鈦合金航空結構件加工刀具與工藝技術研究現狀*

孫 杰，國 凱，楊 斌

(1.山東大學機械工程學院，濟南 250061；2.山東大學航空構件制造技術及裝備研究中心，濟南 250061)

鈦合金因其優異的綜合力學性能、低密度、耐腐蝕、抗疲勞以及顯著的高溫抗拉強度、高溫穩定性等，已成為現代宇航、國防工業關鍵的支撐材料之一。鈦合金的密度只有鋼材的1/2，但其強度卻高于鋼材（表1）。正因為鈦合金具有如此優異的性能，世界鈦材需求量的50%來自航空工業，鈦合金也因此被譽為“空間金屬”，其應用領域分布如圖1所示[1]。在飛機制造業，鈦合金的應用越來越廣泛，尤其在高性能戰斗機的結構件中所占的比重增長幅度非常明顯，如在F-16 戰機上鈦合金所占重量比僅為3%，而在作為第4 代戰機典型代表的F-22 戰機中所占重量比高達41%[2]。

圖1 全球鈦合金不同領域用量對比Fig.1 Consumption of titanium alloys in different fields of world

表1 常用金屬材料物理性能比較Table 1 Comparison of physical properties of common metal materials

然而鈦合金又是典型的難加工材料，導熱系數僅為鋼材的1/7，為鋁合金的1/30，切削過程刀-屑接觸區極小，單位面積上切削力大且熱量難以排出，切削溫度高，加之鈦合金冷硬現象嚴重，化學活性高，切削狀態能夠和幾乎所有的刀具材料發生化學反應，最終導致刀具極易產生磨損破損，鈦合金的高效加工一直是航空工業面臨的重要制造難題[3]。鈦合金航空整體結構件大都為壁薄深腔結構（圖2），材料去除量大，大都在85%以上，加工周期長，加工過程中回彈現象嚴重，切削顫振現象頻發，更加重了刀具的沖擊載荷，與此同時，加工過程中讓刀誤差與加工變形問題突出，嚴重影響加工質量與加工效率的提高。

國內外學者對鈦合金加工刀具與工藝技術進行了大量理論與試驗研究，有力推動了鈦合金加工質量與加工效率的提高。本文對鈦合金切削刀具技術的發展現狀進行綜述，對加工工藝技術進行分析總結，歸納了制約鈦合金加工性能提升的瓶頸問題，闡明鈦合金切削加工刀具與工藝技術的未來發展趨勢。

鈦合金加工刀具技術

刀具是實現鈦合金高效高性能加工的關鍵因素，國內外學者圍繞鈦合金加工的刀具基體材料、涂層材料以及刀具結構開展了大量的研究工作，取得了諸多創新性的研究成果，促進了鈦合金加工技術的進步。

1 刀具材料與涂層材料

1.1 硬質合金刀具材料

硬質合金刀具材料加工性能優異、性價比高，是目前鈦合金加工的主要刀具材料。硬質合金刀具性能與晶粒尺寸密切相關，普通硬質合金硬質相粒度為幾μm，細晶粒硬質合金平均粒度在1.0～1.3μm，而超細晶粒硬質合金粒度達0.5μm[4]。當硬質合金的晶粒細化后，硬質相尺寸減小，增加了硬質相晶粒表面積和晶粒間的結合力，黏結相更均勻地分布在其周圍，可以提高硬質合金的硬度與耐磨性[5]。數據表明，細晶粒硬質合金相比較普通硬質合金，硬度提高1.5～2.0HRA，抗彎強度約提高600～800MPa[6]，而當硬質合金中WC硬質相的晶粒尺寸小于0.5μm，達到超細晶粒水平時，合金的抗彎強度增加1 倍多（由平均1600MPa 增加到4000MPa 以上），硬度也明顯增加（由89HRA 增加到大于93HRA），耐磨性和刀具壽命大幅提高[7]。因此具備高硬度與高強度“雙高”特性的超細硬質合金刀具成為鈦合金這一典型難加工材料加工的首選刀具[8]。

硬質合金刀具的化學成分和黏結相對鈦合金切削性能同樣具有顯著影響，以WC-TiC 或TiC 為硬質相的硬質合金刀具由于與鈦合金親和性較強，切削過程中極易發生溶解-擴散磨損[9]，因此并不適合于鈦合金切削；而WC-Co 類硬質合金刀具較為適合鈦合金加工[10]。另外，TaC、NbC、Cr3C2和VC 等稀有金屬碳化物的添加可進一步提升超細晶粒硬質合金材料致密度，抑制晶粒異常長大，有效提高刀具高溫硬度與高溫強度，從而降低鈦合金切削過程刀具磨損[11]。Zhou 等[12]通過調整Co和Ti 含量制備了不同梯度層厚度和晶粒尺寸的超細梯度硬質合金刀具，并通過鈦合金高速切削試驗指出Co10Ti3 基體材料具備更好的切削性能。

