航空航天難加工材料高速超聲波動式切削方法

彭振龍，張翔宇，張德遠,*

1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100083 2.北京航空航天大學 仿生與微納系統研究所，北京 100083

隨著航空航天裝備的性能需求和型號產量日益提高，實現難加工材料制造過程的高加工質量、高加工效率已是題中之義。因為優良的物理機械性能，高溫合金、鈦合金、高強度鋼及復合材料等在航空航天領域得到了廣泛運用，但同時它們也被認為是該領域的難加工材料。作為典型的難加工材料，鈦合金和高溫合金具有高比強度、高溫性能好、耐腐蝕性強等特性，被廣泛應用于發動機的渦輪盤、壓氣機盤、葉片、機匣的制造中(圖1)，其中高溫合金約占航空發動機質量的50%。

圖1 鈦合金和高溫合金的應用示例圖[3]Fig.1 Application example diagram of titanium alloy and high-temperature alloy[3]

表1所示為美國歷代戰斗機中各種材料的質量分數，鈦合金的使用量總體呈上升趨勢，在F-22戰機中使用比例更是高達41%。同時，復合材料具有高比強度、高比剛度、抗疲勞等特性，其應用和發展是大幅提高飛機結構效率、舒適性和環保性的重要保證，復合材料用量也是大型飛機先進性和國際競爭力的標志。中國大型飛機發展規劃要求C919飛機復合材料用量達23%。

與難加工材料用量大、需求高相矛盾的是，這類材料的優良物理特性往往導致刀具磨損迅速、加工效率低以及切削區域的切削力和切削溫度高等諸多難題。例如，鈦合金和高溫合金作為典型的難加工合金，低導熱系數、高強度和高硬度等特性導致其可切削性極差，主要體現為刀具/工件切削界面切削溫度高、單位面積的切削力大和加工硬化傾向嚴重等特點。這些特點導致鈦合金和高溫合金切削加工過程中的切削界面冷卻潤滑很難達到最佳狀態、加工后的表面應力不均且熱損傷區域較大。在實際武器裝備研制生產中，為實現加工表面完整和加工質量可靠，就不得不降低切削速度，在穩定的區域內進行切削，很難實現高效高質加工。因此，對于航空航天領域鈦合金、高溫合金及復合材料等典型難加工材料來說，主要“瓶頸”問題是如何在高切削速度下保證加工表面質量。

表1 美國歷代戰斗機各種材料的質量分數[4]

難加工材料的獨特物理特性決定了其實現高加工質量、高加工效率的技術難度非常大。作為一種典型的特種加工技術，超聲加工在難加工材料制造領域得到了廣泛應用。

在20世紀50年代，日本學者隈部淳一郎首先提出了刀具和工件周期性分離的振動切削方法。后來通過對刀具上添加高頻率微米級的振動來實現超聲振動切削。吉林工業大學(現吉林大學)是國內最早從事超聲加工技術的研究單位之一。最早超聲加工技術的超聲振動方向為線性往復，也稱一維超聲振動。多項研究表明，這類超聲加工過程中的刀具和工件分離能打開切削界面，從而在難加工材料的切削過程中實現降低切削力、降低切削溫度、延緩刀具磨損，改善表面質量的工藝效果。除鈦合金、高溫合金及復合材料外，在生物組織切割中也得到了有效應用。

劉立飛等使用DMG Ultrasonic70-5超聲加工中心對碳化硅陶瓷分別進行了金剛石砂輪普通磨削和超聲振動輔助磨削的試驗對比，結果表明，相比于普通磨削，超聲振動磨削可以有效降低工件亞表面裂紋最大深度及密度，磨削力降低約33%，在進給速度為150～550 mm/min時可以有效改善工件質量和加工效率。Bai等通過數值模擬和加工試驗證明：與普通車削相比，當使用超聲振動車削加工鈦合金時，已加工表面和切屑的平均晶粒尺寸更大且更均勻。同時，結果表明，切削和振動參數對普通車削和超聲振動車削中的平均晶粒尺寸的分布沒有明顯影響。

