航空航天难加工材料高速超声波动式切削方法

彭振龙，张翔宇，张德远,*

1.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100083 2.北京航空航天大学 仿生与微纳系统研究所，北京 100083

随着航空航天装备的性能需求和型号产量日益提高，实现难加工材料制造过程的高加工质量、高加工效率已是题中之义。因为优良的物理机械性能，高温合金、钛合金、高强度钢及复合材料等在航空航天领域得到了广泛运用，但同时它们也被认为是该领域的难加工材料。作为典型的难加工材料，钛合金和高温合金具有高比强度、高温性能好、耐腐蚀性强等特性，被广泛应用于发动机的涡轮盘、压气机盘、叶片、机匣的制造中(图1)，其中高温合金约占航空发动机质量的50%。

图1 钛合金和高温合金的应用示例图[3]Fig.1 Application example diagram of titanium alloy and high-temperature alloy[3]

表1所示为美国历代战斗机中各种材料的质量分数，钛合金的使用量总体呈上升趋势，在F-22战机中使用比例更是高达41%。同时，复合材料具有高比强度、高比刚度、抗疲劳等特性，其应用和发展是大幅提高飞机结构效率、舒适性和环保性的重要保证，复合材料用量也是大型飞机先进性和国际竞争力的标志。中国大型飞机发展规划要求C919飞机复合材料用量达23%。

与难加工材料用量大、需求高相矛盾的是，这类材料的优良物理特性往往导致刀具磨损迅速、加工效率低以及切削区域的切削力和切削温度高等诸多难题。例如，钛合金和高温合金作为典型的难加工合金，低导热系数、高强度和高硬度等特性导致其可切削性极差，主要体现为刀具/工件切削界面切削温度高、单位面积的切削力大和加工硬化倾向严重等特点。这些特点导致钛合金和高温合金切削加工过程中的切削界面冷却润滑很难达到最佳状态、加工后的表面应力不均且热损伤区域较大。在实际武器装备研制生产中，为实现加工表面完整和加工质量可靠，就不得不降低切削速度，在稳定的区域内进行切削，很难实现高效高质加工。因此，对于航空航天领域钛合金、高温合金及复合材料等典型难加工材料来说，主要“瓶颈”问题是如何在高切削速度下保证加工表面质量。

表1 美国历代战斗机各种材料的质量分数[4]

难加工材料的独特物理特性决定了其实现高加工质量、高加工效率的技术难度非常大。作为一种典型的特种加工技术，超声加工在难加工材料制造领域得到了广泛应用。

在20世纪50年代，日本学者隈部淳一郎首先提出了刀具和工件周期性分离的振动切削方法。后来通过对刀具上添加高频率微米级的振动来实现超声振动切削。吉林工业大学(现吉林大学)是国内最早从事超声加工技术的研究单位之一。最早超声加工技术的超声振动方向为线性往复，也称一维超声振动。多项研究表明，这类超声加工过程中的刀具和工件分离能打开切削界面，从而在难加工材料的切削过程中实现降低切削力、降低切削温度、延缓刀具磨损，改善表面质量的工艺效果。除钛合金、高温合金及复合材料外，在生物组织切割中也得到了有效应用。

刘立飞等使用DMG Ultrasonic70-5超声加工中心对碳化硅陶瓷分别进行了金刚石砂轮普通磨削和超声振动辅助磨削的试验对比，结果表明，相比于普通磨削，超声振动磨削可以有效降低工件亚表面裂纹最大深度及密度，磨削力降低约33%，在进给速度为150～550 mm/min时可以有效改善工件质量和加工效率。Bai等通过数值模拟和加工试验证明：与普通车削相比，当使用超声振动车削加工钛合金时，已加工表面和切屑的平均晶粒尺寸更大且更均匀。同时，结果表明，切削和振动参数对普通车削和超声振动车削中的平均晶粒尺寸的分布没有明显影响。

