（莆田學(xué)院 新工科產(chǎn)業(yè)學(xué)院，福建 莆田 351100）

鈦合金作為一種優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，因其比強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕性好和彈性模量低等突出優(yōu)點(diǎn)，特別是在高溫（300～400 ℃）條件下仍可保持這些特性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，成為該領(lǐng)域的重要工程材料之一，可用于制造飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動機(jī)葉片、渦輪盤等零部件[1—2]。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，Ti6Al4V 在波音787 和F-22 戰(zhàn)斗機(jī)上的使用率分別約為15%和42%，并且需求用量在不斷增加[3—4]。由于其熱導(dǎo)率低、化學(xué)親和性強(qiáng)、變形系數(shù)小等特點(diǎn)[5]，鈦合金在切削過程中容易導(dǎo)致切削力過大，加工表面燒傷，易與刀具發(fā)生粘結(jié)反應(yīng)，從而加劇刀具的磨損與失效，進(jìn)而影響工件表面質(zhì)量和加工效率，屬于典型的難加工材料[6]。由于鈦合金零件對表面損傷和缺陷的高度敏感性，在航空航天領(lǐng)域，緊固件孔表面加工質(zhì)量對緊固件孔的抗疲勞性能和埋頭螺釘緊固件的連接強(qiáng)度有很大影響[4]，因而，如何對鈦合金進(jìn)行高效率、高質(zhì)量和低成本加工以獲得良好的加工質(zhì)量，仍然充滿困難和挑戰(zhàn)。

為了切實(shí)提高鈦合金的切削加工性能，國內(nèi)外學(xué)者不斷對現(xiàn)有的加工方式進(jìn)行深入研究與改進(jìn)，并開發(fā)出一些新的加工方式。近些年，超聲振動輔助切削作為一種新穎而有效的加工技術(shù)，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用在鈦合金切削加工領(lǐng)域。

1 超聲振動輔助切削技術(shù)分類

超聲振動輔助切削在20 世紀(jì)50 年代由日本學(xué)者隈部淳一郎教授[7]提出，隨后得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。1993 年學(xué)者SHAMOTO E 和MORIWAKI T[8]提出了超聲橢圓振動加工技術(shù)，克服了單向超聲振動切削容易出現(xiàn)的崩刃問題，為超聲振動輔助切削走向工程應(yīng)用邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。在超聲振動輔助切削中，高頻電能通過壓電/磁致伸縮換能器轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動，變幅桿將高頻機(jī)械振動進(jìn)行放大，并傳遞給超聲振動單元，從而實(shí)現(xiàn)超聲振動切削。按照振動方向的不同，超聲振動輔助切削過程一般可以分為3 種類型：①單向振動方向與切削方向相一致（CDVA）；② 單向振動方向與切削方向相垂直（NDVA）；③雙向橢圓振動（EVA），如表1 所示[9]。

表1 UVMA 的3 種類型[9]Tab.1 Three types of UVAM

超聲振動輔助切削加工技術(shù)屬于復(fù)合加工技術(shù)的一種，該技術(shù)沿一定方向在刀具或工件上施加頻率高于15 kHz 和微米級振幅的高頻振動，從而引起刀具或工件的高速轉(zhuǎn)動、進(jìn)給運(yùn)動和高頻振動復(fù)合切削運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刀具與工件相對位置的周期性變化[10]，因此，相較于傳統(tǒng)切削加工方式，超聲振動輔助切削工件與刀具周期性的分離運(yùn)動，由連續(xù)切削變?yōu)閿嗬m(xù)切削，使材料在切削過程中的熱機(jī)行為發(fā)生變化。相關(guān)研究表明，超聲振動輔助切削可有效降低切削力，降低切削溫度，提高工件表面加工質(zhì)量以及減少刀具磨損[11—13]，因而，在鈦合金切削研究領(lǐng)域，超聲振動輔助切削技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外學(xué)者在鈦合金超聲振動輔助切削的切削力、切削溫度、表面質(zhì)量、刀具磨損和新技術(shù)的應(yīng)用等方面開展了大量研究工作。

2 鈦合金超聲振動輔助切削研究現(xiàn)狀

2.1 切削力研究

切削過程中的切削力即工件和刀具受到的載荷，是表征加工過程的一個重要工藝參數(shù)。切削力的研究對于切削機(jī)理、監(jiān)控切削過程、功率消耗計(jì)算及制定合理切削用量等方面有重要意義。鈦合金由于其變形系數(shù)小、硬化現(xiàn)象嚴(yán)重、硬度高等特性，切削過程往往會伴隨較大的切削力，這對工件切削加工質(zhì)量和刀具使用壽命都有很大的影響，因而，切削力的下降對于提高鈦合金的加工精度和效率，延長刀具使用壽命以及提高系統(tǒng)工藝穩(wěn)定性等具有重要意義。

