引言

鎳基合金GH4169具有比強度高、比剛度高和耐高溫的特點，常被用于航空和航天發動機關鍵零部件中 ，然而在加工過程中常出現崩刀、脆斷、毛刺和加工效率低等現象，屬于典型的難加工材料，傳統的加工方 法難以滿足實際生產需求。超聲振動車削，又稱超聲振動輔助車削，從微觀上看超聲振動車削改變了以往普 通車削連續切割的方式，以一種斷續、間歇性的方式實現對工件周期性往復運動的加工,可以在切削過程 中達到降低切削力、提高材料去除率和延長刀具壽命的效果。軸向超聲振動車削是超聲振動車削的一種，與 常規車削相比可以有效改善加工表面質量和降低切削力等，因此在高效精密加工方面得到了廣泛的應用。

當前研究學者在對超聲振動切削進行分析時，在理論分析方面研究較多，而對試驗研究較少，針對航空 發動機常用材料GH4169的試驗研究極少。為此，課題組選用航空發動機常用材料鎳基合金GH4169為研究 對象，探究了在超聲振動車削與普通車削2種加工方式下對工件的影響，為航空發動機關鍵零部件加工提 供試驗數據。

1、試驗設計

1.1試驗設備

超聲車削試驗方案原理圖如圖1所示，試驗所使用車床為廣州數控生產的型號為GSK-980TC3-d的普通 車床。試驗系統主要有日本三菱Kistlerdynamomter9272型三向力傳感器、吉泰TR200型數顯表面粗糙度 儀、OPTRISPIT900測溫儀、超聲波振動發生器，超聲振動車削局部放大圖如圖2所示。

1.2工件材料

試驗材料為鎳基合金GH4169，實驗工件采用的是直徑為50mm、長度為130mm的棒料，其主要化學成 分的質量分數如表1所示。

1.3試驗刀具

試驗中選用日本三菱公司生產的型號為HPGX080204HTi10的硬質合金YG8涂層刀片 ，該刀具的硬度和耐磨性比常規刀具高很多，刀片實物如圖3所示。車刀有效幾何參數如表2所示。

1.4切削速度的選擇

進行有無軸向超聲振動車削試驗時，所選的切削深度ap=0.02mm，切削速度v范圍為40~70mm/min，進 給量f為0.010~0.025mm/r，刀尖圓弧半徑r=0.4mm，振動頻率為30kHz，超聲振幅為5μm，超聲 切削行程為48mm。超聲振動車削試驗參數如表3所示[1]。

2、試驗結果與分析

2.1切削力

2.1.1動態切削力

對切削力進行收集時利用上海好耐公司開發的HRsoft_DW_V2.10采集軟件。2種加工方式下動態切削 力變化曲線對比如圖4所示。

相比于普通車削的切削力變化幅度大且無規律，軸向超聲振動切削時切削力的波動范圍明顯減小且呈周 期性，表明軸向超聲切削在加工過程中能使系統穩定，提高加工精度，避免過大的切削力和切削熱的產生。

2.1.2靜態切削力

對試驗中測力儀收集到的多組動態切削力數據求平均值，得到在不同進給量下切削力平均值隨切削速度 的變化如圖5所示。可以看出：軸向超聲振動3方向的切削力始終小于普通車削，速度一定時，進給量增 大切削力也隨之增大。進給量一定時，無論是普通切削還是軸向超聲振動切削，切削力隨切削速度逐漸升高 。主切削力Fz隨切削速度波動性升高。因為臨界超聲切削速度為56.5m/min[2]，在較低切削速度下超聲 振動效果明顯，工件與刀具之間發生明顯的接觸與分離，切削力大幅降低；當切削速度逐漸增大時，刀具與 工件的分離效應減弱且工件加工過程中發生熱軟化效應，軸向超聲振動主切削力降低，逐漸趨向于普通切削 。

2.2切削溫度

利用OPTRISPIT900測溫儀對刀尖溫度進行采集，為保證實驗的可靠性，對每組切削速度下進行3次試 驗。切削溫度的變化曲線如圖6所示[3]。可以看出，在相同切削速度下，切削鎳基合金GH4169時，普通 車削下的切削溫度比超聲振動車削的切削溫度要高，切削速度與切削溫度呈波動性增長，這是因為在切削中 軸向超聲振動切削能促使切屑折斷，不會發生切屑堆積到前刀面的現象，提高散熱效率；切削速度由 40m/min升高到70m/min時，切削溫度最大升高了45℃[4]；軸向超聲振動中進給量f=0.010mm/r時 ，溫度變化不明顯，但加工效率低；f=0.025mm/r時，溫度波動較大，趨于普通車削。相比之下，f =0.020mm/r時，在保證加工速率的情況下還能降低切削溫度。