Shao等使用超声振动钻削进行复合材料CFRP/钛合金叠层(复钛叠层)制孔试验研究(如图2所示，其中Edge A、Edge B表示钻头的切削刃，为轴向进给速度)，重点关注了加工过程中的界面温度和已加工表面的表面完整性。与普通钻削相比，超声振动的最大界面温度和超过玻璃化转变温度(，约180 ℃)的持续时间分别降低了约22.8%、52.2%(图3)。超声振动钻削可以明显降低复钛叠层加工的热损伤程度(图4，其中为刀具转速)，同时应选择高进给速率和适中的主轴转速，以最大化减轻热损伤并确保复钛叠层的加工效率。

图2 超声振动钻削示意图[28]Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic vibration drilling [28]

图3 普通钻削和超声振动钻削复钛叠层切削温度对比[28]Fig.3 Comparison of temperature in ordinary and ultrasonic vibration drilling for composite titanium laminates[28]

图4 普通钻削和超声振动钻削复钛叠层热损伤对比[28]Fig.4 Comparison of thermal damage at interface of composite titanium laminate between ordinary drilling and ultrasonic vibration drilling [28]

此外，一种超声频振动和刀具螺旋进给的超声振动螺旋加工新模式在钛合金和复合材料高质加工方面得到了成功应用(如图5所示，其中，、、、分别为刀具转速、偏心距、轴向每螺旋进给量、轴向进给速度)。与常规切削相比，超声振动螺旋加工切削力最多可降低71.3%。同时，超声振动螺旋加工复合材料CFRP得到的孔出口的分层因子降低了12.8%～25.7%，孔内表面的表面粗糙度降低了51.9%～53.2%。

图5 超声振动螺旋加工示意图[32]Fig.5 Schematic diagram of helix ultrasonic vibration machining [32]

值得注意的是，由于一维直线超声振动切削的振动方向和切削速度平行，为了实现刀具和工件的分离，适用的切削速度极低，通常不大于30 m/min，因此加工质量的提升是以牺牲加工效率换取来的。

20世纪90年代，日本学者社本英二首次在国际上提出二维超声振动切削，即在切削速度和切削深度2个方向同时添加超声振动，由于其两相合成运动轨迹类似椭圆，因此又称为椭圆超声振动切削。随后的研究表明，一维超声振动切削的切削力可降低至普通切削的1/5左右；而在间断切削和摩擦力反向特性的同时作用下，在振动频率18.8 kHz下切削铝合金时二维椭圆超声振动切削的切削力大大降低(约为普通切削的2%)，如图6所示。在使用椭圆超声振动切削对铝合金进行超精密加工时，获得了镜面级的表面(表面粗糙度约为0.08 μm)。此外，椭圆超声振动切削也被用于加工镍基高温合金。Lu等使用椭圆超声振动车削来提高高温合金Inconel 718的切削性能。试验结果表明在椭圆超声振动的帮助下，切削力、刀具磨损率、切屑尺寸均得到有效降低。Wang等发现当使用涂层硬质合金刀具车削高温合金Inconel 718时，通过在基面上使用椭圆超声振动可以获得较低的切削力和切削温度。

图6 超声振动切削降低切削力效果[35]Fig.6 Effect of ultrasonic vibration cutting on reducing cutting force[35]

由于明显的切削力降低特性，椭圆超声振动被广泛用于微细切削(去除量小)和超精加工(精度高)领域，常被用来加工淬硬钢、陶瓷、复合材料等硬脆性材料。为了提高淬硬钢的可加工性，Ding等使用椭圆超声振动进行淬硬钢的微铣削，从而得出结论，借助椭圆超声振动可以获得更好的表面质量和更长的刀具寿命，并且随着振幅和频率的增加，其优势将更加明显。Wu等研究了二维超声振动辅助侧铣，并提出间歇切削过程和切削力降低是由刀尖的轨迹引起的。Geng等研究了普通切削和椭圆超声切削在不同进给速度和切削速度下的切削温度趋势，结果表明，与普通切削相比，在75、150 μm/r的进给速度下，椭圆超声切削的切削温度可以分别有效降低18.8%、13.1%；同时扫描电镜照片显示超声椭圆切削可以获得较好的显微组织和加工质量(图7)。研究表明，切削力和扭矩的降低是超声椭圆切削加工复合材料时获得较高表面质量的关键。三维椭圆振动切削和二维椭圆振动切削相似，同样是通过设计参数实现刀具与工件的分离。