Shao等使用超聲振動鉆削進行復合材料CFRP/鈦合金疊層(復鈦疊層)制孔試驗研究(如圖2所示，其中Edge A、Edge B表示鉆頭的切削刃，為軸向進給速度)，重點關注了加工過程中的界面溫度和已加工表面的表面完整性。與普通鉆削相比，超聲振動的最大界面溫度和超過玻璃化轉變溫度(，約180 ℃)的持續時間分別降低了約22.8%、52.2%(圖3)。超聲振動鉆削可以明顯降低復鈦疊層加工的熱損傷程度(圖4，其中為刀具轉速)，同時應選擇高進給速率和適中的主軸轉速，以最大化減輕熱損傷并確保復鈦疊層的加工效率。

圖2 超聲振動鉆削示意圖[28]Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration drilling [28]

圖3 普通鉆削和超聲振動鉆削復鈦疊層切削溫度對比[28]Fig.3 Comparison of temperature in ordinary and ultrasonic vibration drilling for composite titanium laminates[28]

圖4 普通鉆削和超聲振動鉆削復鈦疊層熱損傷對比[28]Fig.4 Comparison of thermal damage at interface of composite titanium laminate between ordinary drilling and ultrasonic vibration drilling [28]

此外，一種超聲頻振動和刀具螺旋進給的超聲振動螺旋加工新模式在鈦合金和復合材料高質加工方面得到了成功應用(如圖5所示，其中，、、、分別為刀具轉速、偏心距、軸向每螺旋進給量、軸向進給速度)。與常規切削相比，超聲振動螺旋加工切削力最多可降低71.3%。同時，超聲振動螺旋加工復合材料CFRP得到的孔出口的分層因子降低了12.8%～25.7%，孔內表面的表面粗糙度降低了51.9%～53.2%。

圖5 超聲振動螺旋加工示意圖[32]Fig.5 Schematic diagram of helix ultrasonic vibration machining [32]

值得注意的是，由于一維直線超聲振動切削的振動方向和切削速度平行，為了實現刀具和工件的分離，適用的切削速度極低，通常不大于30 m/min，因此加工質量的提升是以犧牲加工效率換取來的。

20世紀90年代，日本學者社本英二首次在國際上提出二維超聲振動切削，即在切削速度和切削深度2個方向同時添加超聲振動，由于其兩相合成運動軌跡類似橢圓，因此又稱為橢圓超聲振動切削。隨后的研究表明，一維超聲振動切削的切削力可降低至普通切削的1/5左右；而在間斷切削和摩擦力反向特性的同時作用下，在振動頻率18.8 kHz下切削鋁合金時二維橢圓超聲振動切削的切削力大大降低(約為普通切削的2%)，如圖6所示。在使用橢圓超聲振動切削對鋁合金進行超精密加工時，獲得了鏡面級的表面(表面粗糙度約為0.08 μm)。此外，橢圓超聲振動切削也被用于加工鎳基高溫合金。Lu等使用橢圓超聲振動車削來提高高溫合金Inconel 718的切削性能。試驗結果表明在橢圓超聲振動的幫助下，切削力、刀具磨損率、切屑尺寸均得到有效降低。Wang等發現當使用涂層硬質合金刀具車削高溫合金Inconel 718時，通過在基面上使用橢圓超聲振動可以獲得較低的切削力和切削溫度。

圖6 超聲振動切削降低切削力效果[35]Fig.6 Effect of ultrasonic vibration cutting on reducing cutting force[35]

由于明顯的切削力降低特性，橢圓超聲振動被廣泛用于微細切削(去除量小)和超精加工(精度高)領域，常被用來加工淬硬鋼、陶瓷、復合材料等硬脆性材料。為了提高淬硬鋼的可加工性，Ding等使用橢圓超聲振動進行淬硬鋼的微銑削，從而得出結論，借助橢圓超聲振動可以獲得更好的表面質量和更長的刀具壽命，并且隨著振幅和頻率的增加，其優勢將更加明顯。Wu等研究了二維超聲振動輔助側銑，并提出間歇切削過程和切削力降低是由刀尖的軌跡引起的。Geng等研究了普通切削和橢圓超聲切削在不同進給速度和切削速度下的切削溫度趨勢，結果表明，與普通切削相比，在75、150 μm/r的進給速度下，橢圓超聲切削的切削溫度可以分別有效降低18.8%、13.1%；同時掃描電鏡照片顯示超聲橢圓切削可以獲得較好的顯微組織和加工質量(圖7)。研究表明，切削力和扭矩的降低是超聲橢圓切削加工復合材料時獲得較高表面質量的關鍵。三維橢圓振動切削和二維橢圓振動切削相似，同樣是通過設計參數實現刀具與工件的分離。

