航空超高強(qiáng)度合金鋼300M的加工工藝

■ 航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司 （陜西西安 710007） 劉壯壯

劉壯壯

航空工業(yè)被形容為“現(xiàn)代工業(yè)之花”，是衡量一個(gè)國家技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、國防實(shí)力和工業(yè)化水平的重要標(biāo)志，一方面它是國防安全的基礎(chǔ)，另一方面它也是帶動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。

1. 航空零件材料發(fā)展趨勢(shì)

隨著材料技術(shù)、鍛造技術(shù)、加工技術(shù)的不斷發(fā)展，使用超高強(qiáng)度合金鋼制造大型飛機(jī)起落架主承力構(gòu)件成為必然選擇。目前，國外應(yīng)用比較廣泛的起落架用材為超高強(qiáng)度合金鋼，如法國35NCD16、俄羅斯30ХГСН2А,美國300M等。材料強(qiáng)度高可以使起落架質(zhì)量輕，減重一直是起落架設(shè)計(jì)所追求的重要指標(biāo)。與此同時(shí)，材料要具有優(yōu)良的綜合性能，以保證起落架工作的可靠性。

2. 300M材料的性能

（1）金屬特性 300M超高強(qiáng)度合金鋼是美國航空工業(yè)重要的一種中碳碳鎳鉻鉬鋼，成分見表1。

與其他合金相比，該合金鋼的特點(diǎn)，概括起來有以下幾點(diǎn)：①超高強(qiáng)度。該合金鋼是一種低碳、低合金含量的鋼，具有較高強(qiáng)度，固有“低合金超高強(qiáng)度鋼之稱”。②高屈服強(qiáng)度。與非合金鋼相比，其屈服點(diǎn)高，因此在相同載荷下，零件的重量可以減輕20%～30%。③良好的塑性和韌性。合金元素所占比例較低，具有良好的塑性和韌性。④高的淬透性。含有Ni、Cr、Mo等元素，使鋼的過冷奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定，空淬即可獲得馬氏體和貝氏體組織。

表1 材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）材料加工性能分析 此材料一般有兩種熱處理狀態(tài)，分別是正火+回火、淬火＋回火，這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的硬度見表2。

從表2可看出，該材料具有良好的硬度，同時(shí)其抗拉強(qiáng)度值也非常高，正因如此，使得其非常難加工，主要表現(xiàn)在：①切削力大。由于材料具有高的硬度和強(qiáng)度，原子密度和結(jié)合力大，抗斷裂韌性和持久塑性高，在切削過程中切削力大，而且切削力的波動(dòng)也比較大。②切削溫度高。合金在切削過程中消耗的切削變形功率大，產(chǎn)生的熱量多，在切削區(qū)集中了大量的切削熱，形成很高的切削溫度。③加工硬化傾向大。合金又有高塑性和韌性的特點(diǎn)，加上強(qiáng)化系數(shù)高，在切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生巨大的塑性變形，造成加工硬化；在切削熱的作用下，材料吸收周圍介質(zhì)中的氫、氧及氮等元素的原子形成硬脆表層，給切削帶來很大的困難。④刀具磨損大。切削時(shí)切削力大，切削熱高，刀具與切屑直接的摩擦加劇，刀具材料與工件材料產(chǎn)生親和作用，加之材料硬質(zhì)點(diǎn)的存在和嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，刀具在切削過程中易產(chǎn)生磨損。⑤切屑難處理。材料的強(qiáng)度高，塑性和韌性也大，切削時(shí)的切屑呈帶狀的纏繞屑，既不安全，又影響切削過程的順利進(jìn)行，也不便于處理。⑥切削變形大。合金材料加工過程中切削溫度高，塑性大，在加工中容易產(chǎn)生熱變形，因而一些精密尺寸和形狀不易保證。

我單位長期致力于加工超高強(qiáng)度鋼300M，這種材料的抗拉強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到1 900～2 100MPa，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)試切，利用特定的加工刀具，總結(jié)出一套穩(wěn)定的加工方案，可以保證產(chǎn)品穩(wěn)定高效的生產(chǎn)。下面從300M的粗加工、車削加工、銑削加工等三個(gè)方面介紹此材料的加工工藝。