图7 不同进给速度下加工质量对比[43]Fig.7 Comparison of machining quality under different feed speeds[43]

然而，传统的一维直线超声振动切削和二维椭圆振动切削方法存在理论速度极限，因此超声振动提高加工表面质量的效果都是在低速精细切削条件下获得的。切削力降低、刀具寿命延长以及表面质量改善等优势随着切削速度提高而减弱，这极大限制了超声振动切削方法的工程应用，超声振动切削领域亟待实现高速精细切削应用的突破。

针对难加工材料切削加工的效率和质量难以兼顾的难题，难加工材料高速加工领域亟需解决切削温度高、刀具磨损快的问题，进而突破现有技术手段和技术参数的限制，大幅度改善难加工材料的机械加工性能，实现难加工材料的高效、精细、优质切削；同时，需要探索新的超声振动形式和机理，从根本上摆脱传统超声振动切削理论的束缚，实现超声加工技术的高速化应用。

本文围绕航空航天领域难加工材料的高质高效加工需求，进一步发掘超声加工的应用潜力，厘清高速超声波动式切削加工机理，以期更加科学合理地利用这种新型加工方法，为高速超声波动式切削工艺能力的挖潜与发展奠定基础。

1 高速超声波动式切削机理

为解决难加工材料切削性能差、加工质量低、刀具磨损快等亟待解决的工程问题，以及传统超声振动切削技术亟待突破的理论速度极限问题，北京航空航天大学张德远课题组从2014年起提出了高速超声波动式切削(High-speed Ultrasonic Vibration Cutting, HUVC) 新技术，为难加工材料的高质高效加工开辟了可行的技术途径。在发展超声振动切削技术的前提下，解决难加工材料高速精细切削中加工质量、刀具磨损、切削温度等问题，为难加工材料的高效精细切削和超声振动切削技术高速化应用奠定基础。

区别于传统的超声振动切削过程，在高速超声波动式切削过程中，刀具沿进给方向进行超声振动，如图8所示。

图8中，、分别为切削速度和进给量；、分别为超声振幅、超声频率。刀具和工件能够实现周期性的分离作用从而打开切削界面，使得冷却液可以浸润切削界面并实现降力降热的可能。试验研究表明，在保证工件质量在精加工范畴内，钛合金的切削速度可提升至400 m/min，并使刀具寿命提高7.3倍。

图8 一维传统超声振动切削、二维椭圆超声振动切削和高速超声波动式切削对比示意图[49]Fig.8 Comparison diagram of one-dimensional ultrasonic vibration cutting, two-dimensional elliptical ultrasonic vibration cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[49]

图9 高速超声波动式切削N-1转切削后在进给方向形成的轮廓曲线示意图[49]Fig.9 Schematic diagram of contour curve formed in feed direction after N-1 revolutions high-speed ultrasonic vibration cutting[49]

1.1 波动分离机理：高速分离

高速超声波动式切削中刀具与工件是否分离由切削轨迹与已切削形成的表面轮廓之间的相互位置关系决定。下面的论述以车削加工为例。如图9所示，切削刃第-1转切削后在进给方向形成的轮廓曲线是切削刃的前若干转切削共同作用的结果，为进给方向的坐标，为工件旋转角度。普通切削和传统超声振动切削的切削刃轨迹及已形成的形貌轮廓关系比较简单，可以在一转切削中讨论确定，而高速超声波动式切削一转切削后在进给方向上形成的轮廓并不是由上一转切削轨迹单一决定的，而是由之前若干转切削运动耦合而成。在之前的若干转切削轨迹各点重合处进给方向的最小值即为刀具第-1转切削后在进给方向形成的轮廓曲线的最终值。所以一个超声振动周期形成的进给方向的轮廓曲线()可以表示为