2.3工件表面粗糙度

粗糙度是精密加工中的關鍵指標之一。在v=40~70m/min，ap=0.02mm，A=5μm，f=30kHz和進給量f =0.010~0.025mm/r條件下對鎳基合金GH4169進行車削試驗，為了保證試驗的可靠性，在同一棒料上進行試 驗并且每次試驗均使用新的刀具，加工后的照片如圖7所示，可以看出，軸向超聲振動車削和普通車削加 工完成后分界線明顯。

為探究2種切削方式的工件表面質量，利用TR200型數顯表面粗糙度儀測量3組加工后的表面粗糙度 Ra，取平均值。切削速度對表面粗糙度值的影響如圖8所示，可以看出，軸向超聲振動切削的粗糙度值遠 低于普通切削，切削速度一定時進給量越大粗糙度值越高。

2.4刀具磨損

為保證試驗結果的準確性，收集試驗用刀具并做標記，換裝新刀具再次試驗。車削加工完成后利用奧斯 微L208PS-3M2000顯微鏡對刀具的損傷情況進行觀察[5]。如圖9（b）、圖9（c）為v=40m/min，進給 量f=0.02mm/r，ap=0.02mm、A=5μm和f=30kHz時有無超聲振動切削鎳基合金GH4169時刀具磨損情況。 可以看出：與普通車削相比，軸向超聲振動車削能夠起到減輕刀具磨損的作用。

2.5切屑形貌

2.5.1宏觀切屑形貌

圖10為切削試驗完成后收集到的切屑宏觀形貌照片[6-7]。普通切削中，可清晰看到切屑邊緣呈濃密 狀鋸齒狀毛刺，如圖10（a）所示，鋸齒狀毛刺的形成容易引起刀具和工件系統的振動，影響已加工表面的 質量。相比之下，軸向超聲振動切屑邊緣相對光滑，如圖10（b）所示，切屑呈松卷狀，切屑薄而長，不會 對加工表面造成影響。

如圖11為普通切削造成的積屑和軸向超聲振動切削形成的碎屑。發現軸向超聲振動切削可以促使切屑 發生折斷，而普通切削過程中產生的切屑不易折斷，容易對已加工表面造成劃傷，影響工件表面質量，而軸 向超聲振動的斷續切削有效地避免了劃傷的可能。在軸向超聲振動過程中，刀具與工件周期性的接觸與分離 使得切屑在瞬間被切除，所以產生細小的碎屑薄且短，不會在刀尖處堆積，因此不會對工件的加工精度產生 明顯影響。

2.5.2微切屑形貌

分析切削速度對鎳基合金GH4169加工中切屑形成規律的影響，利用奧斯微L208PS-3M2000金相顯微 鏡分別對f=0.02mm/r，ap=0.02mm條件下普通切削和軸向超聲振動切削條件下所形成的切屑進行分析。 圖12—圖14為鎳基合金GH4169放大50倍切屑微觀形貌。由圖12（a）、圖13（a）和圖14（a）可以 看出，在普通切削條件下，速度由40m/min增長到60m/min過程中，鋸齒逐漸變得清晰，齒根出現裂紋， 齒根高度變大，齒根頻率升高。

由圖12（b）、圖13（b）、圖14（b）可以看出，在軸向超聲振動切削下，鋸齒化明顯減小，速度由 40m/min增長到60m/min過程中切屑長度逐漸變短，纏繞程度變大，切屑有斷裂的趨勢。

3、結論

為探究航空航天發動機常用材料鎳基合金GH4169切削參數對加工效果的影響，在進給量為0.010， 0.020，0.025mm/r條件下、切削速度為40~70m/min進行車削試驗，得出了如下結論：

（1）軸向超聲振動能夠達到降低切削力的效果，是一種有效提高加工效率的方法，切削力與切削速度 呈波動性增長。速度一定時進給量越大切削力越大。

（2）軸向超聲振動具有促使切屑折斷的作用，與普通切削過程中產生的連續的帶狀屑不同，超聲振動 切削產生的碎屑不會堆積在刀尖和刀桿上，從而避免對工件表面質量產生影響。

（3）軸向超聲振動切削的溫度明顯低于普通切削時的切削溫度，進給量f=0.010mm/r時溫度變化不 明顯，進給量f=0.025mm/r溫度波動范圍較大，有向普通車削靠近的趨勢。

（4）無論軸向超聲振動切削還是普通切削，工件表面粗糙度均隨切削速度增大而增大，但在相同的切 削速度下，軸向超聲振動粗糙度值明顯減小，有效提高工件的表面質量，還可以起到減緩刀具磨損的作用。 進給量增大粗糙度降低。

參考文獻

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[7]孟倩.圓片刀超聲切削Nomex蜂窩芯表面質量研究[D].大連理工大學,2020.

作者簡介史春光（1993-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向：高效精密加工。E-mail： 1372223426@qq.com通信作者張敏良，男，教授級高級工程師。E-mail：jx9988@163.com

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