表2 材料硬度

3. 300M的粗加工

300M的粗加工一般發(fā)生在最終熱處理前，此時(shí)材料的狀態(tài)為正火＋回火，其硬度值最高為31HRC，硬度較低，帶有一定的粘性，不易斷屑。為了減少精加工的切削余量，粗加工時(shí)會(huì)盡量去除多的材料。

（1）粗車加工 一般采用的刀具為WIDIA的CNMP120408，如圖1所示，這種刀具適合粗加工。由于原材料較軟，為了更好的斷屑以及保證高的加工效率，其加工參數(shù)一般比較大。切削速度為175～200m/min，切削深度為1.5～2mm，進(jìn)給量為0.2～0.4mm/r。加工完成后，所產(chǎn)生的切屑較小，斷屑情況良好。

圖1 外圓車刀

（2）深孔加工 可選擇的方法有U鉆加工及深孔加工，兩種方法略有不同。

1）使用U鉆加工。因?yàn)槭褂肬鉆需要的功率較大，加工的孔直徑也比較大，因此一般選擇臥式加工中心。切削速度在40～60m/min，單齒切削量在0.15～0.3mm之間，在這種加工參數(shù)下，產(chǎn)生的切屑會(huì)較薄一點(diǎn)，但是也可以達(dá)到較好的斷屑狀態(tài)。圖2為在臥式加工中心上使用的U鉆加工。

圖2 U鉆

2）深孔鉆加工。使用深孔鉆進(jìn)行加工時(shí)，要特別注意切屑的斷裂方式，長而薄的切屑特別容易將深孔鉆刀具的刀管堵住，造成切屑無法排出。一般加工時(shí)，每齒的切削量為0.2～0.4mm，在保證刀具足夠的強(qiáng)度及機(jī)床負(fù)載允許的情況下，盡量將每齒切削量控制在0.3mm以上，從而產(chǎn)生理想的切屑，如圖3所示。

圖3 深孔鉆刀具

4. 300M的車削加工

車削加工一般分為外圓車削加工及內(nèi)孔鏜削加工。車削加工難度會(huì)小于鏜削加工，車削加工時(shí)刀具強(qiáng)度會(huì)比鏜削加工的刀具強(qiáng)度好一些，排屑更容易，冷卻更充足。為了保證零件的加工質(zhì)量，一般都會(huì)分為粗精加工。

WIDIA生產(chǎn)的DNMP150604SM刀片，其涂層為TN6010，如圖4所示。此產(chǎn)品經(jīng)過長期的試驗(yàn)和加工驗(yàn)證，在外圓車削和內(nèi)孔鏜削時(shí)都取得了良好的效果。TN6010涂層使得該刀具適合輕型車削，SM型斷屑槽，可以最大限度減少材料與刀片的連接，容易斷屑。該刀片所擁有的這些特征使得其加工300M材料時(shí)，可以獲得良好的表面粗糙度。

圖4 精加工車刀片

（1）外圓車削加工 粗加工外圓時(shí)，其線速度為90～120m/min，切削深度為0.3～0.8mm，進(jìn)給量為0.1～0.2mm/r。使用此刀具加工時(shí)，可保證刀具與零件外圓只有一個(gè)刀尖點(diǎn)在接觸，這樣可以降低切削力，減少切削熱，如圖5所示。

圖5 外圓車刀

從圖5可以看出，產(chǎn)生的切屑顏色較深，且切屑較長，呈卷曲狀。這是因?yàn)榻?jīng)過最終熱處理之后，材料的抗拉強(qiáng)度有很大提升，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，且不易斷屑。

精加工外圓時(shí)，其線速度為90～120m/min，切削深度為0.05～0.1mm，進(jìn)給量為0.05～0.1mm/r。這樣的加工參數(shù)能保證精車外圓表面非常光滑，其產(chǎn)生的切屑如圖6所示。

圖6 精車切屑

（2）內(nèi)孔鏜削加工 內(nèi)孔鏜削加工要注意三個(gè)問題：一是要有良好的冷卻，切削液要充足，并且要保證切削液的濃度；二是要保證良好的排屑，不能出現(xiàn)切屑擠刀的情況；三是要保證刀具具有良好的剛性。