(1)

式中：为影响第-1转切削后进给方向轮廓曲线-1的切削轨迹数量，受相位差、进给量与超声振动振幅的比值2个因素影响；-为刀具在第-转的切削轨迹。当相位差经过一个周期后，进给方向轮廓重复出现。

另外，如果当第+转的切削刃轨迹与第转切削的切削刃轨迹不相交，则第转切削的轨迹对第+转切削后形成的轮廓曲线+必然也不会有影响。为了方便分析，将进给系数定义为进给量和超声振动振幅的比值，即

(2)

所以的最大值可以表示为

(3)

式中:为频转比，即超声振动频率和主轴转动频率的比值；INT(·)为取整函数。

考虑到必须为整数，而且其受到相位差和进给系数的双重影响，为不失一般性，式(3)修正为

(4)

式中：为单位相位长度内包含的轨迹数；为单位进给长度内包含的轨迹数；为相位差。

第转切削时切削刃的轨迹和第-1转切削后形成的轮廓曲线的差值为

=()--1()

(5)

要实现刀具在进给方向与工件分离，则第转切削时切削刃轨迹曲线和第-1转切削后形成的表面轮廓曲线必须相交。所以

-2+<0

(6)

第转切削时切削刃轨迹曲线和第-1转切削后形成的轮廓曲线可能相交，刀具和工件在进给方向可能实现分离，如图10所示。

相位差用表示，并且=2π(-INT())。要保证刀具在相邻的第转和第-1转切削过程中的运动轨迹相位差在一定的取值范围内才能实现刀具和工件的分离。相位差取值范围的临界状态为切削刃在相邻的第转和第-1转切削过程中的运动轨迹相切。那么，此时相邻两转切削的切削刃运动轨迹方程关系可表示为

图10 高速超声波动式切削的分离条件[49]Fig.10 Separation criterion of high-speed ultrasonic vibration cutting [49]

(7)

将式(6)代入式(7)，解得

(8)

综上，高速超声波动式切削实现分离的临界参数为

(9)

高速超声波动式切削的分离条件由进给量、超声振动振幅、相邻两转切削轨迹的相位差这3个参数共同决定。其中，进给量和振幅是常见变量，而相位差对于高速超声波动式切削尤为重要。

值得注意的是，高速超声波动式切削实现分离的临界条件和切削速度无关，因此在合理设置参数的条件下，高速超声波动式切削可在任意切削速度下实现刀具和工件的分离，这为高速超声波动式切削实现难加工材料的高质高效切削提供了关键基础。

1.2 形貌控制机理：相位可控

相位差对于高速超声波动式切削尤为重要，它决定着刀具轨迹从而直接影响已加工表面的加工精度和表面质量。要想实现稳定的高速超声波动式切削过程(即刀具和工件周期性地稳定分离，加工表面形貌完整规则，表面粗糙度可控)，必须要控制切削过程中的相位差稳定。

相位差和频转比有关，也即和超声振动的频率、主轴的转动频率有关

(10)

式中：、分别为的整数和小数部分。式(10)表明，要保证相位差的稳定，需要超声振动频率与主轴转动频率严格同步。但主轴在高速旋转时，转动频率存在跳动。由于远大于，所以主轴转动频率的微小变化都会引起整数部分和小数部分的巨变，从而造成切削状态、表面形貌和表面粗糙度的不可控。为使相位差在主轴跳动中保持不变，要求换能器的激振频率与主轴的转动频率同步变化，即要满足

(11)

式中：Δ为主轴的频率跳动范围；Δ为换能器的频率调整范围，且满足

Δ=·Δ

(12)

为解决相位控制的问题，一种闭环直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)控制换能器振动的方法被提出。如图11所示，DDS是一种全数字化的频率合成技术，由时钟、相位增量寄存器和相位累加器组成。在每一个时钟周期内，相位增量寄存器中的内容与相位累加器中的内容进行一次累加运算，将和的最高进位输出。改变的值，即可改变输出的频率，可表示为

(13)

