劉戰(zhàn)強(qiáng) ,楊 東 , 王 兵

（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061； 2.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》，部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略規(guī)劃，制定了包括制造業(yè)創(chuàng)新能力、質(zhì)量效益、兩化融合和綠色發(fā)展4個(gè)方面的量化指標(biāo)。戰(zhàn)略規(guī)劃對(duì)發(fā)展航空裝備作出明確規(guī)定：加快大型飛機(jī)研制，適時(shí)啟動(dòng)寬體客機(jī)研制，鼓勵(lì)國(guó)際合作研制重型直升機(jī)；推進(jìn)干支線飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)和通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化；突破高推重比、先進(jìn)渦槳（軸）發(fā)動(dòng)機(jī)及大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)自主發(fā)展工業(yè)體系；開發(fā)先進(jìn)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產(chǎn)業(yè)鏈[1]。航空裝備業(yè)的發(fā)展，必然對(duì)相應(yīng)加工工藝提出更高的要求。高效加工工藝具有技術(shù)高效率、經(jīng)濟(jì)高效益和環(huán)境高能效等優(yōu)點(diǎn)，將在實(shí)現(xiàn)航空裝備制造戰(zhàn)略規(guī)劃的進(jìn)程中扮演至關(guān)重要的角色。

高效加工是一種以提高主軸轉(zhuǎn)速、增大進(jìn)給量和切削深度為主要技術(shù)手段，以高速、精密、復(fù)合、智能和環(huán)保[2]為評(píng)價(jià)指標(biāo)，包含高智能機(jī)床、高效刀具、高質(zhì)冷卻液及先進(jìn)切削后續(xù)加工技術(shù)的系統(tǒng)工程。近年來，國(guó)內(nèi)航空裝備業(yè)的機(jī)械加工技術(shù)迅速發(fā)展，為滿足航空零件采用新材料、新結(jié)構(gòu)的需求，高速切削加工技術(shù)，高效加工用新刀具、冷卻液，高完整性加工技術(shù)等的研究日益深入。本文對(duì)高效切削加工工藝及高完整性技術(shù)進(jìn)行綜述，對(duì)高速切削技術(shù)、復(fù)合加工技術(shù)、先進(jìn)刀具技術(shù)、高效冷卻技術(shù)和新型高完整性加工原理及其應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行介紹和分析。

高速切削技術(shù)在難加工材料典型零件中的應(yīng)用

高速切削加工（High Speed Machining-HSM或High Speed Cutting-HSC）概念最先由德國(guó)Carl J.Salomon 博士提出。通過對(duì)不同工件材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[3]，隨切削速度增加，切削溫度上升至峰值，切削速度繼續(xù)提高，切削溫度達(dá)到峰值后反而下降。切削溫度達(dá)到峰值時(shí)的切削速度稱為臨界切削速度。

高速切削加工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是加工機(jī)床、切削刀具、工件、加工工藝、切削過程監(jiān)控和切削機(jī)理等技術(shù)的集成[4]。不同的加工應(yīng)用領(lǐng)域及不同的加工材料對(duì)高速切削加工工藝的需求不同，高速切削速度范圍定義也不同。不同材料切削加工速度范圍如圖1所示[5]。

高速切削加工具有提高生產(chǎn)效率，減小切削力，提高加工精度和表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本并且可加工高硬材料等諸多優(yōu)點(diǎn)[6]，已在航空制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但高速切削技術(shù)在航空難加工材料（如鈦合金、鎳基高溫合金等）加工中的應(yīng)用卻還在起步階段。主要是因?yàn)檫@些材料在切削過程中單位切削力大；刀具磨損嚴(yán)重，刀具壽命短；易產(chǎn)生鋸齒狀切屑，造成切削力的高頻變換和加工過程的振動(dòng)，使工件表面質(zhì)量變差。

通過對(duì)高速切削鈦合金、鎳基高溫合金等航空合金材料時(shí)切屑的形成機(jī)理[7-8]、切削動(dòng)態(tài)特性[9]、切削溫度的分布[10]、切削參數(shù)敏感性分析[11]和表面完整性建模[12]等的研究表明，選擇合適的切削刀具，選用優(yōu)化的切削參數(shù)、走刀策略，以及恰當(dāng)?shù)墓ぜb夾方式，可以有效促進(jìn)高速切削技術(shù)在航空難加工材料中的應(yīng)用。

