1、序言

鈦合金?高溫合金等難加工金屬材料是航空航天領(lǐng)域制造渦輪盤?葉片?機(jī)匣等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件重要的原材料之一 [1,2]?但隨著工業(yè)的快速進(jìn)步，尤其是航空航天的快速發(fā)展，這些關(guān)鍵零部件通常服役在高溫高壓?交變循環(huán)載荷?潮濕等惡劣條件下，因而對(duì)關(guān)鍵零部件的服役性能提出了嚴(yán)格甚至是更為苛刻的要求?如何提升關(guān)鍵零部件服役壽命，實(shí)現(xiàn)鈦合金等金屬材料高質(zhì)高效加工是當(dāng)前亟需解決的一個(gè)重要研究課題?

零件制造精度是其服役壽命的重要保證，采用有效的加工方法是提高關(guān)鍵零部件服役壽命的一個(gè)重要前提?切削加工作為常見的加工方式，在機(jī)械加工領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，因而在難加工金屬材料加工中也得到了較為廣泛的應(yīng)用?但由于難加工金屬材料的優(yōu)秀力學(xué)性能導(dǎo)致其在傳統(tǒng)的機(jī)械加工中往往表現(xiàn)出切削力大?切削溫度高?刀具磨損嚴(yán)重?加工表面完整性差等特點(diǎn)，導(dǎo)致材料加工效率低?精度不高，同時(shí)提高了加工成本 [3]?

超聲振動(dòng)輔助加工 (UVAM) 是一種非傳統(tǒng)的加工方法，它利用換能器 (壓電陶瓷 / 磁致伸縮) 將高頻電能轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)能，并將其應(yīng)用于加工過程，從而實(shí)現(xiàn)材料的超精密加工?與傳統(tǒng)加工方式相比，由于加工特性的變化，材料的去除機(jī)理也發(fā)生了根本性變化?超聲輔助加工是在切削加工中于工件和刀具之間附加超聲振動(dòng)，可大幅度降低刀具與工件間摩擦力，從而減小切削力和切削熱，同時(shí)切削刃的超聲振動(dòng)又可加速切屑的疲勞破壞，提高了斷屑效果 [4]?尤其是刀具的超聲振動(dòng)加速度最大可達(dá)重力加速度的數(shù)萬倍，所產(chǎn)生的慣性力使切屑極難粘附于切削刃上，可避免積屑瘤的產(chǎn)生和刀具的黏著磨損，因此在航空航天金屬材料加工中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢 [5]?超聲切削加工不同因素對(duì)切削性能的影響如圖 1 所示?當(dāng)前，超聲振動(dòng)輔助切削加工已用于難加工金屬材料，并且取得了較好的加工效果?

2、單一超聲切削加工研究現(xiàn)狀

2.1 切削力

傳統(tǒng)金屬切削加工過程中，刀具與工件間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的相互作用，因此會(huì)造成極大的切削力，對(duì)加工過程穩(wěn)定性帶來極大的挑戰(zhàn)?因此一些學(xué)者采用超聲切削加工來減小切削力，提高加工過程穩(wěn)定性?