式中：为频率控制字；为时钟基准，在给定的条件下，通过设定不同的频率控制字，就可得到相应的频率输出；为有效字长，其与时钟基准决定了输出频率的范围。通常情况下，时钟基准直接由晶体振动器产生固定频率的时钟信号，此时，DDS是一个开环的数字系统，可以实现精密数字扫频功能。

图11 直接数字合成器原理示意图Fig.11 Schematic diagram of principle of direct digital synthesizer

在主轴转动频率变化时，为了让直接数字合成器的输出频率按照式(11)进行动态调整，采用旋转编码器测量主轴的转动频率。编码器的输出信号是一个反映主轴转动频率的高频脉冲信号，将其作为数字合成器的时钟基准信号(图12)。此时，时钟基准不是一个固定值，其时刻跟随主轴转动频率的变化而变化，进而输出频率在频率控制字不变的情况下，也跟随主轴的转动频率同步变化，输出频率和主轴转动频率的比值保持不变，从而保证了相位差的恒定。

图12 闭环相位控制原理示意图Fig.12 Schematic diagram of closed-loop phase control principle

1.3 表面提质机理：切挤一体

高速超声波动式切削由于刀具在进给方向的运动轨迹为曲线，所以其进给方向的切削量(即切削厚度)、切削前角和后角并不是固定的，而是随着切削轨迹动态变化的。这种情况与椭圆超声振动由于刀具切深方向的振动形成了类正弦曲线轨迹而存在变角度切削特性相类似。图13是不考虑切削刃钝圆的理想状况下高速超声波动式切削变角切削过程。

图13 高速超声波动式切削厚度和切削角度的动态变化[51]Fig.13 Dynamic changes of cutting thickness and cutting angle in high-speed ultrasonic vibration cutting [51]

从图13中可以看出，高速超声波动式切削是一种周期性切入和切出工件材料的加工方法。其一个切削周期存在3个阶段：—为切入阶段，—为切出阶段，—为空切阶段。下面先对一个超声振动切削周期内的切削厚度进行分析。在切入阶段，刀具从点开始切入工件，然后切削厚度随时间逐渐变大，当到达切削最深点时，切削厚度达到了最大值，此后刀具开始切出工件。在切出阶段，刀具从点开始，切削厚度逐渐减小，但沿着切削厚度方向的速度逐渐增大，当该方向速度大于切屑流出速度时，刀具前刀面与切屑的摩擦力会发生逆转现象，从而有助于切屑的排出。当刀具达到点时此振动切削周期中的切削过程结束，刀具与工件、切屑分离，切削厚度减小到零，刀具进入空切阶段，直到从点再次切入，开始下一周期的重复切削运动。

高速超声波动式切削的一个切削周期内刀具的前角和后角也会发生周期性变化。在切入阶段—，刀具的动态工作前角大于刀具理论前角，动态后角小于理论后角。刀具在切入点时，前角达到切削周期内的最大值，后角达到最小值。只有在—切入阶段，刀具的后刀面承受摩擦力，相比于普通切削，这样可以有效地缓解后刀面切削摩擦，降低后刀面磨损。在切出阶段—，刀具动态前角逐渐减小甚至出现负进给前角的情况，动态后角逐渐增大并可能大于其名义后角。当达到切出点时，前角达到最小值，后角达到最大值。那么在高速超声波动式切削的一个切削周期中，刀具的动态角度为

(14)

由以上分析可知，高速超声波动式切削的切削厚度是周期性增大和减小的，刀具工作角度同样也是周期性变化的。工作前角变动的频率和幅度对切削系统的稳定性都有很大的影响，相比于固定前角的切削系统，周期性变化的刀具工作前角可以有效地提高切削系统的稳定性，抑制颤振。

另外，在切入阶段，刀具动态后角可能出现小于零的情况(出现负后角现象)，这时刀具后刀面和工件间会发生干涉，产生挤压效果。当刀具出现磨损时刀具后角可记为0°，此时高速超声波动式切削肯定会出现负后角。

