锥攻肓孔螺纹时，采用由 2个或 3个丝锥组成的成套丝锥 ，用挤压型润滑剂进行润滑与冷却。

3)当加工深度≥1．5倍螺纹通孑L的直径时 ，采用 2个或 3个丝锥组合加工 ，丝锥数量取决于被加工螺纹孔的深度。

4)丝锥的几何参数：前角 y==5。～7。；后角 a一6。～ 8。。

5)手工制螺纹时应使用机油，机床上加工直螺纹时应使用乳化液或机油，工作完毕后应清洗零件。

3．6 加工后清洗零件钛合金零件加工完 成后 ，采用 YPM8011棉本色布，蘸取 YPM1142工业酒精对零件表面进行清洗。清洗后要用 YPM8007白色纺绸布擦干净，确保零件表面无油脂、润滑油、污垢和灰尘等。

3．7 检查的零件表面应具有金属光泽 ，呈现银白色或灰白色；并进行渗透检验 ，检查其是否存在裂纹 。

2)目视检查钛合金零件表面，出现黄、褐和黑等不 同的颜色 即为表面烧伤。

4 加工环境控制钛合金零件加工环境 温度和湿度等符合要求。

与零件接触的夹具表面不能用铝、铅和锌等材料 ，以防发生化学反应 。零件周转和停放时应采取防护措施 ，以避免铝 、铅 、锌、铜 、锡和镉等金属粉末与其接触 ，而产生污染 。

5 维护及质量控制5．1 维护控制生产中所使用的设备、工具和量具等应无故障、无油污，处于完好状态，应在有效期内，并有定检合格证。定期检查切削液，保证其冷却和润滑性能。刀具应根据其使用寿命定期更换或修整，保持锋利切削。

5．2 质量控制1)钛 合金导热性差，应避免切 削细小的切 屑，且不能堆积。应使用水或乳化液冷却切屑，以防引燃起火。如果起火 ，应使用滑石粉等粉末灭火 。

2)铣削加工时，应避免刀具在铣 削区停止进给或主轴停转。

3)钛合金零件表面不应有烧伤和裂纹。

4)钛合金的化学亲和性大，应禁止其与铝 、锌 、铜、锡和镉等合金接触。

5)成品零件上不能存在凹、凸性质的标记，如冲击性、电腐蚀性或电化学性的标记，可用漆墨法打印或在标签上作标识 。

6 人员控制从事机械加工 的操作员和检验员应通过培训 ，经考核合格后方可上 岗。

7 结语通过对钛合金零件机械加工工艺的优化和工艺质量控制，加工效率提高了 15％，节约了制造成本，同时也保证 了产品质量。

作者简介：王晓平(1963一)，男，高级工程师，主要从事国内多型飞机起落架生产 、研制 的质 量监督 和军检 验收等方面的工作。

收稿 日期 ：2013年 O1月 29日1)对加工后的零件进行酸洗检查，酸洗后正常 责任编辑 吕菁《新技术新工艺》加工工艺与材料研究 I