航空鈦合金及鎳基高溫合金高速切削常使用的刀具材料種類包括涂層硬質(zhì)合金、CBN/PCBN和 PCD等（見圖2[13]），由于鈦合金化學(xué)活性高，在切削過程中易與陶瓷和CBN/PCBN類刀具發(fā)生粘結(jié)磨損和氧化磨損，造成此類刀具磨損率過大。圖3[14]為涂層硬質(zhì)合金刀具銑削鈦合金Ti6Al4V時(shí)，切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。優(yōu)化的切削參數(shù)有助于高速切削加工表面質(zhì)量的提高。

圖1 不同材料切削加工速度范圍Fig.1 Cutting speed range of different materials

圖2 不同類型刀具切削鈦合金Ti6Al4V的磨損情況Fig.2 Different types of cutting tool wear when cutting titanium alloy Ti6Al4V

航空件按其結(jié)構(gòu)特征可以分為盤件類、鼓筒類、軸頸類和長(zhǎng)軸類零件等。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣為例，此類零件屬于典型薄壁鼓筒類零件，通常采用鈦合金或鎳基高溫合金制造，其主要加工工藝有5步：陶瓷銑刀車銑大端面-粗銑凸臺(tái)-銑孔-精加工仿型銑削孔加工。與采用硬質(zhì)合金銑刀的常規(guī)方法不同，陶瓷面銑刀可實(shí)現(xiàn)切削速度達(dá)1000m/min的高速加工，比硬質(zhì)合金銑刀的金屬去除率高5倍以上[15]。此外，薄壁鼓筒類零件剛度差，在徑向切削力的作用下容易發(fā)生變形。采用傳統(tǒng)軸向壓緊的方式無法約束工件的徑向位移，而借助合理的輔助裝夾設(shè)備（如扭力彈簧輔助裝置在機(jī)匣結(jié)構(gòu)件切削裝夾中的應(yīng)用[16]）可以有效降低高速切削產(chǎn)生的顫振和徑向切削力，保證工件的加工質(zhì)量。

多功能復(fù)合加工機(jī)床的應(yīng)用

通過一次性工件裝夾便可完成傳統(tǒng)的幾臺(tái)不同功能機(jī)床的加工，既節(jié)省了輔助加工時(shí)間，又減少了重復(fù)裝夾產(chǎn)生的誤差?，F(xiàn)代裝備制造業(yè)的發(fā)展使大量多功能、復(fù)合加工機(jī)床在解決航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工問題方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合加工機(jī)床按其集成方法的不同主要可以分為兩類。一類是基于工序集中原則，將多種機(jī)械加工工藝集成到一起的加工中心（如集成了車、銑、鏜、鉆、鉸等工藝的復(fù)合加工中心）；另一類是集成了特種加工和機(jī)械加工的方法（如集成了激光加工、電加工、增材制造與銑削、磨削等加工方式）的加工中心。通過多工序、多種類加工方式的復(fù)合，極大地提高了加工效率和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型難加工零件的高效、精密、柔性、自動(dòng)化加工。

采用高精度車銑復(fù)合加工中心加工異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多個(gè)形面的車、銑加工。如S-191FTL-R高精度車銑復(fù)合加工中心配備銑加工主軸、前車主軸、后車主軸，具有五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和雙主軸車床的功能。同步旋轉(zhuǎn)的前后車主軸，可同時(shí)夾緊同軸類零件的兩端進(jìn)行加工，加工剛性顯著提高，能很好地保證加工精度。異形復(fù)雜加工件從棒料到成品零件均在同一臺(tái)機(jī)床上加工完成，且只需要一次裝夾，加工時(shí)間在15min以內(nèi)。而采用傳統(tǒng)的單一機(jī)械加工方法，每個(gè)零件的加工時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8h。車銑復(fù)合加工中心的應(yīng)用可使加工效率提高30多倍[17]。