RIAZ M 等[14]研究指出，將超聲振動施加到刀具之上可以使切削力的切向分量顯著減小，降幅約為74%。倪陳兵等[15]進(jìn)行了超聲振動輔助銑削和普通銑削鈦合金對比試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，超聲銑削力信號幅值顯著下降，切削力的幅值隨著振動振幅的增加而減小，普通切削力的曲線為單條連續(xù)曲線，而超聲切削力由致密的脈沖束構(gòu)成。姜興剛等[16]采用雙彎橢圓振動形式使刀具產(chǎn)生橢圓振動，由于超聲橢圓振動的引入，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)刀尖的高線速度，使銑削力降幅達(dá)到50%左右，如圖1 所示。

圖1 切深0.5 mm 切削力測量結(jié)果[16]Fig.1 Milling force curves (milling depth:0.5 mm)

AGOSTINO M 等[17]同樣得出超聲振動切削可以大幅降低切削力的試驗(yàn)結(jié)論，測得切削力的切向分量（主切削力）降幅為70%～75%，而切削力的徑向分量降幅為71%～88%，如圖2 所示。由于刀具與工件的接觸時間縮短，刀具與工件之間的間歇接觸將有效減少前刀面上的摩擦，實(shí)際上增大了剪切角。

圖2 CT 和UAT 的切削力對比[17]Fig.2 Cutting force components for CT and UAT

張明亮等[18]對鈦合金航空薄壁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行超聲橢圓振動切削，分析表明，超聲橢圓振動銑削加工過程中的切削力降幅可達(dá)35%以上。HU K M 等[19]指出，超聲振動使得刀具與工件的接觸率降低，從而減小切削力。楊杰等[20]認(rèn)為，超聲振動鉆削在單位時間和長度內(nèi)，去除材料的體積更小，并且刀具不斷對工件表面進(jìn)行高頻沖擊，從而在工件表面產(chǎn)生大量的微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生利于材料去除，導(dǎo)致切削力降低。童景琳等[21]基于ABAQUS 力-熱耦合模型，研究鈦合金超聲橢圓振動切削深度和切削速度對主切削力降低比例的影響規(guī)律，仿真結(jié)果指出，采用小的切削深度得到的主切削力降低比例較大，即主切削力降低效果較好，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 切削溫度研究

鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低是其切削過程中伴隨著高溫的重要原因之一，特別是在鉆削加工較為封閉的環(huán)境下，高溫聚集效應(yīng)更為明顯。切削刃局部的高溫會加劇刀具磨損、黏刀等問題，降低刀具的使用壽命，從而嚴(yán)重影響鈦合金的加工質(zhì)量、降低使用性能和制約加工效率。

趙甘霖等[22]對比分析了傳統(tǒng)鉆削、超聲縱振鉆削、超聲縱扭復(fù)合振動鉆削的最高鉆削溫度，分別為437，528，363 ℃，平均鉆削溫度分別為100，50，40 ℃左右。NARESH K M 等[23]分別研究低頻（500 Hz）和高頻（20 kHz）超聲振動對切削溫度的影響，分析指出，超聲振動切削的斷續(xù)切削特性便于切削溫度的耗散，高頻超聲振動溫度降低幅度更大。CHEN J B 等[24]建立非均勻移動熱源模型，研究了振動振幅和頻率對溫度場分布規(guī)律的影響。SANDIP P等[25]采用有限元建模和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究鈦合金超聲振動切削過程，研究表明，超聲振動切削可使鈦合金的熱軟化強(qiáng)度降低，最高溫度降低25%左右，如圖3 所示。

圖3 CT 和UAT 的切削溫度對比[25]Fig.3 Temperature comparison of CT and UAT

2.3 表面質(zhì)量研究

鈦合金由于導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫強(qiáng)度高，在切削加工中的可加工性仍然很差。鈦合金工件的表面完整性對其耐腐蝕性、耐磨性、疲勞強(qiáng)度等產(chǎn)生重要影響，從而影響工件的服役壽命。工件表面完整性的評價指標(biāo)主要包括棱邊質(zhì)量、表面形貌、表面粗糙度、殘余應(yīng)力以及其他表征指標(biāo)。

