超高强度合金钢300M是如何加工成飞机起落架的？

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编者按

超高强度钢300M以其优异的材料性能被越来越广泛的使用，但是这种材料有很高的加工难度。通过对此材料粗、精加工的加工工艺进行研究，掌握科学、合理的加工参数和方法，使得此材料的产品可以稳定产出。同时，其加工工艺可被其他相似材料借鉴使用，具有推广意义。

航空工业被形容为“现代工业之花”，是衡量一个国家技术、经济、国防实力和工业化水平的重要标志，一方面它是国防安全的基础，另一方面它也是带动国家经济发展的重要支柱。航空制造业作为国之重器，兼具高新技术产业和先进制造业的典型特征，得到世界各国的高度重视和优先发展。

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航空零件的材料发展趋势

在国内外先进民航飞机的结构设计中，为满足飞机长寿命、容易维护、轻量化等需求，基体零件结构向整体化、复杂化、薄壁化等方向发展，因此越来越多采用整体结构设计，并且采用新型材料，来提高飞机的结构强度。

随着材料技术、锻造技术、加工技术的不断发展，使用超高强度合金钢制造大型飞机起落架主承力构件成为必然选择。目前，国外应用比较广泛的起落架用材为超高强度合金钢，如法国35NCD16、俄罗斯30ХГСН2А，美国300M等。材料强度高可以使起落架质量轻，减重一直是起落架设计所追求的重要指标。与此同时，材料要具有优良的综合性能，以保证起落架工作的可靠性。

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300M的材料性能

（1）金属特性300M超高强度合金钢是美国航空工业重要的一种中碳碳镍铬钼钢，金属成分如表1所示。

表1　材料化学成分（质量分数） （%）

与其他金属相比，该金属的化学、物理和力学性能有其自己的特点，概括起来有以下几点：

①超高强度。超高强度钢是一种低碳、低合金含量的钢，与非合金钢相比，具有较高强度，固有“低合金超高强度钢之称”。

②高屈服强度。低合金钢与非合金钢相比，其屈服点高，因此在相同载荷下，零件的重量可以减轻20%~30%。

③良好的塑性和韧性。低合金钢中的合金元素所占比例较低，具有良好的塑性和韧性。

④高的淬透性。合金材料中含有Ni、Cr、Mo等元素，使钢的过冷奥氏体相当稳定，空淬即可获得马氏体和贝氏体组织。

（2）材料加工性能分析此材料一般有两种热处理状态，分别是正火+回火、淬火＋回火，这两种状态对应的硬度如表2所示。

表2　材料硬度

从表2可看出，该材料具有良好的硬度，同时其抗拉强度值也非常高，正是因为此原因，使得其非常难加工，属于难加工材料，主要表现在以下几个方面：

①切削力大。由于材料具有高的硬度和强度，原子密度和结合力大，抗断裂韧性和持久塑性高，在切削过程中切削力大，而且切削力的波动也比较大。

②切削温度高。合金在切削过程中消耗的切削变形功率大，产生的热量多，在切削区集中了大量的切削热，形成很高的切削温度。

③加工硬化倾向大。合金又有高塑性和韧性的特点，再加上强化系数高，在切削力和切削热的作用下产生巨大的塑性变形，造成加工硬化；在切削热的作用下，材料吸收周围介质中的氢、氧、氮等元素的原子形成硬脆的表层，给切削带来很大的困难。

④刀具磨损大。切削时切削力大，切削热高，刀具与切屑直接的摩擦加剧，刀具材料与工件材料产生亲和作用，加之材料硬质点的存在和严重的加工硬化现象，刀具在切削过程中易产生粘结磨损、扩散磨损、磨料磨损、便捷磨损和沟纹磨损，使刀具丧失切削的能力。