切削力對(duì)刀具磨損和表面質(zhì)量都有著重要的影響，SHEN 等 [6] 研究了超聲振動(dòng)輔助立銑過程中銑削力的變化規(guī)律，結(jié)果表明超聲振動(dòng)引起的分離現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致切削力曲線呈現(xiàn)脈沖式波動(dòng)，并低于傳統(tǒng)銑削加工的平均切削力?SOFUO?LU 等 [7] 采用 DEFORM-2D 有限元軟件分別建立了鈦合金和哈式合金在普通車削?超聲振動(dòng)輔助車削?熱超聲振動(dòng)輔助車削三種加工過程中的有限元模型，分析了不同切削加工過程中的切削力，結(jié)果表明熱超聲振動(dòng)輔助切削具有最低的切削力和有效應(yīng)力?對(duì)于哈式合金，熱超聲振動(dòng)輔助車削切削力降低了 50% 以上，而鈦合金切削力降低了約 70%, 這是因?yàn)闊岢曊駝?dòng)輔助切削加工具有熱軟化效應(yīng)，降低了加工過程中的切削力，同時(shí)超聲加工中刀具與工件間的分離接觸現(xiàn)象可以進(jìn)一步降低切削力?為了抑制鈦合金加工過程中的顫振，提高加工過程的穩(wěn)定性，LANOS 等 [8] 采用超聲振動(dòng)輔助車削對(duì)其進(jìn)行加工，以材料去除率為目標(biāo)，建立了基于工藝參數(shù)的切削力模型，并分析了不同加工參數(shù)對(duì)切削力的影響，結(jié)果表明相同參數(shù)下，超聲振動(dòng)輔助車削可以獲得更小的切削力，從而抑制加工過程中產(chǎn)生的顫振現(xiàn)象?基于超聲銑削刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，NIU 等 [9] 建立了縱扭超聲振動(dòng)輔助銑削最大未變形切削厚度模型，在斜角切削模型和切削力幾何關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了縱扭超聲振動(dòng)條件下的銑削力模型，分析了刀具幾何參數(shù)和超聲加工參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，結(jié)果表明預(yù)測值與試驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律相一致?在超聲加工參數(shù)中，縱扭相位差對(duì)兩個(gè)方向上的切削力影響最大，其次是超聲頻率和縱向振動(dòng)振幅的影響，扭轉(zhuǎn)振幅的影響最小?WANG 等 [10] 基于刀具幾何形狀和刀尖切削運(yùn)動(dòng)軌跡建立了超聲條件下的銑削力預(yù)測模型，并得到了切削刃的瞬時(shí)切削厚度?結(jié)果表明縱扭超聲振動(dòng)可以降低徑向切削力，而切向和軸向力沒有太大的變化，這主要與超聲的振動(dòng)方向有關(guān)?為了提高表面加工質(zhì)量，XU 等 [11] 分析了超聲條件下切削力的生成機(jī)理，建立了基于工藝參數(shù)條件下的超聲振動(dòng)輔助車削 304 不銹鋼的切削力模型，結(jié)果表明超聲振動(dòng)引入的分離效應(yīng)可以極大降低加工過程中的切削力，但振幅不是越大越好，而是存在一個(gè)最佳值?通過合適的工藝參數(shù)匹配可以提高加工效果?NAMLU 等 [12] 用超聲振動(dòng)輔助銑削和微量潤滑相結(jié)合的方式，探究了鈦合金銑削加工過程中各工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律?無論何種冷卻方式，超聲條件下的切削力始終低于普通切削?同時(shí)發(fā)現(xiàn)切削力與加工階段有關(guān)，對(duì)應(yīng)粗?精加工階段表現(xiàn)出不同的加工效果，在粗加工階段超聲切削可以有效降低切削力，而在精加工階段普通切削的切削力相對(duì)較低，因此最低切削力的理想組合是精切削中的微量潤滑 (MQL) 和常規(guī)銑削 (CM), 粗切削中的 MQL 和超聲輔助銑削 (UAM)?CHEN 等 [13] 通過全瞬態(tài)切削過程來分析超聲振動(dòng)對(duì)加工過程的影響，考慮超聲振動(dòng)對(duì)剪切區(qū)域剪切角和流動(dòng)應(yīng)力的影響，提出一種新的模型來確定平均切削力和瞬態(tài)切削力?結(jié)果表明超聲切削加工過程受瞬態(tài)特性?聲軟化?熱軟化?犁削和摩擦等多種特性的影響，Ti6Al4V?AISI 1045 和 Al6063 三種不同材料的切削力試驗(yàn)值與預(yù)測值的誤差分別約為 7%?10.2% 和 11%, 超聲振動(dòng)可以有效降低切削力?考慮振動(dòng)對(duì)工件材料切削性能的影響，NIK 等 [14] 首先基于理論設(shè)計(jì)?有限元仿真?遺傳算法相結(jié)合的方式進(jìn)行了超聲振動(dòng)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)?在此基礎(chǔ)上，分析了不同加工參數(shù)變化對(duì)切削力和表面粗糙度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)的施加可以減小切削力?改善表面質(zhì)量?與普通磨削相比，超聲條件下的法向和切向磨削力分別降低了 13.5% 和 14.2%?王晨旭等 [15] 對(duì) GH4169 高溫合金的超聲振動(dòng)輔助磨削去除機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了加工參數(shù)對(duì)切削性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明超聲振動(dòng)顯著降低了加工過程中的切削力和砂輪磨損，同時(shí)表面質(zhì)量顯著提高?

