航空超高強度合金鋼300M的加工工藝

■ 航空工業慶安集團有限公司 （陜西西安 710007） 劉壯壯

劉壯壯

航空工業被形容為“現代工業之花”，是衡量一個國家技術、經濟、國防實力和工業化水平的重要標志，一方面它是國防安全的基礎，另一方面它也是帶動國家經濟發展的重要支柱。

1. 航空零件材料發展趨勢

隨著材料技術、鍛造技術、加工技術的不斷發展，使用超高強度合金鋼制造大型飛機起落架主承力構件成為必然選擇。目前，國外應用比較廣泛的起落架用材為超高強度合金鋼，如法國35NCD16、俄羅斯30ХГСН2А,美國300M等。材料強度高可以使起落架質量輕，減重一直是起落架設計所追求的重要指標。與此同時，材料要具有優良的綜合性能，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超高強度合金鋼是美國航空工業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，概括起來有以下幾點：①超高強度。該合金鋼是一種低碳、低合金含量的鋼，具有較高強度，固有“低合金超高強度鋼之稱”。②高屈服強度。與非合金鋼相比，其屈服點高，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穩定，空淬即可獲得馬氏體和貝氏體組織。

表1 材料化學成分（質量分數） （%）

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

從表2可看出，該材料具有良好的硬度，同時其抗拉強度值也非常高，正因如此，使得其非常難加工，主要表現在：①切削力大。由于材料具有高的硬度和強度，原子密度和結合力大，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，產生的熱量多，在切削區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，加上強化系數高，在切削力和切削熱的作用下產生巨大的塑性變形，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生親和作用，加之材料硬質點的存在和嚴重的加工硬化現象，刀具在切削過程中易產生磨損。⑤切屑難處理。材料的強度高，塑性和韌性也大，切削時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度鋼300M，這種材料的抗拉強度級別達到1 900～2 100MPa，經過不斷的試驗試切，利用特定的加工刀具，總結出一套穩定的加工方案，可以保證產品穩定高效的生產。下面從300M的粗加工、車削加工、銑削加工等三個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的粗加工一般發生在最終熱處理前，此時材料的狀態為正火＋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，粗加工時會盡量去除多的材料。

（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，其加工參數一般比較大。切削速度為175～200m/min，切削深度為1.5～2mm，進給量為0.2～0.4mm/r。加工完成后，所產生的切屑較小，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。因為使用U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，在這種加工參數下，產生的切屑會較薄一點，但是也可以達到較好的斷屑狀態。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。使用深孔鉆進行加工時，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，每齒的切削量為0.2～0.4mm，在保證刀具足夠的強度及機床負載允許的情況下，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孔鏜削加工。車削加工難度會小于鏜削加工，車削加工時刀具強度會比鏜削加工的刀具強度好一些，排屑更容易，冷卻更充足。為了保證零件的加工質量，一般都會分為粗精加工。

WIDIA生產的DNMP150604SM刀片，其涂層為TN6010，如圖4所示。此產品經過長期的試驗和加工驗證，在外圓車削和內孔鏜削時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，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，其線速度為90～120m/min，切削深度為0.3～0.8mm，進給量為0.1～0.2mm/r。使用此刀具加工時，可保證刀具與零件外圓只有一個刀尖點在接觸，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，產生的切屑顏色較深，且切屑較長，呈卷曲狀。這是因為經過最終熱處理之后，材料的抗拉強度有很大提升，在加工過程中會產生大量的切削熱，且不易斷屑。

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

圖6 精車切屑

（2）內孔鏜削加工 內孔鏜削加工要注意三個問題：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，不能出現切屑擠刀的情況；三是要保證刀具具有良好的剛性。

為了達到良好的排屑，在鏜削內孔時，粗加工一般采用分段鏜削的方式，根據零件內孔的總長度，將其分為若干段。分段鏜削時可將產生的切屑及時排出，不至于使內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。在鏜削內孔時，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，刀具比零件長一點即可，這樣才能最大限度地增強刀具的剛性，避免振刀和讓刀，內孔的表面才會比較光滑，鏜孔使用的刀具如圖8所示。粗加工時線速度為90～120m/min，切削深度為0.2～0.5mm，進給量為0.1～0.2mm/r，加工產生的切屑如圖9所示。

鏜孔產生的切屑比車外圓的切屑更加的長，是因為其切削深度比車外圓時小，切屑更加難折斷，會更加的曲卷。精鏜內孔的加工參數與精車外圓相近，產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

在設計加工工藝時，為了保證整個加工流程的順暢，會選擇在最終進行零件的外形銑削，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 粗加工一般會選擇機卡式刀具，加工效率高、成本低，標準的刀片可以保證粗加工尺寸的穩定性。在加工此材料時，選擇山特維克可樂滿刀具，可以取得良好的效果，其刀具型號為R390-020A20-11M，刀片型號為R390-11 T3 31M-KM，如圖10所示。使用此刀具加工時，切削速度為100～150m/min，切削深度為0.5mm，進給速度為400～800mm/min，選擇過大的切削深度會使得刀片出現崩刃等非正常損壞現象。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，同時保證零件的加工質量，就需要一些加工技巧。在加工300M時，對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點，其加工效率高，產生較低的徑向切削力，對振動不敏感，加工深槽時偏斜較小。具有良好的排屑性能，產生的熱量較小，推薦使用于加工硬的材料及對振動敏感的狀態，其加工模式如圖12所示。使用擺線銑削加工時，其切削速度可達到150～200m/min。

圖12 擺線銑削

（3）精加工 精加工時，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到要求，如圖14所示。

圖13 擺線銑削

圖14 精加工后的表面質量

6. 結語

由于300M超高強度鋼具有優異的材料性能，使得其使用范圍變得越來越廣，但同時也增加了加工的難度。在生產過程中，一定要選擇特定的刀具，合理的加工參數，避免零件的返工或報廢。隨著新興加工技術的發展，必然會使得加工此類材料變得相對簡單容易，同時也需要不斷地總結積累加工經驗。

航空零件會在較為惡劣的環境中工作，因此要特別注意產品的質量。在機械加工中的微小瑕疵會在后續的特種工藝中產生不良的影響，為了避免這種潛在的風險，在加工過程中要嚴把質量關。