圖3 不同切削參數(shù)對(duì)鈦合金Ti6Al4V銑削表面粗糙度的影響Fig.3 Influences of different cutting parameters on surface roughness when milling titanium alloy Ti6Al4V

渦輪增壓殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工中材料去除量大（從毛坯到零件加工完成，需要銑削切除金屬的比例有的達(dá)70%以上），采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法加工時(shí)間和材料成本高，而采用激光堆焊和銑削的復(fù)合加工技術(shù)可以大大減少加工時(shí)間和材料成本（如采用德馬吉森精機(jī)（DMG MORI）公司生產(chǎn)的LASERTEC 65 3D復(fù)合加工中心，通過激光堆焊一次制造出喇叭口端的結(jié)構(gòu)，再通過銑削加工的方式對(duì)其進(jìn)行精加工，最終制造出符合設(shè)計(jì)要求的渦輪增壓殼體[18]）。

先進(jìn)刀具技術(shù)進(jìn)展及在高效加工中的應(yīng)用

刀具性能是影響切削加工效率、精度和表面質(zhì)量等的決定因素之一，而決定刀具性能的主要因素包括刀具結(jié)構(gòu)和刀具材料兩方面。傳統(tǒng)切削刀具難以滿足航空行業(yè)中難加工材料的加工要求。受刀具材料本身機(jī)械、熱等性能的制約，要提高加工效率和加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命等均面臨挑戰(zhàn)。隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展和難加工材料的不斷涌現(xiàn)，尋求更佳的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)高加工效率、高加工質(zhì)量、長(zhǎng)刀具壽命的綜合目標(biāo)。新興刀具（如整體陶瓷刀具、涂層刀具和復(fù)合刀具等）以其超高硬度和良好的高速切削性能，已被逐漸應(yīng)用于航空難加工材料的高速高效加工中。

山東大學(xué)對(duì)高速切削陶瓷刀具材料進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究并取得了重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了多種陶瓷刀具的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)陶瓷刀具材料（如氧化鋁、氮化硅等）存在的強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)，成功制備了包括多元多尺度納米復(fù)合陶瓷、晶須增韌陶瓷和復(fù)合型金屬陶瓷等新型陶瓷刀具材料，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟涂層刀具、多重自潤(rùn)滑和自冷卻刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。Zhao等[19]提出了利用原位生長(zhǎng)TiB2棒晶實(shí)現(xiàn)陶瓷刀具材料增韌的熱壓燒結(jié)制備技術(shù)，原位生長(zhǎng)的TiB2棒晶有效抑制了高溫下刀具材料晶粒的滑移和晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了陶瓷刀具材料的高溫抗彎強(qiáng)度。Zheng等[20]采用粉末鋪填及熱壓燒結(jié)技術(shù)，制備了Sialon-Si3N4梯度納米復(fù)合陶瓷刀具材料，并研究了所制備刀具材料失效時(shí)的裂紋擴(kuò)展形式和斷裂機(jī)制，結(jié)果表明，所制備刀具材料中不同尺寸的Si3N4使材料微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)晶內(nèi)/晶間混合型，能夠增大刀具材料失效時(shí)的孿晶與位錯(cuò)密度，使裂紋擴(kuò)展時(shí)需要消耗更多能量，促進(jìn)了材料強(qiáng)度和斷裂韌性的提高。Deng等[21]利用飛秒激光在陶瓷刀具前刀面處刻蝕了微米級(jí)槽型織構(gòu)，并填充了WS2固體潤(rùn)滑劑，其摩擦磨損試驗(yàn)及切削試驗(yàn)表明，所涉及微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具有效降低了刀具前刀面摩擦系數(shù)，提高了刀具壽命。Wang和Liu[22]以碳氮化鈦（TiCN）作為耐磨相，金屬Ni、Co作為粘結(jié)相，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成的金屬陶瓷刀具材料體現(xiàn)出了比普通氮化硅與氧化鋁陶瓷刀具材料更高的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，所制成的刀具具有更長(zhǎng)的壽命。