2.2 切削溫度

傳統(tǒng)金屬切削加工中，在切削接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生極高的熱量，對(duì)刀具壽命和表面加工質(zhì)量帶來不利影響?過高的切削溫度不僅使得刀具壽命急劇降低，而且造成加工表面產(chǎn)生粘附?甚至分層，因此采用超聲切削可以有效控制鈦合金的切削溫度，提高砂輪壽命和表面加工質(zhì)量?不同切削方式下的切削溫度比較如圖 2 所示?

為了研究超聲振動(dòng)對(duì)車削加工過程的影響，KHAJEHZADEH 等 [16] 采用 Al?O?涂層刀具對(duì)航空鋁材進(jìn)行超聲輔助車削加工，研究了超聲振幅?切削速度和進(jìn)給速度對(duì)切削溫度的影響，結(jié)果表明降溫效果與工藝參數(shù)的合理選擇有關(guān)，在小進(jìn)給速度下提高超聲振幅可以有效降低切削溫度?LOTFI 等 [17] 采用有限元仿真分析了二維橢圓超聲振動(dòng)對(duì)鎳基高溫合金切削加工性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)橢圓振動(dòng)的施加可以增大剪切角，減小前刀面的切削溫度，從而抑制切屑瘤的產(chǎn)生?基于非均勻移動(dòng)熱源，CHEN 等 [18] 建立了鈦合金超聲輔助切削加工過程中的傳熱模型，分析了超聲振幅和頻率對(duì)加工傳熱過程的影響，結(jié)果表明等效熱源中心在刀具前刀面會(huì)傾向于向后移動(dòng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在水平和垂直方向上的溫度梯度并不一致?此外，計(jì)算了振動(dòng)參數(shù)變化對(duì)平面和曲面加工中剪切面溫度的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振幅和頻率的增加可以降低溫度梯度，從而導(dǎo)致剪切平面溫度降低，并且加工表面溫度隨著超聲振幅的增加而減小，而隨著頻率的增加卻呈現(xiàn)上升趨勢?LIN 等 [19] 發(fā)現(xiàn)最小微量潤滑和超聲振動(dòng)的結(jié)合可以進(jìn)一步改善單一超聲振動(dòng)輔助車削的加工效果，顯著降低切削力?切削溫度?并且微量潤滑的效果與噴嘴的角度有關(guān)，通過有限元仿真分析了不同角度對(duì)切削溫度和應(yīng)力變化的影響，結(jié)果表明合適的噴嘴角度有利于產(chǎn)生合適的冷卻?潤滑效果，提高表面加工質(zhì)量并延長刀具使用壽命?考慮刀尖高頻正弦運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)加工過程的影響，GHOLAMZADEH 等 [20] 對(duì)干燥條件下的超聲振動(dòng)輔助切削加工過程進(jìn)行了二維有限元仿真，分析了加工相關(guān)參數(shù)對(duì)刀尖切削溫度的影響，結(jié)果表明某些狀態(tài)下刀尖的瞬時(shí)溫度高，但平均溫度相對(duì)較低，最高溫度發(fā)生在比刀尖位置略高的位置?為了探究鈦合金超聲振動(dòng)輔助切削過程中耕犁效應(yīng)對(duì)加工過程的影響，CHEN 等 [21] 采用有限元仿真分析了刀尖圓弧半徑對(duì)耕犁區(qū)應(yīng)力狀態(tài)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)磨削，超聲振動(dòng)會(huì)降低加工過程中的切削溫度，但切削溫度仍然會(huì)隨著切削速度和刀尖圓弧半徑的增加而增加，最大切削溫度出現(xiàn)在前刀面上，這是由于切削速度和刀尖圓弧半徑增加會(huì)導(dǎo)致切削能耗增加，刀具熱量通過切屑不斷在前刀面聚集而導(dǎo)致切削溫度升高?針對(duì)臨界切削速度對(duì)超聲切削加工效果的限制，ZHANG 等 [22] 提出了一種高速振動(dòng)切削的加工方法來提高表面質(zhì)量和加工效率，并建立了一種瞬態(tài)切削溫度模型來描述切削界面內(nèi)加工溫度的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)切削速度和占空比是影響切削溫度高低的主要因素，通常與加工參數(shù)的設(shè)置有關(guān)?為了預(yù)測加工參數(shù)對(duì)鈦合金切削性能的影響，MUHAMMAD 等 [23] 采用模糊邏輯模型預(yù)測了超聲振動(dòng)輔助車削和傳統(tǒng)車削加工中工藝參數(shù)對(duì)切削溫度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)建立的模型對(duì)預(yù)測結(jié)果具有較高的精度，揭示了超聲振動(dòng)切削降溫的內(nèi)在機(jī)理?