圖7 不同進給速度下加工質量對比[43]Fig.7 Comparison of machining quality under different feed speeds[43]

然而，傳統的一維直線超聲振動切削和二維橢圓振動切削方法存在理論速度極限，因此超聲振動提高加工表面質量的效果都是在低速精細切削條件下獲得的。切削力降低、刀具壽命延長以及表面質量改善等優勢隨著切削速度提高而減弱，這極大限制了超聲振動切削方法的工程應用，超聲振動切削領域亟待實現高速精細切削應用的突破。

針對難加工材料切削加工的效率和質量難以兼顧的難題，難加工材料高速加工領域亟需解決切削溫度高、刀具磨損快的問題，進而突破現有技術手段和技術參數的限制，大幅度改善難加工材料的機械加工性能，實現難加工材料的高效、精細、優質切削；同時，需要探索新的超聲振動形式和機理，從根本上擺脫傳統超聲振動切削理論的束縛，實現超聲加工技術的高速化應用。

本文圍繞航空航天領域難加工材料的高質高效加工需求，進一步發掘超聲加工的應用潛力，厘清高速超聲波動式切削加工機理，以期更加科學合理地利用這種新型加工方法，為高速超聲波動式切削工藝能力的挖潛與發展奠定基礎。

1 高速超聲波動式切削機理

為解決難加工材料切削性能差、加工質量低、刀具磨損快等亟待解決的工程問題，以及傳統超聲振動切削技術亟待突破的理論速度極限問題，北京航空航天大學張德遠課題組從2014年起提出了高速超聲波動式切削(High-speed Ultrasonic Vibration Cutting, HUVC) 新技術，為難加工材料的高質高效加工開辟了可行的技術途徑。在發展超聲振動切削技術的前提下，解決難加工材料高速精細切削中加工質量、刀具磨損、切削溫度等問題，為難加工材料的高效精細切削和超聲振動切削技術高速化應用奠定基礎。

區別于傳統的超聲振動切削過程，在高速超聲波動式切削過程中，刀具沿進給方向進行超聲振動，如圖8所示。

圖8中，、分別為切削速度和進給量；、分別為超聲振幅、超聲頻率。刀具和工件能夠實現周期性的分離作用從而打開切削界面，使得冷卻液可以浸潤切削界面并實現降力降熱的可能。試驗研究表明，在保證工件質量在精加工范疇內，鈦合金的切削速度可提升至400 m/min，并使刀具壽命提高7.3倍。

圖8 一維傳統超聲振動切削、二維橢圓超聲振動切削和高速超聲波動式切削對比示意圖[49]Fig.8 Comparison diagram of one-dimensional ultrasonic vibration cutting, two-dimensional elliptical ultrasonic vibration cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[49]

圖9 高速超聲波動式切削N-1轉切削后在進給方向形成的輪廓曲線示意圖[49]Fig.9 Schematic diagram of contour curve formed in feed direction after N-1 revolutions high-speed ultrasonic vibration cutting[49]

1.1 波動分離機理：高速分離

高速超聲波動式切削中刀具與工件是否分離由切削軌跡與已切削形成的表面輪廓之間的相互位置關系決定。下面的論述以車削加工為例。如圖9所示，切削刃第-1轉切削后在進給方向形成的輪廓曲線是切削刃的前若干轉切削共同作用的結果，為進給方向的坐標，為工件旋轉角度。普通切削和傳統超聲振動切削的切削刃軌跡及已形成的形貌輪廓關系比較簡單，可以在一轉切削中討論確定，而高速超聲波動式切削一轉切削后在進給方向上形成的輪廓并不是由上一轉切削軌跡單一決定的，而是由之前若干轉切削運動耦合而成。在之前的若干轉切削軌跡各點重合處進給方向的最小值即為刀具第-1轉切削后在進給方向形成的輪廓曲線的最終值。所以一個超聲振動周期形成的進給方向的輪廓曲線()可以表示為

(1)

式中：為影響第-1轉切削后進給方向輪廓曲線-1的切削軌跡數量，受相位差、進給量與超聲振動振幅的比值2個因素影響；-為刀具在第-轉的切削軌跡。當相位差經過一個周期后，進給方向輪廓重復出現。