⑤切屑难处理。材料的强度高，塑性和韧性也大，切削时的切屑呈带状的缠绕屑，既不安全，又影响切削过程的顺利进行，也不便于处理。

⑥切削变形大。合金材料加工过程中切削温度高，塑性大，在加工中容易产生热变形，因而一些精密尺寸和形状不易保证。

我单位长期致力于加工超高强度钢300M，这种材料的抗拉强度级别达到1900～2100MPa，经过不断的试验试切，利用特定的加工刀具，总结出一套稳定的加工方案，可以保证产品稳定高效的产出。下面从300M的粗加工、车削加工、铣削加工等三个方面介绍此材料的加工工艺，其中300M的车削加工和铣削加工属于精加工的范畴。

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300M的粗加工

300M的粗加工一般发生在最终热处理前，此时材料的状态为正火＋回火，其硬度值最高为31HRC，硬度较低，带有一定的粘性，不易断屑。为了减少精加工的切削余量，粗加工时会尽量去除多的材料。

（1）粗车加工一般采用的刀具为WIDIA的CNMP120408，如图1a所示，这种刀具适合粗加工。由于原材料较软，为了更好的断屑以及保证高的加工效率，其加工参数一般比较大。其切削速度为175~200m/min，切深为1.5~2mm，进给速度为0.2~0.4mm/r。加工完成后，所产生的铁屑较小，断屑情况良好。

a）外圆车刀

b）切屑

图1　外圆车刀及切屑

（2）深孔加工深孔加工一种快速去除材料的加工方式，可选择的方法有U钻加工及深孔加工，两种方法略有不同。

1）使用U钻加工。因为使用U钻需要的功率较大，加工的孔直径也比较大，因此一般选择卧式加工中心。使用钻削加工时，刀具的切削速度在40~60m/min，刀具的单齿切削量在0.15~0.3mm之间。在这种加工参数下，产生的切屑会较薄一点，但是也可以达到较好的断屑状态。图2为在卧式加工中心上使用的U钻加工及其产生的切屑。

a）U钻

b）切屑

图2　U钻及切屑

2）深孔钻加工。使用深孔钻进行加工时，要特别注意切屑的断裂方式，长而薄的切屑特别容易将深孔钻刀具的刀管堵住，造成切屑无法排出。一般加工时，每齿的切削量为0.2~0.4mm，在保证刀具足够的强度及机床负载允许的情况下，尽量将每齿切削量控制在0.3mm以上，这铁屑会更容易折断，从而产生理想的切屑。其加工刀具和切屑如图3所示。

b）每齿切削量为0.3mm时的切屑

图3　深孔钻刀具及切屑

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300M的车削加工

车削加工一般分为外圆车削加工及内孔镗削加工。车削加工难度会小于镗削加工，车削加工时刀具强度会比镗削加工的刀具强度好一些，排屑更容易，冷却更充足。为了保证零件的加工质量，一般都会分为粗精加工。

在这里要推荐一款车削加工300M的明星产品。此产品经过长期的试验和加工验证，在外圆车削和内孔镗削时都取得了良好的效果。

WIDIA生产的DNMP150604SM刀片，其涂层为TN6010，如图4所示。根据刀具样本介绍，这种刀片适合加工高强度合金钢，TN6010涂层使得该刀具适合轻型车削，SM型断屑槽，可以最大限度减少了材料与刀片的连接，容易断屑。该刀片所拥有的这些特征使得其加工300M材料时，可以获得良好的表面粗糙度。

图4　精加工车刀片

（1）外圆车削加工 粗加工外圆时，其线速度为90~120m/min，切深为0.3~0.8mm，进给速度为0.1~0.2mm/r。使用此刀具加工时，可保证刀具与零件外圆只有一个刀尖点在接触，这样可以降低切削力，减少切削热。加工外圆时使用的刀具和切屑如图5所示。

a）外圆车刀

b）切屑

图5　外圆车刀和切屑

从图5可以看出，产生的切屑颜色较深，且切屑较长，呈卷曲状。这是因为经过最终热处理之后，材料的抗拉强度有很大的提升，在加工过程中会产生大量的切削热，且不易断屑。

精加工外圆时，其线速度为90~120m/min，切深为0.05~0.1mm，进给速度为0.05~0.1mm/r。这样的加工参数能保证精车外圆表面非常光滑，其产生的切屑如图6所示。