2.3 刀具磨損

鈦合金等難加工金屬在傳統(tǒng)切削加工過程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的力?熱負(fù)荷，從而造成刀具的快速磨損?刀具磨損過快不僅影響自身的使用壽命，而且對(duì)加工質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生顯著影響，并且會(huì)反過來進(jìn)一步影響力?熱負(fù)荷的產(chǎn)生?不同切削加工方式對(duì)刀具磨損的影響如圖 3 所示?

研究表明超聲振動(dòng)可以有效降低刀具磨損?刀具磨損是鈦合金加工中的一個(gè)重要問題，NI 等 [24] 研究了超聲作用下刀具的磨損機(jī)理，分析了刀具不同磨損狀態(tài)對(duì)表面質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)給方向施加超聲振動(dòng)后刀具主要有刀尖斷裂?裂紋等缺陷，這主要是由刀具與工件之間的高頻振動(dòng)沖擊引起的，但相比于傳統(tǒng)銑削刀具的磨損程度明顯降低，并提高了加工表面質(zhì)量?另外發(fā)現(xiàn)通過微量冷卻潤滑可以進(jìn)一步改善加工效果?為了提高加工鈦合金時(shí)刀具的使用壽命，童景琳等 [25] 研究了縱扭超聲振動(dòng)對(duì)銑削加工過程中刀具磨損特性的影響，結(jié)果表明縱扭超聲振動(dòng)改變了刀具對(duì)工件的作用形式，從而減小了刀具的后刀面磨損，同時(shí)提高了表面加工質(zhì)量?LIU 等 [26] 研究了超聲振動(dòng)輔助銑削過程中刀具的磨損機(jī)理，研究表明超聲振動(dòng)輔助銑削下的刀具存在著氧化磨損?黏結(jié)磨損?擴(kuò)散磨損三種形式，刀具在正常磨損階段可以獲得最佳的表面加工質(zhì)量?相對(duì)于普通銑削，相同條件下超聲振動(dòng)輔助銑削刀具使用壽命長，并且加工表面質(zhì)量更好，邊緣毛刺更加細(xì)小，同時(shí)切削力?切削溫度也都得到明顯的改善?YU 等 [27] 研究了橢圓超聲振動(dòng)輔助車削過程中刀具的磨損機(jī)理，分析了有分離現(xiàn)象和無分離現(xiàn)象狀態(tài)下刀具磨損降低的內(nèi)在原因，結(jié)果表明在無分離狀態(tài)的橢圓振動(dòng)切削加工中，聲軟化效應(yīng)降低材料屈服應(yīng)力是降低刀具磨損的內(nèi)在原因，而在有分離的條件下是刀具對(duì)工件的高頻沖擊降低了接觸應(yīng)力，從而降低了刀具磨損?

2.4 表面質(zhì)量

表面質(zhì)量是影響工件疲勞壽命的一個(gè)重要指標(biāo)，其加工質(zhì)量的好壞直接決定工件的使用壽命?近年來，針對(duì)鈦合金等難加工金屬材料，為了改善其加工表面完整性，大量學(xué)者采用超聲振動(dòng)輔助切削進(jìn)行加工，獲得了良好的加工表面完整性?超聲對(duì)表面性能的影響如圖 4 所示?