喻宏慶等[26]建立徑向超聲振動輔助銑削試驗(yàn)平臺，研究切削參數(shù)和振動幅值對鈦合金切削表面粗糙度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，徑向超聲振動銑削加工工件表面上的刀痕更加平整、分布更加均勻，并且超聲振動使刀具產(chǎn)生的巨大加速度可以有效減少工件表面劃痕和積屑瘤等現(xiàn)象。另外，試驗(yàn)進(jìn)一步指出振幅為16 μm 時表面粗糙度最小。BAI W 等[27]研究表明，超聲振動比傳統(tǒng)切削的加工表面平均晶粒尺寸更大，表面均勻性更好。侯書軍等[28]研究表明，引入軸向低頻振動輔助鉆孔方式可有效打斷鈦合金切屑，鈦合金切屑可以更順利排出孔外，帶走孔區(qū)的熱量，因而切削溫度比普通鉆孔方式降低約45%，從而減輕了鈦合金切屑對CFRP 層的摩擦損傷和熱損傷，提高了鉆孔質(zhì)量。張習(xí)芳等[29]通過試驗(yàn)研究了超聲振動輔助切削鈦合金的表面完整性，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以有效抑制工件棱邊毛刺的產(chǎn)生，利于提升表面殘余壓應(yīng)力，并且表面均勻程度得到改善。路冬等[30]試驗(yàn)研究表明，施加超聲橢圓振動可以提高工件表面均一性，并且可以在工件表面形成沿切削速度方向的有規(guī)律振紋。PEI L等[31]研究了振幅對工件表面質(zhì)量的影響規(guī)律，研究表明，工件表面粗糙度隨振幅的增大而減小，如圖4 所示。振幅為2 μm 的表面粗糙度小于10 nm，加工表面較其他振幅光滑。隨著振幅的增大，刀具與工件在切削過程中的非接觸距離增大。刀具與工件的分離導(dǎo)致了切削溫度降低，從而降低了刀具的磨損，因而加工表面的質(zhì)量大大提高了。

1923年7月，蔡元培偕夫人周養(yǎng)浩(1892—1975)和子女再度赴歐洲學(xué)習(xí)考察，先居住于比利時布魯塞爾，次年1月移居法國。1924年8月，蔡元培自法國赴荷蘭、瑞典參加一個關(guān)于哥倫布未發(fā)現(xiàn)新大陸之前美國民族問題的國際民族學(xué)會議，巧遇但采爾。此時，但采爾已從萊比錫大學(xué)博士畢業(yè)，在漢堡大學(xué)做教授。

圖4 不同振幅的工件表面圖像[31]Fig.4 Roughness profile of described under the different amplitudes

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生取決于工件的塑性變形，由機(jī)械載荷引起的殘余應(yīng)力占主導(dǎo)因素，表面殘余應(yīng)力對加工表面的疲勞壽命和摩擦學(xué)性能有重要影響。在外載荷的反復(fù)作用下，殘余拉應(yīng)力會引起腐蝕部位和表面微裂紋的擴(kuò)展，從而降低工件的疲勞壽命[32]。NARESH K M 和VAMSI K P[33]研究發(fā)現(xiàn)，由于超聲振動降低了工件的熱效應(yīng)，殘余壓應(yīng)力比傳統(tǒng)切削高35%左右，從而提高了工件的抗疲勞性能。SANDIP P 等[34]基于彈塑性有限元方法研究鈦合金切削過程，結(jié)果表明，超聲振動引起的殘余壓應(yīng)力較高，并通過對切削機(jī)理和微觀組織的研究，驗(yàn)證了該模型的正確性。

2.4 刀具磨損研究

刀具的磨損狀態(tài)對于刀具的使用壽命、工件的表面質(zhì)量以及加工效率有重要影響。鈦合金由于其熱導(dǎo)率低、化學(xué)親和性強(qiáng)、變形系數(shù)小等特點(diǎn)，在切削過程中的刀具磨損和失效相對其他材料更為嚴(yán)重，因而，如何提高鈦合金切削刀具的使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

DING H 等[35]分析了振動參數(shù)對銑削鈦合金表面粗糙度和刀具磨損的影響，結(jié)果表明，無振動時刀具的磨損長度（65 mm）比有振動時（54 mm）得大，如圖5 所示。與傳統(tǒng)的微端銑刀相比，超聲振動切削可以降低刀具磨損約5%～20%，較大的振幅和較高的頻率有助于減少刀具磨損。

圖5 刀具磨損圖像[35]Fig.5 Photos of tool wear

閆明鵬等[36]試驗(yàn)研究表明，相對于普通鉆削加工，超聲振動鉆削的減磨作用可以降低切削刃所承受的切削力和扭矩，從而有效降低刀具的磨損。童景琳等[37]通過鈦合金球頭刀具超聲縱-扭復(fù)合銑削動力學(xué)理論建模的方法，研究刀具磨損特性，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出超聲縱-扭銑削方式下，刀具后刀面的磨損量VB 為103 μm，相較普通切削方式下降了38 μm。LI Z 等[38]對比研究傳統(tǒng)鉆削（CC）與超聲振動鉆削（UVC）對鈦合金制孔質(zhì)量以及刀具的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同樣制孔數(shù)量為50 的前提下，采用UVC方式的制孔質(zhì)量顯著優(yōu)于CC 方式，CC 方式的前刀面和后刀面磨損程度重于UVC 方式，CC 方式和UVC方式后刀面的 VBmax分別為 0.6～0.7 mm 和 0.2～0.3 mm。山東大學(xué)馬超等[39]研究了超聲振動輔助銑削對鈦合金表面形貌及摩擦磨損性能的影響。分析指出，超聲振動使摩擦磨損表面的溝槽劃痕變淺，出現(xiàn)有規(guī)律的表面犁削劃痕，從而改善了加工工件表面的抗摩擦磨損性能。