另外，如果當第+轉的切削刃軌跡與第轉切削的切削刃軌跡不相交，則第轉切削的軌跡對第+轉切削后形成的輪廓曲線+必然也不會有影響。為了方便分析，將進給系數定義為進給量和超聲振動振幅的比值，即

(2)

所以的最大值可以表示為

(3)

式中:為頻轉比，即超聲振動頻率和主軸轉動頻率的比值；INT(·)為取整函數。

考慮到必須為整數，而且其受到相位差和進給系數的雙重影響，為不失一般性，式(3)修正為

(4)

式中：為單位相位長度內包含的軌跡數；為單位進給長度內包含的軌跡數；為相位差。

第轉切削時切削刃的軌跡和第-1轉切削后形成的輪廓曲線的差值為

=()--1()

(5)

要實現刀具在進給方向與工件分離，則第轉切削時切削刃軌跡曲線和第-1轉切削后形成的表面輪廓曲線必須相交。所以

-2+<0

(6)

第轉切削時切削刃軌跡曲線和第-1轉切削后形成的輪廓曲線可能相交，刀具和工件在進給方向可能實現分離，如圖10所示。

相位差用表示，并且=2π(-INT())。要保證刀具在相鄰的第轉和第-1轉切削過程中的運動軌跡相位差在一定的取值范圍內才能實現刀具和工件的分離。相位差取值范圍的臨界狀態為切削刃在相鄰的第轉和第-1轉切削過程中的運動軌跡相切。那么，此時相鄰兩轉切削的切削刃運動軌跡方程關系可表示為

圖10 高速超聲波動式切削的分離條件[49]Fig.10 Separation criterion of high-speed ultrasonic vibration cutting [49]

(7)

將式(6)代入式(7)，解得

(8)

綜上，高速超聲波動式切削實現分離的臨界參數為

(9)

高速超聲波動式切削的分離條件由進給量、超聲振動振幅、相鄰兩轉切削軌跡的相位差這3個參數共同決定。其中，進給量和振幅是常見變量，而相位差對于高速超聲波動式切削尤為重要。

值得注意的是，高速超聲波動式切削實現分離的臨界條件和切削速度無關，因此在合理設置參數的條件下，高速超聲波動式切削可在任意切削速度下實現刀具和工件的分離，這為高速超聲波動式切削實現難加工材料的高質高效切削提供了關鍵基礎。

1.2 形貌控制機理：相位可控

相位差對于高速超聲波動式切削尤為重要，它決定著刀具軌跡從而直接影響已加工表面的加工精度和表面質量。要想實現穩定的高速超聲波動式切削過程(即刀具和工件周期性地穩定分離，加工表面形貌完整規則，表面粗糙度可控)，必須要控制切削過程中的相位差穩定。

相位差和頻轉比有關，也即和超聲振動的頻率、主軸的轉動頻率有關

(10)

式中：、分別為的整數和小數部分。式(10)表明，要保證相位差的穩定，需要超聲振動頻率與主軸轉動頻率嚴格同步。但主軸在高速旋轉時，轉動頻率存在跳動。由于遠大于，所以主軸轉動頻率的微小變化都會引起整數部分和小數部分的巨變，從而造成切削狀態、表面形貌和表面粗糙度的不可控。為使相位差在主軸跳動中保持不變，要求換能器的激振頻率與主軸的轉動頻率同步變化，即要滿足

(11)

式中：Δ為主軸的頻率跳動范圍；Δ為換能器的頻率調整范圍，且滿足

Δ=·Δ

(12)

為解決相位控制的問題，一種閉環直接數字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)控制換能器振動的方法被提出。如圖11所示，DDS是一種全數字化的頻率合成技術，由時鐘、相位增量寄存器和相位累加器組成。在每一個時鐘周期內，相位增量寄存器中的內容與相位累加器中的內容進行一次累加運算，將和的最高進位輸出。改變的值，即可改變輸出的頻率，可表示為

(13)

式中：為頻率控制字；為時鐘基準，在給定的條件下，通過設定不同的頻率控制字，就可得到相應的頻率輸出；為有效字長，其與時鐘基準決定了輸出頻率的范圍。通常情況下，時鐘基準直接由晶體振動器產生固定頻率的時鐘信號，此時，DDS是一個開環的數字系統，可以實現精密數字掃頻功能。