2 高速超声波动式切削工艺效果

2.1 改善切削加工性

和低频振动加工类似，高速超声波动式切削同样具有间断切削的特性，在占空比小于1时具有断屑特性。此外，当以高切削速度加工钛合金、高温合金、淬硬钢等难加工材料时高速超声波动式切削可有效降低切削力、降低切削温度、抑制颤振和提高加工精度，进而改善难加工材料的切削加工性。

Peng等将高速超声波动式切削用于加工钛合金薄壁筒。对于普通切削，当加工厚度较薄的工件时，较小的切削厚度不会去除材料(让刀/欠切)，如果增加切割厚度，则会发生颤振。但是，对于高速超声波动式切削而言，系统发生颤振的临界切削厚度要比普通切削更大。而且，高速超声波动式切削的动态切削厚度特性可在一定条件下去除材料。因此提高了颤振的稳定性和加工精度。经过试验验证，相比于普通切削，高速超声波动式切削在加工钛合金薄壁件时的优势是明显的：① 高速超声波动式切削可有效降低切削力(图14)；② 运用高速超声波动式切削可制造出厚度仅为0.6 mm的薄壁件，尺寸误差由原来的50%以上降至10%以下(图15)；③ 对于不同厚度的钛合金薄壁件，表面粗糙度降低了11.7%～20.4%。

图14 普通切削(CC)与高速超声波动式切削(HUVC)的切削力对比[57]Fig.14 Comparison of cutting force between Conventional Cutting (CC) and High-speed Ultrasonic Vibration Cutting (HUVC)[57]

Peng 等在高速切削镍基高温合金时发现，与普通切削相比，高速超声波动式切削凭借其独特的运动特性可以在任何切削速度下实现间断切削，并且可以扩大硬质合金刀具的应用范围。当高速切削高温合金时，切削力最多降低32.59%。与普通切削相比，高速超声振动切削可以通过间断切削和后刀面冷却液的冷却效果，使高温合金切削温度降低约20%(如图16所示，其中Flood表示冷却液压力为5 bar(1 bar=0.1 MPa)的普通冷却条件，为冷却液压力)。

Lu等在高速切削钛合金时发现在高速超声波动式切削和高压冷却的协同作用下，切削温度显着降低，如图17所示。主要原因是高速超声波动式切削的分离效果使高压流体进入切削区域。与普通切削相比，高速超声波动式切削在300 m/min的切削速度下最高降温幅度可达到55%。此外，更高的冷却液压力会引起更大的切削温度降低。

图15 普通切削与高速超声波动式切削的加工精度 对比[57]Fig.15 Comparison of machining accuracy between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[57]

图16 普通切削与高速超声波动式切削加工高温合金的切削温度对比[58]Fig.16 Comparison of cutting temperature between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of superalloys[58]

图17 普通切削与高速超声波动式切削加工钛合金的切削温度对比[50]Fig.17 Comparison of cutting temperature between conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of titanium alloy[50]

2.2 改善刀具寿命

难加工材料的切削极易引起刀具过快磨损，切削速度越高，刀具磨损越剧烈，这也直接导致了加工效率降低、加工成本增加，这个问题在高速切削加工情形下显得尤为突出。与高速车削相比，高速铣削的切削温度和刀具磨损情况都有明显的改善，这得益于其断续切削的形式使刀具可以得到更充分的冷却。高速超声波动式切削是一种更高频的断续切削形式，因此在刀具磨损和寿命方面具有更明显的优势。

加工钛合金时，高速超声波动式切削相比于普通切削可获得更长的刀具寿命。在普通冷却条件下，刀具寿命提升3倍左右，如图18所示。由于高压冷却可大幅降低切削温度和减少刀具磨损，在高压冷却和高速超声波动式切削协同作用下加工钛合金时，刀具寿命至多提升7倍(图19)，同时可获得更高的切削速度。

图18 普通切削与高速超声波动式切削加工钛合金的刀具寿命对比(切削速度:200 m/min，普通冷却条件)[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]