ZOU 等 [28] 對(duì) 304 奧氏體不銹鋼進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助車削，分析了超聲振動(dòng)對(duì)加工表面粗糙度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)合適的工藝參數(shù)匹配可以降低表面粗糙度值，提高表面加工質(zhì)量?SUI 等 [29] 研究了超聲高速車削加工表面的形成機(jī)理，基于數(shù)值仿真和有限元模擬建立了表面形貌和表面粗糙度的預(yù)測模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)切削，超聲高速切削能夠獲得更好的表面質(zhì)量，表面粗糙度值可低于 0.4μm?考慮加工參數(shù)對(duì) TC18 表面完整性的影響，XIE 等 [30] 采用超聲振動(dòng)輔助銑削對(duì)其進(jìn)行加工，分析了轉(zhuǎn)速和超聲振幅對(duì)表面完整性的影響，結(jié)果表明轉(zhuǎn)速對(duì)表面形貌以及殘余應(yīng)力都有顯著的影響?與普通銑削加工表面形貌相比，超聲加工過后的表面微觀組織更加規(guī)則，切削表面殘余壓應(yīng)力可增加 50.9%?超聲振動(dòng)還可以使得加工表層產(chǎn)生塑性變形層，從而提高表層的硬度，提高其表面耐磨性，塑性變形層厚度隨著超聲振動(dòng)的增加而增加?為了提高鈦合金加工表面的耐磨性，PENG 等 [31] 采用高速超聲振動(dòng)輔助車削對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，通過對(duì)加工表面完整性進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)車削，超聲振動(dòng)輔助車削加工表面粗糙度值明顯下降，同時(shí)表層塑性變形深度得到大幅度提升，出現(xiàn)了晶粒納米梯度層，從而提高了表面顯微硬度?此外，加工表面出現(xiàn)了高達(dá) 840MPa 的殘余壓應(yīng)力?

3、超聲復(fù)合切削加工研究現(xiàn)狀

復(fù)合能場輔助切削加工是在單一能場輔助切削加工的基礎(chǔ)上進(jìn)一步復(fù)合其他能場進(jìn)行協(xié)同加工的方法，利用不同能場各自的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)單一能場輔助切削加工的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高加工過程的穩(wěn)定性，提升加工效率和質(zhì)量?

3.1 超聲激光加工

DESWAL 等 [32] 開發(fā)了一種將超聲振動(dòng)與激光工藝相結(jié)合的新型超聲復(fù)合激光輔助切削加工工藝，通過對(duì) 3003 鋁合金進(jìn)行加工，對(duì)比分析了傳統(tǒng)切削加工?單一超聲振動(dòng)輔助加工?單一激光加工對(duì)材料加工性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對(duì)于其他加工方式，超聲激光復(fù)合輔助切削加工的表面粗糙度值低，切削力小，形成的切屑也更加光滑，這是因?yàn)閺?fù)合加工工藝不僅具有超聲加工中刀具與工件間的接觸 - 分離現(xiàn)象，還含有激光加工的熱軟化效應(yīng)，因而切削力小，形成的切屑也更加光滑?但在加工過程中發(fā)現(xiàn)超聲激光復(fù)合加工工藝具有最高的切削溫度，這是由于激光熱效應(yīng)在刀具與工件分離的過程中熱能進(jìn)一步聚焦到加工區(qū)域，導(dǎo)致切削過程中溫度最高?考慮超聲激光復(fù)合能場加工條件下對(duì)鈦合金銑削加工性能的影響，蘇永生等 [33] 分析了超聲激光復(fù)合能場對(duì)表面形貌?切削力?刀具磨損等性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明普通銑削激光選區(qū)熔化鈦合金時(shí)，切削力隨著切削速度的增加而降低，隨進(jìn)給速度的增加而升高，表面會(huì)出現(xiàn)明顯的刀痕，而超聲加工激光選區(qū)熔化鈦合金時(shí)則切削力相對(duì)較低，加工表面也較為光滑，這是因?yàn)榧す鈱?duì)鈦合金金相組織的改變以及超聲加工中刀具與工件接觸 - 分離特性綜合作用的影響?此外發(fā)現(xiàn)在所選參數(shù)范圍內(nèi)，超聲加工與普通加工激光選區(qū)熔化鈦合金刀具前后刀面都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的黏結(jié)現(xiàn)象，表明超聲改善刀具前后刀面的抗粘附性效果有限?合適的工藝參數(shù)對(duì)加工效果有著重要的影響，DOMINGUEZ 等 [34] 探究了激光 - 超聲復(fù)合加工中切削參數(shù)對(duì)切削力和表面粗糙度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單一激光?超聲加工相比于傳統(tǒng)切削加工都能降低切削力?切削溫度，但都主要受限于較低的切削加工參數(shù)，而超聲 - 激光復(fù)合加工結(jié)合了超聲刀具 - 工件分離特性和激光熱軟化效應(yīng)的雙重優(yōu)點(diǎn)，加大了切削參數(shù)的使用范圍，可以進(jìn)一步降低切削力和表面粗糙度值，同時(shí)還能提高加工效率?