圖11 直接數字合成器原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of principle of direct digital synthesizer

在主軸轉動頻率變化時，為了讓直接數字合成器的輸出頻率按照式(11)進行動態調整，采用旋轉編碼器測量主軸的轉動頻率。編碼器的輸出信號是一個反映主軸轉動頻率的高頻脈沖信號，將其作為數字合成器的時鐘基準信號(圖12)。此時，時鐘基準不是一個固定值，其時刻跟隨主軸轉動頻率的變化而變化，進而輸出頻率在頻率控制字不變的情況下，也跟隨主軸的轉動頻率同步變化，輸出頻率和主軸轉動頻率的比值保持不變，從而保證了相位差的恒定。

圖12 閉環相位控制原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of closed-loop phase control principle

1.3 表面提質機理：切擠一體

高速超聲波動式切削由于刀具在進給方向的運動軌跡為曲線，所以其進給方向的切削量(即切削厚度)、切削前角和后角并不是固定的，而是隨著切削軌跡動態變化的。這種情況與橢圓超聲振動由于刀具切深方向的振動形成了類正弦曲線軌跡而存在變角度切削特性相類似。圖13是不考慮切削刃鈍圓的理想狀況下高速超聲波動式切削變角切削過程。

圖13 高速超聲波動式切削厚度和切削角度的動態變化[51]Fig.13 Dynamic changes of cutting thickness and cutting angle in high-speed ultrasonic vibration cutting [51]

從圖13中可以看出，高速超聲波動式切削是一種周期性切入和切出工件材料的加工方法。其一個切削周期存在3個階段：—為切入階段，—為切出階段，—為空切階段。下面先對一個超聲振動切削周期內的切削厚度進行分析。在切入階段，刀具從點開始切入工件，然后切削厚度隨時間逐漸變大，當到達切削最深點時，切削厚度達到了最大值，此后刀具開始切出工件。在切出階段，刀具從點開始，切削厚度逐漸減小，但沿著切削厚度方向的速度逐漸增大，當該方向速度大于切屑流出速度時，刀具前刀面與切屑的摩擦力會發生逆轉現象，從而有助于切屑的排出。當刀具達到點時此振動切削周期中的切削過程結束，刀具與工件、切屑分離，切削厚度減小到零，刀具進入空切階段，直到從點再次切入，開始下一周期的重復切削運動。

高速超聲波動式切削的一個切削周期內刀具的前角和后角也會發生周期性變化。在切入階段—，刀具的動態工作前角大于刀具理論前角，動態后角小于理論后角。刀具在切入點時，前角達到切削周期內的最大值，后角達到最小值。只有在—切入階段，刀具的后刀面承受摩擦力，相比于普通切削，這樣可以有效地緩解后刀面切削摩擦，降低后刀面磨損。在切出階段—，刀具動態前角逐漸減小甚至出現負進給前角的情況，動態后角逐漸增大并可能大于其名義后角。當達到切出點時，前角達到最小值，后角達到最大值。那么在高速超聲波動式切削的一個切削周期中，刀具的動態角度為

(14)

由以上分析可知，高速超聲波動式切削的切削厚度是周期性增大和減小的，刀具工作角度同樣也是周期性變化的。工作前角變動的頻率和幅度對切削系統的穩定性都有很大的影響，相比于固定前角的切削系統，周期性變化的刀具工作前角可以有效地提高切削系統的穩定性，抑制顫振。

另外，在切入階段，刀具動態后角可能出現小于零的情況(出現負后角現象)，這時刀具后刀面和工件間會發生干涉，產生擠壓效果。當刀具出現磨損時刀具后角可記為0°，此時高速超聲波動式切削肯定會出現負后角。

2 高速超聲波動式切削工藝效果

2.1 改善切削加工性

和低頻振動加工類似，高速超聲波動式切削同樣具有間斷切削的特性，在占空比小于1時具有斷屑特性。此外，當以高切削速度加工鈦合金、高溫合金、淬硬鋼等難加工材料時高速超聲波動式切削可有效降低切削力、降低切削溫度、抑制顫振和提高加工精度，進而改善難加工材料的切削加工性。

