摘要：在飞机零件加工时，由于精度要求高，外形复杂程度大，利用普通机床加工难，需利用现代化先进制造技术和设备。数控加工设备可以提高加工效率、提高加工质量，钛合金是航空领域常用的材料，对钛合金加工比较困难，对刀具磨损很大，所以，钛合金加工一般主要利用NC铣削进行加工。据此，本文主要对结构零件的加工与NC铣削加工的应用进行了详细分析。
关键词：结构零件加工；NC铣削加工；应用
一、钛合金的特点
钛合金的性能非常好，它的强度非常高、耐高温性好，飞机上被广泛应用，机身的隔热板、减速板、襟翼滑轧等。
（一）强度高
钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右，仅为钢的60%，纯钛的密度才接近普通钢的密度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
（二）热强度高
使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450-500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃-500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
（三）抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
（四）低温性能好
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7，在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
（五）化学活性大
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC。温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层。氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20%-30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
（六）导热弹性小
钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2-3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
二、钛合金在飞机结构零件中的应用
（一）发动机
喷气发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性，即要求钛在300-650e温度下有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。这样的工况条件，对铝来说温度太高。对钢来说密度太大。钛是最佳的选择。因此，钛在先进发动机上的应用不断扩大。在飞机上使用较多的钛合金有T-i6A-l4V，T-i8A-l1M-1V，T-i17，T-i6242，T-i6246，TC6，TC9，TC11，T-i1100，IMI829，IMI834等。发动机的一个重要性能指标是推重比，即发动机产生的推力与其自重之比。推重比越高，发动机性能越好。早期发动机的推重比只有2-3，现在已达到10。国外正在研制推重比10~20的发动机。提高推重比，必须提高涡轮前进气的压缩比与进气温度。工作温度越高，发动机的热效率越高。提高推重比也必须提高材料高温下的比强度和比刚度，减轻发动机自身的重量。据计算，当压缩比达到15B1时，压气机的出口温度为590e，而当压缩比达到25B1时，压气机的出口温度就达到620-705e，需要耐热性非常好的钛合金。实验证明，常规钛合金只能用于650e以下，为制造推重比10以上的先进发动机，需要开发以钛基复合材料、Ti3Al和TiAl型金属间化合物为基的钛合金。目前实用性能最好的耐热钛合金是英国的IMI829，IMI834和美国的T-i1100。它们已分别用于V2500，EJ2000，55-712改型发动机。高温钛合金以其优良的热强性和高的比强度，在航空发动机上获得了广泛的应用。
（二）飞机机身
1950年在F84战斗轰炸机上采用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩和机尾罩等非承力构件，钛合金在飞机制造过程中便显现了无与伦比的优势，钛合金在机身上的应用范围逐年增长。B777采用T-i6-4制造飞机主起落架锻件，每件质量1724kg。A380采用T-i1023制造主起落架，每件重量3210kg。钛合金在飞机机身上的应用主要集中在飞机骨架、蒙皮、机身隔板和起落架等部位。钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性等突出特性，被广泛应用于铝合金、高强钢和镍基高温合金的质量、强度、抗蚀性和高温稳定性等综合性能不能满足要求的飞机零部件中。机身采用钛合金的主要原因总结如下：减重，替代钢和镍基高温合金；使用强度的要求，替代钢、铝合金和镍基高温合金；耐腐蚀性，替代低合金钢和铝合金；满足与聚合物复合材料的电化学相容性要求；空间的限制，替代钢和铝合金。
三、建议
根据钛合金的应用现状，高温钛合金和高损伤容限钛合金是钛合金未来发展的两个主要方向。而采用材料设计方法是低成本钛合金制备的有效途径之一。高损伤容限钛合金即为具有很高断裂韧性和很慢裂纹扩展速率的中强或高强钛合金。随着国内航空系统损伤容限设计技术的迅速普及，对高损伤容限钛合金的需求将日益迫切。因此要大力发展1100MPa级别的高强高韧损伤容限钛合金。为了提高损伤容限性能，可以通过降低间隙元素含量、B相区热机械加工、B热处理等方法来加以实现。然而近年来航空业竞争的加剧，人们不得不考虑飞机的制造成本，而不是单纯地追求飞机的性能。为了使钛合金能够更广泛地应用，必须要降低钛合金的使用成本。
首先，收集目前钛合金所用的合金元素，整理这些元素的性能、价格和工艺性能等因素，建立数据库。其次，我们要利用CALPHAD技术来评估和计算钛与这些合金元素间二元、三元和更高元的相图，利用计算所得相图，结合钛合金开发的前人的经验，确定可能的低成本高性能钛合金。同时可以利用量子化学计算来预报材料的性能。下一步，结合相图计算和量子化学计算，设计一种低成本高性能钛合金，并实验制备这种合金。传统的经验的方法研制钛合金尽管需要大量的人力、物力和财力，却是新合金研制中不可缺少的环节。因此低成本的航空钛合金研究中，应该采用合金的理论设计和实验合成验证相结合的技术路线，多快好省地开发新型低成本高性能钛合金，同时在新合金的开发中，重点考虑利用我国丰富的稀土和锰资源。
四、NC铣削加工
零件数控加工通过UG零件进行模拟加工，UG加工步骤如图1所示。
图1 UG加工步骤图
零件的操作定义主要是对数控机床、加工坐标系的设计，UG编程是对零件进行三维建模，设置参数、对零件进行刀具选择并对刀具基本参数设定，选择的刀具参数见表1。
对零件UG模型处理完成之后，进行NC加工，数控机床加工分为粗加工和精加工，数控工序的划分不能上道工序影响下道工序，先对内型进行加工，然后对外形进行加工，相同刀具的加工工序要一次加工完成，避免重复定位，减少加工过程中的换刀次数，根据以上这些原则进行数控加工。
表1 数控刀具的基本参数
结语
总而言之，在飞机结构中，存在各种形状复杂的零件，而其加工工艺都十分独特，因为零件定位和夹持比较困难，数控加工在飞机制造中是最常见的设备，一些复杂零件需要五轴加工设备，同时应用现代计算机进行计算，利用UG软件进行三维建模，以此绘制复杂零件，利用UG软件进行NC加工，为飞机零件的加工，提高效率，缩短周期，降低成本，带来良好的经济效益。
参考文献
[1]张洋洋,宋万万.飞机结构零件的加工与NC铣削加工的应用[J].中国新技术新产品,2018(1):59-60.
[2]吴金妹,彭晗,王亚辉等.基于Pro/NC模块的泵体类零件的数控仿真加工[J].机床与液压,2013,41(16):34-36.
论文作者:柴佳奇,周健
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/21
标签：钛合金论文; 加工论文; 零件论文; 合金论文; 飞机论文; 强度论文; 发动机论文; 《电力设备》2018年第13期论文;