肯納金屬公司首次推出兩種型號(hào)的KSY整體陶瓷立銑刀[23]，為鎳基高溫合金、淬硬鋼等難加工材料的切削速度和刀具壽命設(shè)立了新基準(zhǔn)，其粗加工時(shí)的切削速度可達(dá)1000m/min，刀具壽命達(dá)到相同幾何參數(shù)整體式硬質(zhì)合金刀具的2～3倍。

圖4為山東大學(xué)所磨制整體式陶瓷立銑刀與對(duì)比硬質(zhì)合金立銑刀的實(shí)物照片。圖5所示為4種整體式陶瓷立銑刀與對(duì)比硬質(zhì)合金立銑刀在槽銑淬硬鋼時(shí)的切削力。可見，除LT55陶瓷立銑刀外，其他3種陶瓷立銑刀的銑削力均明顯小于硬質(zhì)合金立銑刀，5種立銑刀銑削力由小到大依次為 Ti（C,N）、Si3N4、SG4、LT55、硬質(zhì)合金刀具。

圖4 整體式陶瓷立銑刀與硬質(zhì)合金立銑刀(由左至右分別為Si3N4、Ti(C,N)、SG4、LT55和硬質(zhì)合金刀具)Fig.4 Solid ceramics and cemented carbide end milling tools (from left to right the tools are Si3N4, Ti(C,N), SG4, LT55 and carbide respectively)

圖5 不同立銑刀切削時(shí)的切削力對(duì)比Fig.5 Cutting force comparison of different end milling tools

涂層刀具在韌性較高的刀具材料基體上涂覆一層或多層硬度、耐磨性好的難溶單質(zhì)或化合物，使刀具既能保持基體較高的韌性，又具有很高的硬度和耐磨性。根據(jù)刀具涂層技術(shù)不同，涂層刀具可分為化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition， CVD）涂層刀具和物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition， PVD）涂層刀具。

PVD技術(shù)不僅提高了涂層與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，而且涂層成分也由TiN發(fā)展到TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiNAlN、CNx等多元復(fù)合涂層。表1所示為幾種常用的涂層材料的物理力學(xué)性能[24]。中南大學(xué)徐銀超等[25]對(duì)新興的金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具性能進(jìn)行了綜述分析，指出金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體間較低的結(jié)合力是涂層刀具失效的主要原因，針對(duì)特種石墨、高硅鋁合金和復(fù)合材料等工件材料所具有的不同加工特性，加工時(shí)所需的金剛石涂層類型有所區(qū)別，具有較高結(jié)合力的微米/納米復(fù)合金剛石涂層是通用性較好的刀具。

復(fù)合刀具一般是幾個(gè)被加工特征組合在一把刀具上，通過一次進(jìn)給，便可完成多個(gè)或全部的加工。采用復(fù)合刀具加工，一方面可以減少生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，提高加工表面相互間位置精度（如端面與孔的垂直度、同一軸線上幾個(gè)孔的同軸度等精度）；另一方面，可以集中工序，減少機(jī)床數(shù)量，節(jié)約機(jī)床資源[26]。

復(fù)合刀具的結(jié)構(gòu)形式有：整體式、裝配式、可轉(zhuǎn)位式、組合式；組合類型有：復(fù)合鉆、復(fù)合鉸、復(fù)合擴(kuò)、復(fù)合鏜、復(fù)合锪；鉆锪、鉆擴(kuò)、鉆倒角、擴(kuò)鏜、鉆擴(kuò)鉸、擴(kuò)鉸、擴(kuò)锪、鉆鏜、鉆擴(kuò)锪、鉆鉸鉸、鏜鉸等。

如圖6所示復(fù)合刀具包括鉆削和研磨兩部分，復(fù)合刀具經(jīng)過一次裝夾定位，在一個(gè)加工過程中完成鉆孔和研磨去毛刺兩道工序，提高了加工效率，改善了加工質(zhì)量[27]。通過比較普通麻花鉆和復(fù)合刀具在相同條件下加工微孔后進(jìn)刀口和出刀口的毛刺情況，發(fā)現(xiàn)復(fù)合刀具加工后的微孔質(zhì)量要遠(yuǎn)好于麻花鉆的加工。