為了達(dá)到良好的排屑，在鏜削內(nèi)孔時(shí)，粗加工一般采用分段鏜削的方式，根據(jù)零件內(nèi)孔的總長度，將其分為若干段。分段鏜削時(shí)可將產(chǎn)生的切屑及時(shí)排出，不至于使內(nèi)孔中堆積大量的切屑，從而將刀具擠偏，鏜削方式如圖7所示。在鏜削內(nèi)孔時(shí)，一定要使用防振刀桿，并且使用大直徑的刀具，刀具長度和零件長度相匹配，刀具比零件長一點(diǎn)即可，這樣才能最大限度地增強(qiáng)刀具的剛性，避免振刀和讓刀，內(nèi)孔的表面才會(huì)比較光滑，鏜孔使用的刀具如圖8所示。粗加工時(shí)線速度為90～120m/min，切削深度為0.2～0.5mm，進(jìn)給量為0.1～0.2mm/r，加工產(chǎn)生的切屑如圖9所示。

鏜孔產(chǎn)生的切屑比車外圓的切屑更加的長，是因?yàn)槠淝邢魃疃缺溶囃鈭A時(shí)小，切屑更加難折斷，會(huì)更加的曲卷。精鏜內(nèi)孔的加工參數(shù)與精車外圓相近，產(chǎn)生的切屑也基本類似。

圖7 鏜削方式

圖8 防振刀桿

圖9 粗鏜切屑

5. 300M的銑削加工

在設(shè)計(jì)加工工藝時(shí)，為了保證整個(gè)加工流程的順暢，會(huì)選擇在最終進(jìn)行零件的外形銑削，其加工特征不一樣，選擇的刀具和加工方式也不一樣。

（1）粗加工 粗加工一般會(huì)選擇機(jī)卡式刀具，加工效率高、成本低，標(biāo)準(zhǔn)的刀片可以保證粗加工尺寸的穩(wěn)定性。在加工此材料時(shí)，選擇山特維克可樂滿刀具，可以取得良好的效果，其刀具型號(hào)為R390-020A20-11M，刀片型號(hào)為R390-11 T3 31M-KM，如圖10所示。使用此刀具加工時(shí)，切削速度為100～150m/min，切削深度為0.5mm，進(jìn)給速度為400～800mm/min，選擇過大的切削深度會(huì)使得刀片出現(xiàn)崩刃等非正常損壞現(xiàn)象。加工完成后，切屑如圖11所示。

圖10 粗加工刀具和刀片

圖11 粗銑切屑

（2）小尺寸特征的加工 如果零件的特征尺寸較小，就不能使用直徑較大的刀具，為了使刀具的壽命增加，同時(shí)保證零件的加工質(zhì)量，就需要一些加工技巧。在加工300M時(shí)，對(duì)于小尺寸特征的零件，最好使用擺線銑削來代替分層銑削。

擺線銑削加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，其加工效率高，產(chǎn)生較低的徑向切削力，對(duì)振動(dòng)不敏感，加工深槽時(shí)偏斜較小。具有良好的排屑性能，產(chǎn)生的熱量較小，推薦使用于加工硬的材料及對(duì)振動(dòng)敏感的狀態(tài)，其加工模式如圖12所示。使用擺線銑削加工時(shí)，其切削速度可達(dá)到150～200m/min。

圖12 擺線銑削

（3）精加工 精加工時(shí)，盡可能選擇接近加工尺寸的刀具，可保證良好的剛性，并且選用帶涂層的刀具，如圖13所示。刀具的切削刃要鋒利，這樣加工出來的表面粗糙度才能達(dá)到要求，如圖14所示。

圖13 擺線銑削

圖14 精加工后的表面質(zhì)量

6. 結(jié)語

由于300M超高強(qiáng)度鋼具有優(yōu)異的材料性能，使得其使用范圍變得越來越廣，但同時(shí)也增加了加工的難度。在生產(chǎn)過程中，一定要選擇特定的刀具，合理的加工參數(shù)，避免零件的返工或報(bào)廢。隨著新興加工技術(shù)的發(fā)展，必然會(huì)使得加工此類材料變得相對(duì)簡單容易，同時(shí)也需要不斷地總結(jié)積累加工經(jīng)驗(yàn)。

航空零件會(huì)在較為惡劣的環(huán)境中工作，因此要特別注意產(chǎn)品的質(zhì)量。在機(jī)械加工中的微小瑕疵會(huì)在后續(xù)的特種工藝中產(chǎn)生不良的影響，為了避免這種潛在的風(fēng)險(xiǎn)，在加工過程中要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。