引言
镍基合金GH4169具有比强度高、比刚度高和耐高温的特点，常被用于航空和航天发动机关键零部件中 ，然而在加工过程中常出现崩刀、脆断、毛刺和加工效率低等现象，属于典型的难加工材料，传统的加工方 法难以满足实际生产需求。超声振动车削，又称超声振动辅助车削，从微观上看超声振动车削改变了以往普 通车削连续切割的方式，以一种断续、间歇性的方式实现对工件周期性往复运动的加工,可以在切削过程 中达到降低切削力、提高材料去除率和延长刀具寿命的效果。轴向超声振动车削是超声振动车削的一种，与 常规车削相比可以有效改善加工表面质量和降低切削力等，因此在高效精密加工方面得到了广泛的应用。
当前研究学者在对超声振动切削进行分析时，在理论分析方面研究较多，而对试验研究较少，针对航空 发动机常用材料GH4169的试验研究极少。为此，课题组选用航空发动机常用材料镍基合金GH4169为研究 对象，探究了在超声振动车削与普通车削2种加工方式下对工件的影响，为航空发动机关键零部件加工提 供试验数据。
1、试验设计
1.1试验设备
超声车削试验方案原理图如图1所示，试验所使用车床为广州数控生产的型号为GSK-980TC3-d的普通 车床。试验系统主要有日本三菱Kistlerdynamomter9272型三向力传感器、吉泰TR200型数显表面粗糙度 仪、OPTRISPIT900测温仪、超声波振动发生器，超声振动车削局部放大图如图2所示。
1.2工件材料
试验材料为镍基合金GH4169，实验工件采用的是直径为50mm、长度为130mm的棒料，其主要化学成 分的质量分数如表1所示。
1.3试验刀具
试验中选用日本三菱公司生产的型号为HPGX080204HTi10的硬质合金YG8涂层刀片 ，该刀具的硬度和耐磨性比常规刀具高很多，刀片实物如图3所示。车刀有效几何参数如表2所示。
1.4切削速度的选择
进行有无轴向超声振动车削试验时，所选的切削深度ap=0.02mm，切削速度v范围为40~70mm/min，进 给量f为0.010~0.025mm/r，刀尖圆弧半径r=0.4mm，振动频率为30kHz，超声振幅为5μm，超声 切削行程为48mm。超声振动车削试验参数如表3所示[1]。
2、试验结果与分析
2.1切削力
2.1.1动态切削力
对切削力进行收集时利用上海好耐公司开发的HRsoft_DW_V2.10采集软件。2种加工方式下动态切削 力变化曲线对比如图4所示。
相比于普通车削的切削力变化幅度大且无规律，轴向超声振动切削时切削力的波动范围明显减小且呈周 期性，表明轴向超声切削在加工过程中能使系统稳定，提高加工精度，避免过大的切削力和切削热的产生。
2.1.2静态切削力
对试验中测力仪收集到的多组动态切削力数据求平均值，得到在不同进给量下切削力平均值随切削速度 的变化如图5所示。可以看出：轴向超声振动3方向的切削力始终小于普通车削，速度一定时，进给量增 大切削力也随之增大。进给量一定时，无论是普通切削还是轴向超声振动切削，切削力随切削速度逐渐升高 。主切削力Fz随切削速度波动性升高。因为临界超声切削速度为56.5m/min[2]，在较低切削速度下超声 振动效果明显，工件与刀具之间发生明显的接触与分离，切削力大幅降低；当切削速度逐渐增大时，刀具与 工件的分离效应减弱且工件加工过程中发生热软化效应，轴向超声振动主切削力降低，逐渐趋向于普通切削 。
2.2切削温度
利用OPTRISPIT900测温仪对刀尖温度进行采集，为保证实验的可靠性，对每组切削速度下进行3次试 验。切削温度的变化曲线如图6所示[3]。可以看出，在相同切削速度下，切削镍基合金GH4169时，普通 车削下的切削温度比超声振动车削的切削温度要高，切削速度与切削温度呈波动性增长，这是因为在切削中 轴向超声振动切削能促使切屑折断，不会发生切屑堆积到前刀面的现象，提高散热效率；切削速度由 40m/min升高到70m/min时，切削温度最大升高了45℃[4]；轴向超声振动中进给量f=0.010mm/r时 ，温度变化不明显，但加工效率低；f=0.025mm/r时，温度波动较大，趋于普通车削。相比之下，f =0.020mm/r时，在保证加工速率的情况下还能降低切削温度。
2.3工件表面粗糙度
粗糙度是精密加工中的关键指标之一。在v=40~70m/min，ap=0.02mm，A=5μm，f=30kHz和进给量f =0.010~0.025mm/r条件下对镍基合金GH4169进行车削试验，为了保证试验的可靠性，在同一棒料上进行试 验并且每次试验均使用新的刀具，加工后的照片如图7所示，可以看出，轴向超声振动车削和普通车削加 工完成后分界线明显。
为探究2种切削方式的工件表面质量，利用TR200型数显表面粗糙度仪测量3组加工后的表面粗糙度 Ra，取平均值。切削速度对表面粗糙度值的影响如图8所示，可以看出，轴向超声振动切削的粗糙度值远 低于普通切削，切削速度一定时进给量越大粗糙度值越高。