Peng等將高速超聲波動式切削用于加工鈦合金薄壁筒。對于普通切削，當加工厚度較薄的工件時，較小的切削厚度不會去除材料(讓刀/欠切)，如果增加切割厚度，則會發生顫振。但是，對于高速超聲波動式切削而言，系統發生顫振的臨界切削厚度要比普通切削更大。而且，高速超聲波動式切削的動態切削厚度特性可在一定條件下去除材料。因此提高了顫振的穩定性和加工精度。經過試驗驗證，相比于普通切削，高速超聲波動式切削在加工鈦合金薄壁件時的優勢是明顯的：① 高速超聲波動式切削可有效降低切削力(圖14)；② 運用高速超聲波動式切削可制造出厚度僅為0.6 mm的薄壁件，尺寸誤差由原來的50%以上降至10%以下(圖15)；③ 對于不同厚度的鈦合金薄壁件，表面粗糙度降低了11.7%～20.4%。

圖14 普通切削(CC)與高速超聲波動式切削(HUVC)的切削力對比[57]Fig.14 Comparison of cutting force between Conventional Cutting (CC) and High-speed Ultrasonic Vibration Cutting (HUVC)[57]

Peng 等在高速切削鎳基高溫合金時發現，與普通切削相比，高速超聲波動式切削憑借其獨特的運動特性可以在任何切削速度下實現間斷切削，并且可以擴大硬質合金刀具的應用范圍。當高速切削高溫合金時，切削力最多降低32.59%。與普通切削相比，高速超聲振動切削可以通過間斷切削和后刀面冷卻液的冷卻效果，使高溫合金切削溫度降低約20%(如圖16所示，其中Flood表示冷卻液壓力為5 bar(1 bar=0.1 MPa)的普通冷卻條件，為冷卻液壓力)。

Lu等在高速切削鈦合金時發現在高速超聲波動式切削和高壓冷卻的協同作用下，切削溫度顯著降低，如圖17所示。主要原因是高速超聲波動式切削的分離效果使高壓流體進入切削區域。與普通切削相比，高速超聲波動式切削在300 m/min的切削速度下最高降溫幅度可達到55%。此外，更高的冷卻液壓力會引起更大的切削溫度降低。

圖15 普通切削與高速超聲波動式切削的加工精度 對比[57]Fig.15 Comparison of machining accuracy between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[57]

圖16 普通切削與高速超聲波動式切削加工高溫合金的切削溫度對比[58]Fig.16 Comparison of cutting temperature between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of superalloys[58]

圖17 普通切削與高速超聲波動式切削加工鈦合金的切削溫度對比[50]Fig.17 Comparison of cutting temperature between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy[50]

2.2 改善刀具壽命

難加工材料的切削極易引起刀具過快磨損，切削速度越高，刀具磨損越劇烈，這也直接導致了加工效率降低、加工成本增加，這個問題在高速切削加工情形下顯得尤為突出。與高速車削相比，高速銑削的切削溫度和刀具磨損情況都有明顯的改善，這得益于其斷續切削的形式使刀具可以得到更充分的冷卻。高速超聲波動式切削是一種更高頻的斷續切削形式，因此在刀具磨損和壽命方面具有更明顯的優勢。

加工鈦合金時，高速超聲波動式切削相比于普通切削可獲得更長的刀具壽命。在普通冷卻條件下，刀具壽命提升3倍左右，如圖18所示。由于高壓冷卻可大幅降低切削溫度和減少刀具磨損，在高壓冷卻和高速超聲波動式切削協同作用下加工鈦合金時，刀具壽命至多提升7倍(圖19)，同時可獲得更高的切削速度。

圖18 普通切削與高速超聲波動式切削加工鈦合金的刀具壽命對比(切削速度:200 m/min，普通冷卻條件)[49]Fig.18 Comparison of tool life between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy (cutting speed: 200m/min, ordinary cooling conditions)[49]

圖19 普通切削與高速超聲波動式切削加工鈦合金的刀具壽命對比(切削速度:400 m/min，高壓冷卻條件)[50]Fig.19 Comparison of tool life between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy (cutting speed: 400 m/min, high-pressure cooling conditions)[50]

Peng等在使用硬質合金刀具高速切削鎳基高溫合金時，發現高速超聲波動式切削可有效延緩刀具磨損提升刀具壽命，如圖20所示。

圖20 高壓冷卻條件下普通切削與高速超聲波動式切削高溫合金的刀具壽命對比[58]Fig.20 Comparison of tool life between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys under high-pressure cooling conditions[58]