圖6 復(fù)合刀具鉆孔、研磨去毛刺過程Fig.6 Steps of drilling and grinding to remove the burr by compound tool

高效冷卻技術(shù)在高效加工中的應(yīng)用

根據(jù)切削過程中冷卻方式的使用情況可以將切削分為干切削、半干切削以及濕切削3種切削方式。

高速干切削由于缺乏了切削液的冷卻、潤(rùn)滑、排屑等功能，同時(shí)又要保證高效率、高產(chǎn)品質(zhì)量、長(zhǎng)的刀具壽命以及切削過程的可靠性，故干切削過程中切削參數(shù)的選擇尤為重要。選擇較高的切削速度，可以減少刀具與工件的接觸時(shí)間，避免切削區(qū)溫度過高，進(jìn)而影響刀具壽命和工件加工質(zhì)量。

半干式切削用氣體加微量無害油劑代替切削液冷卻、潤(rùn)滑、排屑等作用，主要有微量潤(rùn)滑（MQL）切削、超低溫冷卻切削和低溫冷風(fēng)切削。微量潤(rùn)滑切削是將壓縮氣體與微量潤(rùn)滑劑混合并霧化，噴射至切削區(qū)，既改善了切削過程中的冷卻潤(rùn)滑條件，又降低切削液的使用成本，不污染環(huán)境，在“綠色制造”為主題的背景下具有廣泛的應(yīng)用前景。

超低溫切削利用超低溫流體（如液態(tài)氮、液態(tài)二氧化氮等）噴向切削區(qū)域，降低切削區(qū)溫度，提高刀具壽命和工件表面質(zhì)量。超低溫切削利用加工材料在低溫條件下產(chǎn)生的低溫脆性，有效地改善了工件材料的可切削加工性，特別是對(duì)一些難加工材料（如鈦合金、不銹鋼等）。超低溫切削需根據(jù)工件和刀具的特征設(shè)定最佳加工溫度，并控制低溫流體的噴射量，此技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大、成本高，應(yīng)用范圍不廣泛。

表1 幾種常用涂層材料的物理力學(xué)性能

低溫冷風(fēng)切削采用-10～-100℃的壓縮低溫氣流并加入微量的植物性潤(rùn)滑劑進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。此技術(shù)是在MQL切削加工的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，除了具有MQL切削的優(yōu)點(diǎn)外，還能延長(zhǎng)刀具壽命，改善工件表面質(zhì)量，因此受到了越來越多研究者的關(guān)注。圖7所示為干式、油劑、MQL與低溫冷風(fēng)車削時(shí)的刀具切削壽命對(duì)比，采用低溫冷風(fēng)切削，刀具壽命可以延長(zhǎng)兩倍以上[28]。圖8所示為直角切削鈦合金時(shí)干切削、MQL切削、低溫切削條件下加工表面粗糙度和顯微硬度變化規(guī)律，結(jié)果表明，在相同切削參數(shù)下，低溫切削下鈦合金表面質(zhì)量最好[29]。

雖然干切削、半干切削技術(shù)的研究推進(jìn)了少、無切削液加工技術(shù)的發(fā)展，但是這些技術(shù)還未普及到企業(yè)實(shí)際加工生產(chǎn)中，濕切削仍然占有重要地位。近年來，由于油基切削液對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且運(yùn)行成本大，逐漸被水基切削液所取代。在水基切削液的基礎(chǔ)上改進(jìn)切削液的各項(xiàng)成分，研發(fā)綠色切削液也是目前高效切削加工中的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

