钛合金因其比强度高、耐高温和耐腐蚀等优点，已广泛应用于航空发动机的关键零部件中，因此其机械加工能力直接关系到航空发动机的制造能力。但由于钛合金的低热导率和高比热容率，其切削界面易产生高温，从而导致刀具快速磨损、刀具寿命下降和表面质量变差。
基于此，北京航空航天大学的研究人员张翔宇、路正惠、彭振龙和张德远提出了一种高速超声振动切削方法，利用其切削轨迹的波动式分离特性并辅以高效冷却方法，以图通过降低切削界面的温度来实现延长刀具寿命和改善加工表面质量的目的。
团队将以上研究成果发表在《机械工程学报》2021年第5期，题为《钛合金的高质高效超声振动切削加工》。若想了解更多，点击“阅读原文”，免费下载全文阅读。
引用本文
张翔宇, 路正惠, 彭振龙, 张德远. 钛合金的高质高效超声振动切削加工[J]. 机械工程学报, 2021, 57(5): 133-147.
ZHANG Xiangyu, LU Zhenghui, PENG Zhenlong, ZHANG Deyuan. High Quality and Efficient Ultrasonic Vibration Cutting of Titanium Alloys[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(5): 133-147.
试验方法
开展钛合金高速普通车削和超声振动车削的对比实验来验证波动式高速超声振动切削有效性。首先对刀具施加一个附加的超声振动，使刀具在切削过程中保持一个双边振幅约16微米，振动频率约20000赫兹的微小振动。随后设计冷却液喷射装置，利用外加于机床的高压泵，将产生的高压冷却液精准地从后刀面方向喷向刀尖，其最高压力可达到200 Bar。切削过程中实时观测刀具后刀面磨损量和已加工表面粗糙度Ra值，并利用测力仪和搭建的刀具-工件自然热电偶测量切削界面内的平均力和平均温度。试验过程中切削参数和冷却参数设置分别为切削速度（200-500 m/min）、进给量（0.005-0.020 mm/r）、切深（0.025-0.1 mm）和冷却液压力（常压、50、100、150和200 Bar）。
试验结果
波动式超声振动切削由于刀具轨迹的分离作用，其切削力相比普通切削最大可下降40%左右，切削温度由于高压冷却液的使用，相比普通切削也极大程度的下降，从而使得刀具寿命相比常压冷却液条件下的普通切削（400 m/min）最大可提升13倍。其刀具寿命的显著提升在于刀具稳定磨损阶段的寿命延长（VB=0.2-0.25 mm）。通过波动式的分离引发的降力降热，相比普通切削，在200-400 m/min的切削速度范围内，刀具的粘结、氧化和扩散磨损显著减弱，后刀面磨损带光滑。刀具寿命延长的同时，波动式超声振动切削也同时改善了已加工表面质量，在相比普通切削的长时间切削状态下，其表面粗糙度Ra能保持在不大于0.4微米范围之内，以实现钛合金的精加工。但随着进给量或切削占空比的增大，波动轨迹不再满足分离条件时，超声振动切削的刀具寿命优势逐渐丧失，因此分离条件和高效冷却方式是实现钛合金高质高效加工的关键。
切削试验平台
工件表面形貌
重要结论
钛合金可通过将高压冷却方式辅助于垂直于切削速度方向振动分离的超声振动切削加工方法实现高质高效加工，其加工速度可达400 m/min，加工表面质量在精加工（Ra≤0.4 μm）范畴。
前景与应用
该方法在保证钛合金精加工质量的条件下，提高其切削速度，进而提高钛合金切削加工的性能，可用于航空发动机关键零部件的切削加工中。
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[1] 张翔宇，隋翯，张德远*，姜兴刚，吴瑞彪. 高速超声振动切削钛合金可行性研究[J], 机械工程学报，2017，53(19):120-127.
[2] Peng Zhenlong,Zhang Deyuan, Zhang Xiangyu*. Chatter stability and precision during high-speedultrasonic vibration cutting of a thin-walled titanium cylinder [J]. ChineseJournal of Aeronautics, 2020, Doi.10.1016/j.cja.2020.02.011.