3.2 超聲磁場加工

YIP 等 [35] 還將超聲能場與磁場相結(jié)合的方式來對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，在超聲波輔助金剛石切削中引入了磁場后，利用磁場對(duì)超聲加工的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)，最大限度地減少工具振動(dòng)引起的表面損傷和側(cè)面毛刺，改善了鈦合金加工表面質(zhì)量?試驗(yàn)結(jié)果表明，在磁場存在的情況下，超聲刀具運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)的材料溶脹程度顯著降低和抑制?由于磁場的影響，超聲波工具的循環(huán)運(yùn)動(dòng)引起的切割疤痕面積被最小化?此外，在磁場存在的情況下產(chǎn)生的凹槽深度和寬度的誤差百分比分別顯著降低到 1.69% 和 1.77%?圖 5 所示為不同加工方式對(duì)表面輪廓的影響?

3.3 超聲電火花加工

DONG 等 [36] 基于超聲電火花加工 (UEDM) 加過程中的電壓變化，結(jié)合傳熱理論，建立了 TC4 鈦合金在單脈沖垂直超聲振動(dòng) UEDM 條件下的材料去除模型，并分析了不同振幅對(duì)材料去除過程的影響，結(jié)果表明超聲電火花輔助加工可以實(shí)現(xiàn)更高的材料去除率和表面質(zhì)量?KURNIAWAN 等 [37] 對(duì)鈦合金進(jìn)行超聲電火花輔助車削加工，采用有限元仿真分析了不同因素對(duì)加工過程的影響，結(jié)果表明電火花可以軟化工件材料，提高材料去除率，而超聲振動(dòng)可以降低切削力?刀具磨損，同時(shí)抑制毛刺的產(chǎn)生?XU 等 [38] 利用其對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，并對(duì)比分析了電火花加工 (EDM)?超聲振動(dòng)輔助銑削，結(jié)果表明超聲電火花輔助銑削加工具有超聲振動(dòng)和電火花加工的雙重優(yōu)點(diǎn)，電火花用于軟化待加工材料的表面，從而降低切削力，而超聲振動(dòng)提高了電火花加工的放電效率，減小了切削力?與常規(guī)銑削 (CM)?超聲輔助加工 (USM)?電火花輔助加工 (EDAM) 相比，UEDM 具有更高的表面完整性，可以顯著抑制邊緣毛刺的產(chǎn)生?超聲電火花加工對(duì)切削性能的影響如圖 6 所示?

4、結(jié)束語

本文針對(duì)難加工金屬材料超聲切削加工研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，分析了超聲切削加工對(duì)難加工金屬材料切削性能的影響?研究表明超聲切削具有減小切削力?降低切削溫度?提高刀具壽命和加工表面完整性等優(yōu)勢，但仍然存在一些問題與挑戰(zhàn)?針對(duì)當(dāng)前難加工金屬材料超聲切削加工存在的問題與挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望，如下所述?

(1) 開發(fā)專用高精度振動(dòng)切削機(jī)床 研制專用的主軸回轉(zhuǎn)精度高的振動(dòng)切削機(jī)床，充分發(fā)揮振動(dòng)切削的精密切削特性，將其應(yīng)用于微納米加工領(lǐng)域?這將有助于進(jìn)一步提升工件加工精度和表面質(zhì)量，滿足高精度零件的加工需求?

(2) 推動(dòng)超聲切削加工數(shù)控化和智能化 隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，將超聲切削加工技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上，可以讓刀具獲得規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)一步提高加工精度?同時(shí)，結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲切削加工的智能化控制，優(yōu)化切削參數(shù)，提高加工效率和表面質(zhì)量?這將有助于推動(dòng)超聲切削加工技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用?