图6　精车切屑

（2）内孔镗削加工内孔镗削加工要注意三个问题：一是要有良好的冷却，冷却液要充足，并且要保证冷却液的浓度；二是要保证良好的排屑，不能出现切屑挤刀的情况；三是要保证刀具具有良好的刚性。

为了达到良好的排屑，在镗削内孔时，粗加工一般采用分段镗削的方式，根据零件内孔的总长度，将其分为若干段。分段镗削时可将产生的切屑及时排出，不至于使内孔中堆积大量的切屑，从而将刀具挤偏，其镗削方式如图7所示。在镗削内孔时，一定要使用防震刀杆，并且使用大直径的刀具，刀具长度和零件长度相匹配，刀具比零件长一点即可，这样才能最大限度的增强刀具的刚性，避免振刀和让刀，内孔的表面才会比较光滑，镗孔使用的刀具如图8所示。粗加工时线速度为90~120m/min，切深为0.2~0.5mm，进给速度为0.1~0.2mm/r，加工产生的切屑如图9所示。

图7　镗削方式

图8　防振刀杆

图9　粗镗切屑

镗孔产生的切屑比车外圆的切屑更加的长，是因为其切深比车外圆时小，切屑更加难折断，会更加的曲卷。精镗内孔的加工参数与精车外圆相近，产生的切屑也基本类似。

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300M的铣削加工

在设计加工工艺时，为了保证整个加工流程的顺畅，会选择在最终进行零件的外形铣削，其加工特征不一样，选择的刀具和加工方式也不一样。

（1）粗加工粗加工一般会选择机卡式刀具，加工效率高、成本低，标准的刀片可以保证粗加工尺寸的稳定性。在加工此材料时，选择山特生产的刀具，可以取得良好的效果，其刀具型号为R390-020A20-11M，刀片型号为R390-11 T3 31M-KM，如图10所示。使用此刀具加工时，切削速度为100~150m/min，切深为0.5mm，进给为400~800mm/min，选择过大的切深会使得刀片出现崩刃等非正常损坏现象。加工完成后，切屑如图11所示。

图10　粗加工刀具和刀片

图11　粗铣切屑

（2）小尺寸特征的加工如果零件的特征尺寸较小，就不能使用直径较大的刀具，为了使刀具的寿命增加，同时保证零件的加工质量，就需要一些加工技巧。在加工300M时，对于小尺寸的特征，最好是使用摆线铣削来代替分层铣削。

摆线铣削加工具有很多优点，其加工效率高，产生较低的径向切削力，对振动不敏感，加工深槽时偏斜较小。具有良好的排屑性能，产生的热量较小，推荐使用于加工硬的材料及对振动敏感的状态，其加工模式如图12所示。使用摆线铣削加工时，其切削速度可达到150~200m/min。

图12　摆线铣削

（3）精加工精加工时，尽可能的选择接近加工尺寸的刀具，可保证良好的刚性，并且选用带涂层的刀具，如图13所示。刀具的切削刃要锋利，这样，加工出来的表面粗糙度才能达到要求，如图14所示。

图13　摆线铣削

图14　精加工后的表面质量

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结语

由于300M超高强度钢具有优异的材料性能，使得其使用范围变得越来越广，但同时也增加了加工的难度。在生产过程中，一定要选择特定的刀具，合理的加工参数，可以避免零件的返工或报废。随着新兴加工技术的发展，必然会使得加工此类材料变得相对简单容易，同时也需要不断的总结积累加工经验。

航空零件会在较为恶劣的环境中工作，因此要特别注意产品的质量。在机械加工中的微小瑕疵会在后续的特种工艺中产生不良的影响，为了避免这种潜在的风险，在加工过程中要严把质量关。

本文发表于《金属加工（冷加工）》2020年第5期第11~14页，作者：航空工业庆安集团有限公司 刘壮壮，原标题：《航空超高强度合金钢300M的加工工艺》。

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来源：金属加工 本文编辑：安年 媒体合作: 010-88379864