图19 普通切削与高速超声波动式切削加工钛合金的刀具寿命对比(切削速度:400 m/min，高压冷却条件)[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等在使用硬质合金刀具高速切削镍基高温合金时，发现高速超声波动式切削可有效延缓刀具磨损提升刀具寿命，如图20所示。

图20 高压冷却条件下普通切削与高速超声波动式切削高温合金的刀具寿命对比[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]

在保证相同刀具寿命的前提下，相比于普通切削80 m/min的切削速度，高速超声波动式切削的切削速度可提高3倍左右(240 m/min)，如图21所示，其中表示切削液压力。当切削速度为80 m/min时，高速超声波动式切削的刀具寿命为普通切削的3倍左右(图22)。

高速超声波动式切削可以降低刀具磨损率，提高刀具的耐用度。硬质合金刀具高速超声波动式切削的主要磨损机理是热力耦合作用下的磨粒磨损、黏结磨损和扩散磨损；高速超声波动式切削由于提高了刀具寿命，因此在同等刀具寿命下，可以在更大的切削速度下进行加工，有效提高了材料去除率和加工效率；但随着切削速度的升高，高速超声波动式切削的等效速度提升缓慢，材料去除率增幅变缓，优势逐渐减小。

图21 切削加工高温合金时普通切削与高速超声波动式切削刀具寿命随切削速度变化[58]Fig.21 Tool life changes with cutting speed during conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting of high-temperature alloys[58]

图22 切削加工高温合金时普通切削与高速超声波动式切削刀具磨损随切削长度变化[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响着其使役性能(如疲劳性能、耐磨损性能和耐腐蚀性能),这一点已经逐渐受到工业界和学术界的广泛认同，尤其是对高附加值及产品可靠性要求较高的行业。在航空航天工业中，表面完整性是评价零部件加工表面质量最重要的指标之一。表面完整性不仅包括表面形貌特征，还包括物理及冶金特性，如残余应力、显微硬度、亚表面微结构等。

图23 不同切削状态下表面形貌图(放大100 倍，φ为相位差的取值)[76]Fig.23 Surface topography in different cutting conditions (magnification 100 times, φ represents the value of phase shift)[76]

图23为普通切削和高速超声波动式切削在开环和闭环控制下得到的已加工表面形貌。在开环DDS控制模态下，图23(a)中的凹坑排列杂乱无序，其表面粗糙度=0.785 μm。当采用闭环DDS控制时，在图23(b)中，表面凹坑排列整齐有序，相邻两圈的凹坑排列相位差为常数。因此闭环DDS控制能够控制表面的尖点高度，从而优化了表面质量，表面粗糙度可达到0.303 μm，接近图23(c)所示的普通切削表面质量(=0.204 μm)。在普通切削后形成的表面呈现等距相间的规则沟槽，故而表面形貌最稳定。图23(d)～图23(f)分别为相位差=π/3,2π/3,3π/4 条件下闭环DDS控制模式下的表面形貌。表面粗糙度跟随相位差变化的趋势并不能仅仅通过任取给定的两点的变化来判断。不同相位差下，工件的表面质量形貌虽然依旧排列规则整齐，但其表面粗糙度会发生波动，其数值介于开环DDS 控制模式和普通切削之间。在试验所示的条件下，相位差为2π/3 时，表面粗糙度=0.212 μm，接近普通切削表面。

刀具状态直接影响零部件的表面完整性，当使用新刀(后刀面磨损为0)加工镍基高温合金时，高速超声波动式切削获得的表面粗糙度和普通切削获得的表面粗糙度大致相等。同时，高速超声波动式切削获得了规律的表面微织构，而普通切削具有明显的直线进给条纹(图24)。当使用磨损的刀具时，高速超声波动式切削相比于普通切削获得了较低的表面粗糙度，如图25、图26所示，其中为切削速度，、分别为微观不平度十点高度和轮廓峰谷总高度。

除了表面粗糙度的降低，由于间断切削特性以及刀具负后角现象的存在，相比于普通切削，高速超声波动式切削在加工镍基高温合金时获得了更高的表面硬度(图27)、更高的表面压缩残余应力(图28)以及更厚的亚表面变形层(图29)。