(3) 超聲切削加工標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善 為了推動(dòng)超聲切削加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用和規(guī)范化發(fā)展，需要制定和完善相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范將涵蓋切削設(shè)備的性能要求?刀具的選擇和使用方法?切削參數(shù)的優(yōu)化等方面，為超聲切削加工技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化應(yīng)用提供有力保障?

參考文獻(xiàn):

[1] 趙彪，章敏秀，丁文鋒，等。單顆團(tuán)聚 CBN 磨粒磨削 TC4 鈦合金表面創(chuàng)成機(jī)制 [J]. 表面技術(shù)，2023,52 (8):309–318.

[2] 武韓強(qiáng)，陳卓，葉曦珉，等。鈦合金超聲輔助等離子體氧化改性磨削基本加工特性研究 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024,60 (9):13–25.

[3] 張翔宇，路正惠，彭振龍，等。鈦合金的高質(zhì)高效超聲振動(dòng)切削加工 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2021,57 (5):133–147.

[4] ZHAO M L,ZHU J M,SONG S J,et al. Influence of machining parameters in longitudinal-torsional ultrasonic vibration milling titanium alloy for milling force [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,123 (9): 3587–3597.

[5] 徐英帥，鄒平，王偉，等。超聲振動(dòng)輔助車削高溫合金和鋁鎂合金研究 [J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2017,38 (1):95–100.

[6] SHEN X H,XU G F. Study of milling force variation in ultrasonic vibration-assisted end milling [J]. Materials and Manufacturing Processes,2018,33 (6):644-650.

[7] SOFUO?LU M A,?AKIR F H,GüRGEN S,et al. Numerical investigation of hot ultrasonic assisted turning of aviation alloys [J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2018,40:1-12.

[8] LANOS I,CAMPA á,ITURBE A,et al. Experimental analysis of cutting force reduction during ultrasonic assisted turning of Ti6Al4V [J]. Procedia CIRP,2018,77:86-89.

[9] NIU Y,JIAO F,ZHAO B,et al. Investigation of cutting force in longitudinal-torsional ultrasonic-assisted milling of Ti-6Al-4V [J]. Materials,2019, 12 (12):1955.

[10] WANG X B,JIAO F,ZHAO C Y,et al. Modeling and experimental analysis of cutting force in longitudinal–torsional ultrasonic-assisted milling of titanium [J]. Advances in Mechanical Engineering, 2019,11 (4):1687814019835107.

[11] XU Y S,WAN Z H,ZOU P,et al. Experimental study on cutting force in ultrasonic vibrationassisted turning of 304 austenitic stainless steel [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part B: Journal of Engineering Manufacture,2021,235 (3):494–513.

[12] NAMLU R H,SADIGH B L,KILI? S E. An experimental investigation on the effects of combined application of ultrasonic assisted milling (UAM) and minimum quantity lubrication (MQL) on cutting forces and surface roughness of Ti-6AL4V [J]. Machining Science and Technology,2021, 25 (5):738–775.

[13] CHEN X L,TANG J Y,SHAO W,et al. An analytical and experimental study on cutting characteristics and transient cutting frce modeling in feed directional ultrasonic vibration-assisted cutting of high strength alloys [J]. Materials,2022,15 (20):7388.

[14] NIK M G,MOVAHHEDY M R,Akbari J. Ultrasonic-assisted grinding of Ti6Al4V alloy [J]. Procedia Cirp, 2012,1:353–358.

[15] 王晨旭，徐念偉，張園，等。超聲輔助磨削 GH4169 高溫合金工藝研究 [J]. 電加工與模具，2022 (1):55–60.

[16] KHAJEHZADEH M,RAZFAR M R,AKHLAGHI M. Experimental investigation of tool temperature during ultrasonically assisted turning of aerospace aluminum [J]. Materials and Manufacturing Processes,2014,29 (11-12):1453–1460.

[17] LOTFI M,AMINI S. FE simulation of linear and elliptical ultrasonic vibrations in turning of Inconel 718 [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part E:Journal of Process Mechanical Engineering, 2018,232 (4):438–448.

[18] CHEN J B,XU M,XIE C,et al. A nonuniform moving heat source model for temperature simulation in ultrasonic-assisted cutting of titanium alloys [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2018,97:3009-3021.