3 新技術(shù)的應(yīng)用

近年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷探索超聲振動輔助切削的工藝創(chuàng)新和新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。高頻斷續(xù)切削是超聲振動輔助切削的主要特征之一。超聲振動輔助切削過程中刀具和工件發(fā)生分離的臨界條件為：振動速度的最大值大于沿振動方向的切削速度分量，即vwmax＞vX，否則即為傳統(tǒng)的切削方式[40]。

圖6 3 種不同超聲振動方式說明[41]Fig.6 Illustration of three different ultrasonic vibration processes

圖7 電塑性-超聲振動耦合輔助車削示意圖[44]Fig.7 Illustration of the coupled electro-plasticultrasonic vibration assisted machining

廖鵬飛等[44]將電塑性與超聲振動耦合，進(jìn)行鈦合金車削試驗(yàn)，如圖7 所示。結(jié)果表明，相較普通車削和常規(guī)超聲振動輔助切削，電塑性-超聲振動耦合輔助車削的切削力降低幅度最大，并且表面質(zhì)量較前兩種加工方式有了明顯的改善。RIAZ M 等[45]提出在超聲振動切削的基礎(chǔ)上向被加工工件提供外部熱量，如圖8 所示，從而形成超聲-熱復(fù)合加工方式。研究表明，鈦合金的車削性能得到了顯著改善，高溫使鈦合金的強(qiáng)度下降，從而切削力大幅度下降，提高了材料的去除率。

圖8 復(fù)合加工過程示意圖[45]Fig.8 Illustration of the hybrid machining process

4 結(jié)語

近年來，隨著鈦合金在航空航天、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)外學(xué)者不斷對鈦合金加工技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，促進(jìn)了超聲振動輔助切削鈦合金技術(shù)的不斷進(jìn)步，在以后的進(jìn)一步研究可以關(guān)注以下方面。

1）高速超聲振動輔助切削工程應(yīng)用可行性研究。鈦合金的高質(zhì)高效加工一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前鈦合金高速超聲振動切削主要還是處于試驗(yàn)可行性的階段，如何將該技術(shù)與實(shí)際工程的復(fù)雜工況和需求有機(jī)結(jié)合起來，是實(shí)際工程應(yīng)用需要解決的問題。

2）超聲振動輔助切削微觀組織演變規(guī)律的深入研究。超聲振動輔助切削是一種對于提高鈦合金的切削加工性能非常有潛力的復(fù)合加工技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者大部分基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象宏觀分析超聲振動切削機(jī)理，但對于直接影響工件服役性能的微觀組織尚缺乏深入研究。

3）超聲振動輔助切削專用設(shè)備的開發(fā)。目前該技術(shù)所研究的切削力、切削溫度、刀具磨損等，大部分還處在試驗(yàn)平臺的搭設(shè)和設(shè)計(jì)專用夾具階段，但由于實(shí)際工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，簡單的試驗(yàn)平臺無法滿足需求，專用設(shè)備還較為少見，因此，實(shí)現(xiàn)鈦合金的高效高質(zhì)加工需要重點(diǎn)研究開發(fā)超聲振動輔助切削專用設(shè)備。

4）與切削仿真技術(shù)的結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)在切削加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。切削仿真技術(shù)可以得到試驗(yàn)過程中不易觀測或測量的物理量，對于進(jìn)一步研究超聲振動輔助切削機(jī)理有重要意義。

5）復(fù)合加工技術(shù)的結(jié)合。如前文所述，電塑性-超聲振動耦合技術(shù)與超聲振動-熱復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用可以獲得更優(yōu)的切削加工性能，因此，探索更多與超聲振動切削復(fù)合的加工技術(shù)對于進(jìn)一步提升鈦合金的切削加工性能具有現(xiàn)實(shí)意義。

對于鈦合金超聲振動輔助切削的研究涉及許多方面，將材料、刀具、振動系統(tǒng)、新技術(shù)等方面如何有機(jī)地耦合，以實(shí)現(xiàn)鈦合金高效高質(zhì)加工，在未來的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和創(chuàng)新空間都是十分廣闊的，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的熱門課題之一。