图24 普通切削和高速超声波动式切削使用新刀获得的已加工表面形貌对比(切削速度:160 m/min,高压冷却条件)[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]

图25 高压冷却条件下普通切削和高速超声波动式切削使用磨损刀具获得的已加工表面形貌对比[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]

图26 高压冷却条件下普通切削和高速超声波动式切削使用磨损刀具获得的表面粗糙度对比[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]

当高速切削钛合金时，相比于普通切削，高速超声波动式切削同样获得了更高的表面硬度和表面压缩残余应力，以及更厚的亚表面变形层(图30，其中、分别为进给速度方向和切削深度方向的振幅，为切削速度)。同时，相比于钛合金基体材料(图31(a)、图31(b))、普通切削(图31(c)、图31(d))，高速超声波动式切削(图31 (e)、图31(f))呈现出纳米显微结构，说明高速超声波动式切削具有表面强化功能。这些表面完整性的改善有益于零部件使役性能的提升。

图27 普通切削和高速超声波动式切削加工镍基高温合金表面硬度对比[59]Fig.27 Comparison of surface hardness of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

图28 普通切削和高速超声波动式切削加工镍基高温合金表面残余应力对比[59]Fig.28 Comparison of residual stress on surface of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

图29 普通切削和高速超声波动式切削加工镍基高温合金亚表面变形层对比[59]Fig.29 Comparison of subsurface deformation layers of nickel-based superalloys processed by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[59]

图30 普通切削和高速超声波动式切削加工钛合金亚表面变形层对比[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，当加工钛合金疲劳样件时，相比于普通切削，使用高速超声波动式切削可获得更高的表面硬度和表面压缩残余应力，以及更厚的亚表面变形层(图32)。通过拉伸疲劳试验可知，相比于普通切削，使用高速超声波动式切削获得的试件疲劳寿命可提高10.4倍。经过疲劳断口分析，可以看出普通切削的疲劳裂纹源在试件表面(图33)，而高速超声波动式切削的疲劳裂纹源在试件亚表面(图34)。

图31 钛合金基体、普通切削及高速超声波动式切削的显微结构对比[77]Fig.31 Microstructure comparison of titanium alloy matrix, conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[77]

图32 普通切削和高速超声波动式切削加工疲劳样件亚表面变形层对比[73]Fig.32 Comparison of subsurface deformation layers of fatigue samples machined by conventional cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[73]

图33 普通切削加工样件疲劳裂纹源[73]Fig.33 Fatigue crack source of conventional cutting-machined samples[73]

图34 高速超声波动式切削加工样件疲劳裂纹源[73]Fig.34 Fatigue crack source of high-speed ultrasonic vibration cutting-machined samples[73]

3 结 论

1) 高速超声波动式切削这一超声加工新模式可有效降低切削力和切削热、延长刀具寿命，为实现钛合金、镍基高温合金、复合材料等难加工材料的高质加工提供了有效途径。

2) 通过合理设置参数，高速超声波动式切削可在任意切削速度下实现刀具和工件的分离。同时，已证明的降力降温特性为改善难加工材料切削加工性提供了技术基础。

3) 高速超声波动式切削可有效提高刀具寿命，具体表现为：在保证工件质量在精加工范畴内，钛合金的切削速度可提升至400 m/min并使刀具寿命提高7倍，镍基高温合金的切削速度可提升至240 m/min并使刀具寿命提高3倍。

4) 高速超声波动式切削可实现相位可控，这为实现精细化切削、保证加工质量和提升加工效率提供了有力保障。

5) 高速超声波动式切削可有效改善表面完整性。具体表现为：降低表面粗糙度、增加零件表面硬度和压缩残余应力、增加亚表面变形层厚度等。

当前，高速超声波动式切削方法在改善难加工材料切削加工性和表面完整性方面取得初步应用。在未来研究中，需要对硬度和残余应力分布、零部件使役性能等方面进行深入研究，为航空航天难加工材料的高性能制造提供支撑。