[19] LIN J,WANG D. Effect of different nozzle angles on turning Inconel718 based on UEV [C]//2019 3rd International Conference on Electronic Information Technology and Computer Engineering (EITCE). IEEE,2019:896-899.

[20] GHOLAMZADEH B,SOLEIMANIMEHR H. Finite element modeling of ultrasonic-assisted turning: cutting force and heat generation [J]. Machining Science and Technology,2019,23 (6): 869-885.

[21] CHEN F Y,WANG D Z,WU S J. Influence of ultrasonic vibration-assisted cutting on ploughing effect in cutting Ti6Al4V [J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering,2021,21:109.

[22] ZHANG X Y,PENG Z L,Liu L B. A transient cutting temperature prediction model for highspeed ultrasonic vibration turning [J]. Journal of Manufacturing Processes,2022,83:57-269.

[23] MUHAMMAD R. A fuzzy logic model for the analysis of ultrasonic vibration assisted turning and conventional turning of Ti-based alloy [J]. Materials,2021,14 (21):6572.

[24] NI C B,ZHU L D,YANG Z C. Comparative investigation of tool wear mechanism and corresponding machined surface characterization in feed-direction ultrasonic vibration assisted milling of Ti–6Al–4V from dynamic view [J]. Wear,2019, 436:203006.

[25] 童景琳，封志彬，焦鋒，等。超聲縱 - 扭復(fù)合銑削鈦合金刀具磨損特性研究 [J]. 表面技術(shù)，2019 (3): 297-303.

[26] LIU Q M,XU J K,YU H D. Experimental study of tool wear and its effects on cutting process of ultrasonic-assisted milling of Ti6Al4V [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2020,108:2917-2928.

[27] YU F H,ZHANG C,ZhU Q S,et al. Investigation of ultrasonic mechanism and development of tool wear model in ultrasonic elliptic vibration assisted cutting of stainless steel [J]. Tribology International, 2023,189:108962.

[28] ZOU P,XU Y,HE Y,et al. Experimental investigation of ultrasonic vibration assisted turning of 304 austenitic stainless steel [J]. Shock and Vibration,2015 (1):817598.

[29] SUI H,ZHANG X Y,ZHANG D Y. Surface modeling and analysis of high-speed ultrasonic vibration cutting [J]. Machining Science and Technology,2021,25 (1):100–117.

[30] XIE W B,WANG X K,LIU E B,et al. Research on cutting force and surface integrity of TC18 titanium alloy by longitudinal ultrasonic vibration assisted milling [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,119 (7/8):1-11.

[31] PENG Z L,ZHANG X Y,LIU L B,et al. Effect of high-speed ultrasonic vibration cutting on the microstructure, surface integrity, and wear behavior of titanium alloy [J]. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 24:3870-3888.

[32] DESWAL N,KANT R. Hybrid turning process by interacting ultrasonic vibration and laser energies [J]. Materials and Manufacturing Processes, 2023, 38 (5): 570-576.

[33] 蘇永生，李亮，鐘相強(qiáng)。激光選區(qū)熔化鈦合金超聲輔助銑削性能研究 [J]. 表面技術(shù)，2022,51 (10): 321-327.

[34] DOMINGUEZ C J,AYVAR Soberanis S,KIMJ,et al. Hybrid simultaneous laser-and ultrasonicassisted machining of Ti-6Al-4V alloy [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2023,125 (3-4):1903-1916.

[35] YIP W S,TO S,SUN Z W. Hybrid ultrasonic vibration and magnetic field assisted diamond cutting of titanium alloys [J]. Journal of Manufacturing Processes,2021,62:743-752.

[36] DONG Y H,LIU J J,LI G Y,et al. Thermodynamic simulation modeling analysis and experimental research of vertical ultrasonic vibration assisted EDM [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,119 (7-8): 5303-5314.

[37] KURNIAWAN R,XU M,Li C P,et al. Numerical analysis in ultrasonic elliptical vibration cutting (UEVC) combined with electrical discharge assistance (EDA) for Ti6Al4V [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022,120 (1-2):471-498.

[38] XU M R,LI C P,KURNIAWAN R,et al. Ultrasonic and electrical discharge–assisted milling of the Ti-6Al-4V alloy [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022, 122 (3-4):1897-1917.

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