除研發(fā)使用經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的綠色切削液之外，采用先進(jìn)的冷卻工藝系統(tǒng)能有效提高冷卻效率（如智能高壓冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用）。傳統(tǒng)溢流冷卻工藝中，切削液無法有效、準(zhǔn)確達(dá)到切削區(qū)，且在加工區(qū)域會(huì)因局部加熱而形成一道蒸氣隔離層降低加熱效率。采用高壓冷卻系統(tǒng)（切削液壓力＞7MPa），高壓冷卻液可快速將積熱與切屑從切削處移除，從而確保刀具不產(chǎn)生積屑瘤，使刀具不產(chǎn)生失效磨損，大大延長(zhǎng)刀具使用壽命；高壓冷卻液使切屑脆性增加，易于折斷，從而獲取短小切屑，且刀具磨損慢，切屑更加穩(wěn)定，能獲得更加光滑的加工表面；高壓冷卻液能獲取短小切屑，從而省去因長(zhǎng)切屑纏繞而需人工清除及停機(jī)的時(shí)間，且刀具磨損慢，更換刀具時(shí)間短，效率提高1.5～3倍。

圖7 干式、油劑、MQL與低溫冷風(fēng)車削時(shí)的刀具切削壽命對(duì)比Fig.7 Comparison of turning tool life under cooling conditions of dry, oiling agent,MQL and cryogenic cold wind

圖8 不同切削條件下鈦合金表面粗糙度值與表面顯微硬度變化規(guī)律Fig.8 Surface roughness and surface microhardness of titaniun alloy under different cutting conditions

高完整性加工技術(shù)

切削過程中，在機(jī)床、刀具和工件之間的相互作用下，很難完全避免在加工表面產(chǎn)生的走刀劃痕、魚鱗、銹蝕、雜質(zhì)吸附等表面缺陷。如圖9所示為鈦合金Ti6Al4V銑削加工表面典型缺陷[14]。這些缺陷造成加工工件服役過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使微裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展為疲勞裂紋，最終導(dǎo)致零件失效。加工表面缺陷的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，在切削過程中控制缺陷的數(shù)量、位置變得非常困難。另一方面，切削加工表面殘余應(yīng)力常表現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)，加劇了微裂紋的擴(kuò)展。因此，為保證工件的使用性能和服役壽命，切削后續(xù)工藝如噴砂（丸）、滾壓、拋光等高完整性加工技術(shù)的應(yīng)用必不可少。近年來，伴隨傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝技術(shù)的發(fā)展成熟，新興工藝如低塑性滾壓、超聲滾壓、微噴砂、超聲噴丸和激光噴丸等技術(shù)的應(yīng)用也日漸廣泛[30]。

圖9 鈦合金Ti6Al4V銑削加工表面典型缺陷Fig.9 Typical surface defects when milling titanium Ti6Al4V

滾壓強(qiáng)化是一種無切屑表面處理技術(shù)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)表面光整和表面層強(qiáng)化。對(duì)于多數(shù)應(yīng)用環(huán)境，它可代替材料的表面強(qiáng)化處理（如表面淬火、鍍鉻等），可以作為精加工工序取代研磨、珩磨、拋光等技術(shù)。滾壓加工下的材料發(fā)生彈塑性變形，當(dāng)滾壓力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，變形區(qū)金屬晶粒發(fā)生滑移、位錯(cuò)以及破碎，產(chǎn)生材料的塑性流動(dòng)行為，當(dāng)滾壓力撤除之后，在材料表面層產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化現(xiàn)象，零件疲勞強(qiáng)度大幅提高[31]。低塑性滾壓采用高壓液壓油或冷卻液提供滾壓力，它的主要作用是產(chǎn)生較高的殘余壓應(yīng)力（能達(dá)到噴丸強(qiáng)化的4倍）提高零件的疲勞壽命。超聲滾壓則是在傳統(tǒng)滾壓加工的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)滾壓刀具或材料施加一定幅度的超聲振動(dòng)。利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點(diǎn)，使材料產(chǎn)生彈塑性變形。選擇合理的加工參數(shù)，超聲滾壓可以在半精車的基礎(chǔ)上一次加工即可達(dá)到鏡面效果，表面粗糙度Ra達(dá)到0.2μm以下，工件的表面顯微硬度提高20%以上，并且大大提高了工件的表面耐磨性和耐腐蝕性。生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)以精密車削和超聲滾壓金屬鏡面加工代替磨削加工，可加工外圓、內(nèi)孔、錐面、圓弧、端面、溝槽等，加工效率能夠提高3倍以上，刀具消耗費(fèi)用降低50%以上。