[3] Peng Zhenlong, Zhang Xiangyu*, ZhangDeyuan. Performance evaluation of high-speed ultrasonic vibration cutting forimproving machinability of Inconel 718 with coated carbide tools [J]. TribologyInternational, 2021, 155:106766.
主创简介
张德远，北京航空航天大学，机械工程及自动化学院机械制造系原主任，现仿生与微纳系统研究所所长，守锷书院院长，博士/教授（二级），北航高评委委员，中国机械工程学会生物制造分会仿生制造与植/介入器械专业委员会主任委员，特种加工分会超声加工委员会主任委员。研究方向：仿生制造、超声加工、MEMS加工。十余年来已提出了10余种生物加工成形新方法，初步形成了生物加工成形制造的基本体系，逐步成为现有物理、化学方式制造之外的一种生物方式制造。在仿生表面减阻、仿生形体吸波、仿生结构基片、仿生切削加工等机械仿生制造方面做出了一系列开创性工作，这些原始创新工艺方法早期主要发表在《中国科学》与《科学通报》上。目前已主持国家自然科学基金重大项目2项、面上项目5项、863探索项目2项、863重点项目1项、总装探索重大项目1项、重大型号工程项目1项、部门基金项目3项；授权发明专利100多项；发表该领域论文300余篇（SCI收录100余篇）。2016年4月7日，以第一通讯作者在世界顶级期刊《Nature》发表了我国高校机械工程学科领域的首篇论文。
张翔宇，博士。2019年1月于北航机械学院获得博士学位并留校开展博士后研究工作。主要研究内容为通过仿生的方式来解决切削加工界面中的力热问题，从而改善难加工合金的切削加工性能。本文的研究正是通过设置一种波动式分离的超声振动切削方式实现了高速切削状态下的切削界面分离，从而获得了刀具寿命提升和表面质量改善的切削加工收益。近五年内以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文12篇，承担课题组自然基金重大项目1项同时主持1项青年基金。
彭振龙，男，1995年生，北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士在读，主要研究兴趣为超声振动加工以及难加工材料高速切削。以第一作者身份发表SCI-Q1区论文3篇，EI论文1篇。参与两机重大专项、国防基础科研项目及企业横向等多项课题。
近两年团队专发表文章
[1] PengZhenlong, Zhang Deyuan, Zhang Xiangyu*.Chatter stability and precisionduring high-speed ultrasonic vibration cutting of a thin-walled titaniumcylinder [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, Doi.10.1016/j.cja.2020.02.011.
[2] Peng Zhenlong, Zhang Xiangyu*, ZhangDeyuan. Performance evaluation of high-speed ultrasonic vibration cutting forimproving machinability of Inconel 718 with coated carbide tools [J]. TribologyInternational, 2021, 155:106766.
[3] Peng Zhenlong, Zhang Xiangyu*, ZhangDeyuan. Effect of radial high-speed ultrasonic vibration cutting on machiningperformance during finish turning of hardened steel [J]. Ultrasonics, 2021, 111:106340.
[4] Zhang Xiangyu, Peng Zhenlong, LiZeming, Sui He, Zhang Deyuan*. Influences of machining parameters on toolperformance when high-speed ultrasonic vibration cutting titanium alloys [J].Journal of Manufacturing processing, 2020, 60:188-199.
[5] Zhang Xiangyu，Wang Dongyue，Zhang Yixuan，ZhangDeyuan*，Li Zeming，Liu Hao. Bioinspired Unidirectional LiquidSpreading Channel-Principle, Design, and Manufacture [J]. Advanced MaterialsInterfaces, 2020, 7(4):1901791.
[6] Li Zeming, Zhang Deyuan, Wang Dongyue,Zhang Liwen, Feng Lin, Zhang Xiangyu*. A Bioinspired Flexible Film Fabricatedby Surface-Tension-Assisted Replica Molding for Dynamic Control ofUnidirectional Liquid Spreading [J]. ACS Applied Materials & Interfaces,2019, 11(51):48505-48511.
[7] LiXun, Yang Shenliang, Lu Zhenghui*, Zhang Deyuan*, Zhang Xiangyu, Jiang Xinggang.Influence of ultrasonic peening cutting on surface integrity and fatiguebehavior of Ti-6Al-4V specimens [J]. Journal of Materials ProcessingTechnology, 2020, 275:116386.
编辑：金程 校对：张彤
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