2.4刀具磨损
为保证试验结果的准确性，收集试验用刀具并做标记，换装新刀具再次试验。车削加工完成后利用奥斯 微L208PS-3M2000显微镜对刀具的损伤情况进行观察[5]。如图9（b）、图9（c）为v=40m/min，进给 量f=0.02mm/r，ap=0.02mm、A=5μm和f=30kHz时有无超声振动切削镍基合金GH4169时刀具磨损情况。 可以看出：与普通车削相比，轴向超声振动车削能够起到减轻刀具磨损的作用。
2.5切屑形貌
2.5.1宏观切屑形貌
图10为切削试验完成后收集到的切屑宏观形貌照片[6-7]。普通切削中，可清晰看到切屑边缘呈浓密 状锯齿状毛刺，如图10（a）所示，锯齿状毛刺的形成容易引起刀具和工件系统的振动，影响已加工表面的 质量。相比之下，轴向超声振动切屑边缘相对光滑，如图10（b）所示，切屑呈松卷状，切屑薄而长，不会 对加工表面造成影响。
如图11为普通切削造成的积屑和轴向超声振动切削形成的碎屑。发现轴向超声振动切削可以促使切屑 发生折断，而普通切削过程中产生的切屑不易折断，容易对已加工表面造成划伤，影响工件表面质量，而轴 向超声振动的断续切削有效地避免了划伤的可能。在轴向超声振动过程中，刀具与工件周期性的接触与分离 使得切屑在瞬间被切除，所以产生细小的碎屑薄且短，不会在刀尖处堆积，因此不会对工件的加工精度产生 明显影响。
2.5.2微切屑形貌
分析切削速度对镍基合金GH4169加工中切屑形成规律的影响，利用奥斯微L208PS-3M2000金相显微 镜分别对f=0.02mm/r，ap=0.02mm条件下普通切削和轴向超声振动切削条件下所形成的切屑进行分析。 图12—图14为镍基合金GH4169放大50倍切屑微观形貌。由图12（a）、图13（a）和图14（a）可以 看出，在普通切削条件下，速度由40m/min增长到60m/min过程中，锯齿逐渐变得清晰，齿根出现裂纹， 齿根高度变大，齿根频率升高。
由图12（b）、图13（b）、图14（b）可以看出，在轴向超声振动切削下，锯齿化明显减小，速度由 40m/min增长到60m/min过程中切屑长度逐渐变短，缠绕程度变大，切屑有断裂的趋势。
3、结论
为探究航空航天发动机常用材料镍基合金GH4169切削参数对加工效果的影响，在进给量为0.010， 0.020，0.025mm/r条件下、切削速度为40~70m/min进行车削试验，得出了如下结论：
（1）轴向超声振动能够达到降低切削力的效果，是一种有效提高加工效率的方法，切削力与切削速度 呈波动性增长。速度一定时进给量越大切削力越大。
（2）轴向超声振动具有促使切屑折断的作用，与普通切削过程中产生的连续的带状屑不同，超声振动 切削产生的碎屑不会堆积在刀尖和刀杆上，从而避免对工件表面质量产生影响。
（3）轴向超声振动切削的温度明显低于普通切削时的切削温度，进给量f=0.010mm/r时温度变化不 明显，进给量f=0.025mm/r温度波动范围较大，有向普通车削靠近的趋势。
（4）无论轴向超声振动切削还是普通切削，工件表面粗糙度均随切削速度增大而增大，但在相同的切 削速度下，轴向超声振动粗糙度值明显减小，有效提高工件的表面质量，还可以起到减缓刀具磨损的作用。 进给量增大粗糙度降低。
参考文献
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[2]李莹,张敏良,董慧婷,等.椭圆振动车削316L不锈钢仿真分析[J].组合机床与自动化加 工技术,2021(04):163-168.
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[4]叶梦力.超声振动辅助磨削碳纤维复合材料的磨削温度研究[D].武汉理工大学,2018.
[5]史于涛,胡亚辉,李向军,等.超声振动钻削皮质骨切屑形成机理及表面粗糙度研究[J].天 津理工大学学报,2019,35(6):9-12,40.
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[7]孟倩.圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯表面质量研究[D].大连理工大学,2020.
作者简介史春光（1993-），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向：高效精密加工。E-mail： 1372223426@qq.com通信作者张敏良，男，教授级高级工程师。E-mail：jx9988@163.com
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