圖10[32]為鈦合金材料Ti6Al4V精密車削與低塑性滾壓表面輪廓。從圖10中可以看出，經(jīng)過滾壓加工的材料表面殘留“波峰”和“波谷”大大減少，約為車削表面的1/10，并且工件表面輪廓曲線的尖峰突變部位也基本被消除。相對(duì)于普通滾壓方式，要使?jié)L壓后的工件表面達(dá)到相同的殘余應(yīng)力分布，超聲滾壓只需施加較小的載荷。

噴砂工藝以壓縮空氣為動(dòng)力，將磨料高速噴射到工件表面，磨料的沖擊作用使工件表面產(chǎn)生塑性變形，提高工件表層硬度和殘余壓應(yīng)力水平；有鋒利邊緣的磨料還對(duì)工件表面產(chǎn)生微切削作用，改善工件表面粗糙度的一致性、均勻性，提高工件的疲勞壽命[33]。

超聲噴丸將超聲波能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能撞擊工件表面，使工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，提高工件疲勞性能。圖11為經(jīng)超聲噴丸處理后，Ti6Al4V合金顯微硬度在深度方向上的變化。超聲噴丸處理時(shí)間越長(zhǎng)，Ti6Al4V合金表層加工硬化越嚴(yán)重，顯微硬度明顯增大。在同一深度上，經(jīng)時(shí)長(zhǎng)為45min超聲噴丸處理的Ti6Al4V合金具有最大顯微硬度，相對(duì)處理前提高55%[34]。

圖10 鈦合金Ti6Al4V精密車削與低塑性滾壓表面輪廓Fig.10 Surface profiles of titanium Ti6Al4V by precision turning and low plasticity burnishing

圖11 超聲噴丸處理后Ti6Al4V合金顯微硬度在深度方向上的變化Fig.11 Microhardness variation of Ti6Al4V alloy along depth direction after ultrasonic shot peening

激光噴丸是用激光照射由吸收層（黑漆等）覆蓋的工件表面，吸收層吸收能量，氣化成具有高溫高壓的等離子體，在約束層的限制下形成沖擊波撞擊工件。圖12為鎳基高溫合金Inconel 718在有無燒蝕層保護(hù)情況下經(jīng)單次3.5J的激光噴丸處理后，殘余應(yīng)力在深度方向上的變化[35]。有燒蝕層保護(hù)的試樣在表層產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力（-550MPa），并且在50μm內(nèi)梯度下降到-150MPa。無燒蝕層保護(hù)的試樣殘余應(yīng)力較?。?50MPa），并且表面因材料熔化凝固后存在殘余拉應(yīng)力。

圖12 激光噴丸處理后Inconel 718合金殘余應(yīng)力在深度方向上的變化Fig.12 Residual stress variation of Inconel 718 along depth direction after laser shock peening

結(jié)論

高效加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)航空零件采用新材料、新結(jié)構(gòu)需求的重要手段，同時(shí)也是滿足日益提高的產(chǎn)品精度和生產(chǎn)效率要求的必要措施。通過對(duì)包括高速切削技術(shù)、復(fù)合加工技術(shù)、先進(jìn)刀具技術(shù)、高效冷卻技術(shù)和高完整性加工原理及其應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行介紹，表明：（1）合適的切削刀具，優(yōu)化的切削參數(shù)、走刀策略，恰當(dāng)?shù)墓ぜb夾方式是高速切削技術(shù)在航空難加工材料中應(yīng)用的關(guān)鍵；（2）復(fù)合加工技術(shù)及其機(jī)床的應(yīng)用在解決航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工問題方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)；（3）尋求更佳的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高加工效率、高加工質(zhì)量、長(zhǎng)刀具壽命的必要手段；（4）在水基切削液的基礎(chǔ)上改進(jìn)切削液的各項(xiàng)成分，研發(fā)綠色切削液是目前高效切削加工中的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)；智能高壓冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用可有效延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工精度和生產(chǎn)效率；（5）基于超聲、激光等先進(jìn)制造工藝與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝復(fù)合的高完整性加工技術(shù)是金屬機(jī)械加工強(qiáng)化工藝的重要發(fā)展方向。

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