在保證相同刀具壽命的前提下，相比于普通切削80 m/min的切削速度，高速超聲波動式切削的切削速度可提高3倍左右(240 m/min)，如圖21所示，其中表示切削液壓力。當切削速度為80 m/min時，高速超聲波動式切削的刀具壽命為普通切削的3倍左右(圖22)。

高速超聲波動式切削可以降低刀具磨損率，提高刀具的耐用度。硬質合金刀具高速超聲波動式切削的主要磨損機理是熱力耦合作用下的磨粒磨損、黏結磨損和擴散磨損；高速超聲波動式切削由于提高了刀具壽命，因此在同等刀具壽命下，可以在更大的切削速度下進行加工，有效提高了材料去除率和加工效率；但隨著切削速度的升高，高速超聲波動式切削的等效速度提升緩慢，材料去除率增幅變緩，優勢逐漸減小。

圖21 切削加工高溫合金時普通切削與高速超聲波動式切削刀具壽命隨切削速度變化[58]Fig.21 Tool life changes with cutting speed during conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys[58]

圖22 切削加工高溫合金時普通切削與高速超聲波動式切削刀具磨損隨切削長度變化[58]Fig.22 Tool wear changes with cutting distance during conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys[58]

2.3 改善表面完整性

零部件的表面完整性直接影響著其使役性能(如疲勞性能、耐磨損性能和耐腐蝕性能),這一點已經逐漸受到工業界和學術界的廣泛認同，尤其是對高附加值及產品可靠性要求較高的行業。在航空航天工業中，表面完整性是評價零部件加工表面質量最重要的指標之一。表面完整性不僅包括表面形貌特征，還包括物理及冶金特性，如殘余應力、顯微硬度、亞表面微結構等。

圖23 不同切削狀態下表面形貌圖(放大100 倍，φ為相位差的取值)[76]Fig.23 Surface topography in different cutting conditions (magnification 100 times, φ represents the value of phase shift)[76]

圖23為普通切削和高速超聲波動式切削在開環和閉環控制下得到的已加工表面形貌。在開環DDS控制模態下，圖23(a)中的凹坑排列雜亂無序，其表面粗糙度=0.785 μm。當采用閉環DDS控制時，在圖23(b)中，表面凹坑排列整齊有序，相鄰兩圈的凹坑排列相位差為常數。因此閉環DDS控制能夠控制表面的尖點高度，從而優化了表面質量，表面粗糙度可達到0.303 μm，接近圖23(c)所示的普通切削表面質量(=0.204 μm)。在普通切削后形成的表面呈現等距相間的規則溝槽，故而表面形貌最穩定。圖23(d)～圖23(f)分別為相位差=π/3,2π/3,3π/4 條件下閉環DDS控制模式下的表面形貌。表面粗糙度跟隨相位差變化的趨勢并不能僅僅通過任取給定的兩點的變化來判斷。不同相位差下，工件的表面質量形貌雖然依舊排列規則整齊，但其表面粗糙度會發生波動，其數值介于開環DDS 控制模式和普通切削之間。在試驗所示的條件下，相位差為2π/3 時，表面粗糙度=0.212 μm，接近普通切削表面。

刀具狀態直接影響零部件的表面完整性，當使用新刀(后刀面磨損為0)加工鎳基高溫合金時，高速超聲波動式切削獲得的表面粗糙度和普通切削獲得的表面粗糙度大致相等。同時，高速超聲波動式切削獲得了規律的表面微織構，而普通切削具有明顯的直線進給條紋(圖24)。當使用磨損的刀具時，高速超聲波動式切削相比于普通切削獲得了較低的表面粗糙度，如圖25、圖26所示，其中為切削速度，、分別為微觀不平度十點高度和輪廓峰谷總高度。

除了表面粗糙度的降低，由于間斷切削特性以及刀具負后角現象的存在，相比于普通切削，高速超聲波動式切削在加工鎳基高溫合金時獲得了更高的表面硬度(圖27)、更高的表面壓縮殘余應力(圖28)以及更厚的亞表面變形層(圖29)。

圖24 普通切削和高速超聲波動式切削使用新刀獲得的已加工表面形貌對比(切削速度:160 m/min,高壓冷卻條件)[58]Fig.24 Comparison of machined surface morphology obtained by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting using a new tool(cutting speed: 160 m/min, high-pressure cooling conditions)[58]

