航空难加工材料高速超声波动式切削方法

随着科技发展，人类对航空装备的性能需求日益提高，实现难加工材料制造愈发重要。航空装备需要具备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材料在航空航天领域得到了广泛运用，但是这些材料也被认为是航天领域中的难加工材料。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%。

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。超声加工作为一种典型的特种加工技术，在难加工材料制造领域得到了广泛应用。

高速超声波动式切削技术的应用效果：

①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。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。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，同时可获得更高的切削速度。

②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），刀具状态直接影响零部件的表面完整性，当使用新刀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。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。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，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。

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