圖25 高壓冷卻條件下普通切削和高速超聲波動式切削使用磨損刀具獲得的已加工表面形貌對比[59]Fig.25 Comparison of machined surface morphology obtained by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting using worn tools under high-pressure cooling conditions[59]

圖26 高壓冷卻條件下普通切削和高速超聲波動式切削使用磨損刀具獲得的表面粗糙度對比[59]Fig.26 Comparison of surface roughness obtained by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting using worn tools under high-pressure cooling conditions[59]

當高速切削鈦合金時，相比于普通切削，高速超聲波動式切削同樣獲得了更高的表面硬度和表面壓縮殘余應力，以及更厚的亞表面變形層(圖30，其中、分別為進給速度方向和切削深度方向的振幅，為切削速度)。同時，相比于鈦合金基體材料(圖31(a)、圖31(b))、普通切削(圖31(c)、圖31(d))，高速超聲波動式切削(圖31 (e)、圖31(f))呈現出納米顯微結構，說明高速超聲波動式切削具有表面強化功能。這些表面完整性的改善有益于零部件使役性能的提升。

圖27 普通切削和高速超聲波動式切削加工鎳基高溫合金表面硬度對比[59]Fig.27 Comparison of surface hardness of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

圖28 普通切削和高速超聲波動式切削加工鎳基高溫合金表面殘余應力對比[59]Fig.28 Comparison of residual stress on surface of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

圖29 普通切削和高速超聲波動式切削加工鎳基高溫合金亞表面變形層對比[59]Fig.29 Comparison of subsurface deformation layers of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

圖30 普通切削和高速超聲波動式切削加工鈦合金亞表面變形層對比[78]Fig.30 Comparison of titanium alloy subsurface deformation layers processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[78]

研究表明，當加工鈦合金疲勞樣件時，相比于普通切削，使用高速超聲波動式切削可獲得更高的表面硬度和表面壓縮殘余應力，以及更厚的亞表面變形層(圖32)。通過拉伸疲勞試驗可知，相比于普通切削，使用高速超聲波動式切削獲得的試件疲勞壽命可提高10.4倍。經過疲勞斷口分析，可以看出普通切削的疲勞裂紋源在試件表面(圖33)，而高速超聲波動式切削的疲勞裂紋源在試件亞表面(圖34)。

圖31 鈦合金基體、普通切削及高速超聲波動式切削的顯微結構對比[77]Fig.31 Microstructure comparison of titanium alloy matrix, conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[77]

圖32 普通切削和高速超聲波動式切削加工疲勞樣件亞表面變形層對比[73]Fig.32 Comparison of subsurface deformation layers of fatigue samples machined by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[73]

圖33 普通切削加工樣件疲勞裂紋源[73]Fig.33 Fatigue crack source of conventional cutting-machined samples[73]

圖34 高速超聲波動式切削加工樣件疲勞裂紋源[73]Fig.34 Fatigue crack source of high-speed ultrasonic vibration cutting-machined samples[73]

3 結 論

1) 高速超聲波動式切削這一超聲加工新模式可有效降低切削力和切削熱、延長刀具壽命，為實現鈦合金、鎳基高溫合金、復合材料等難加工材料的高質加工提供了有效途徑。

2) 通過合理設置參數，高速超聲波動式切削可在任意切削速度下實現刀具和工件的分離。同時，已證明的降力降溫特性為改善難加工材料切削加工性提供了技術基礎。

3) 高速超聲波動式切削可有效提高刀具壽命，具體表現為：在保證工件質量在精加工范疇內，鈦合金的切削速度可提升至400 m/min并使刀具壽命提高7倍，鎳基高溫合金的切削速度可提升至240 m/min并使刀具壽命提高3倍。

4) 高速超聲波動式切削可實現相位可控，這為實現精細化切削、保證加工質量和提升加工效率提供了有力保障。

5) 高速超聲波動式切削可有效改善表面完整性。具體表現為：降低表面粗糙度、增加零件表面硬度和壓縮殘余應力、增加亞表面變形層厚度等。

當前，高速超聲波動式切削方法在改善難加工材料切削加工性和表面完整性方面取得初步應用。在未來研究中，需要對硬度和殘余應力分布、零部件使役性能等方面進行深入研究，為航空航天難加工材料的高性能制造提供支撐。