總體而言，硬質合金刀具由于成本低廉，同時兼具較高硬度與韌性，更多地用于鈦合金中速和低速車削過程以及銑削等斷續切削過程[13]。在兼顧效率、刀具壽命等情況下，硬質合金刀具用于鈦合金加工時切削速度一般不宜超過80m/min，當切削速度過高時，高溫導致Ti、Co 等元素不斷溶解-擴散，并伴隨嚴重的黏結磨損與氧化磨損，最終引起刀具材料強度顯著降低，加速刀具失效[14]。

1.2 刀具涂層材料

涂層硬質合金刀具相比無涂層硬質合金刀具可顯著降低鈦合金切削過程刀具磨損，提高刀具壽命[15]。根據涂層材料性質，刀具涂層可分為“硬”涂層與“軟”涂層。“硬”涂層是指具有高的硬度與耐磨性的涂層材料，適用于鈦合金加工刀具的“硬”涂層材料主要有TiA1N[16-17]、TiCN[18]、AlCrN、Ti6Al[19]等，涂層工藝主要有物理氣相沉積法（PVD）、化學氣相沉積法（CVD）等[20]。“軟”涂層主要指具有低摩擦系數的涂層材料，涂層本身起到自潤滑作用，如MoS2、WS2等，“軟”涂層的制備可采用溶膠- 凝膠法[21]。鈦合金加工硬質合金刀具涂層結構也經歷了從單層到多層[22]、從普通涂層到元素改性涂層以及納米涂層的發展[23]。

用于鈦合金加工的新型刀具“硬”涂層材料不斷涌現，Chang 等[24]制備了CrAlSiN 納米涂層硬質合金刀具，涂層硬度可達傳統TiAlN 涂層的1.3～1.4 倍，在350m/min 的高切削速度下，CrAlSiN 涂層的刀具壽命達到TiAlN 涂層刀具壽命的4.2 倍；肖白軍[25]采用AlCrN/AlTiSiN 多層納米涂層刀具進行鈦合金切削，刀具壽命是無涂層硬質合金刀具的3.7倍，單涂層刀具的1.6～2.0 倍。“軟”涂層材料方面，Lian 等[26]將CrCNWS2硬/軟復合涂層沉積在硬質合金刀具表面，提高了刀具在干切削鈦合金時的切削性能。涂層結構方面，Oganyan 等[27]比較了無涂層刀具與納米層結構的Ti-TiN-（Ti,Cr,Al）N 涂層、Zr-ZrN-（Zr,Cr,Al）N涂層刀具的鈦合金銑削性能，得出帶有納米涂層的刀具壽命比無涂層刀具壽命高2.5～3 倍；Lü 等[28]在硬質合金基體上制備了Si 元素梯度分布的TiAlSiN 涂層，相比較傳統TiAlN涂層硬度高147%、附著力提高了300%，并且證明在切削鈦合金時，梯度TiAlSiN 涂層的刀具壽命比非梯度TiAlSiN 涂層高75.4%。

1.3 超硬刀具材料

國內外學者一直在探尋超硬刀具材料用于鈦合金加工，立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及聚晶金剛石（PCD）等超硬刀具均可用于鈦合金切削[29]。從物理力學性能來看，PCD 刀具硬度最高，達8000HV，是硬質合金的5 倍以上；PCBN 硬度為3000～5000HV，達到硬質合金的2 倍以上。PCD 刀具導熱性優良，導熱系數達500W/（m·K）以上，是硬質合金的1.5～9 倍，其數值也遠高于PCBN 刀具。PCD 刀具熱膨脹系數較低，在切削加工中產生的切削熱容易散發，切削溫度較低，刀具不易產生大的熱變形，這一優越的特性對于尺寸精度要求極高的精密加工極為重要；PCD 材料還具有較好的化學惰性，在加工過程中鈦合金不容易黏結在刀尖上而形成積屑瘤。CBN 硬度僅次于PCD，熱穩定性極好，在大氣中加熱至1000℃也不發生氧化。PCBN 是由CBN 顆粒和按照一定比例組成的金屬黏結劑或陶瓷黏結劑在高溫高壓條件下燒結而成的，它克服了單晶CBN 各向異性的缺點[30]。超硬刀具材料與典型硬質合金刀具材料物理力學特性對比如表2所示[30-31]。

表2 超硬刀具材料與硬質合金刀具材料物理力學特性Table 2 Physical and mechanical properties of ultra-hard cutting tool material and cemented carbide

Amin 等[32]的研究表明，當采用1mm 軸向切深、32mm 徑向切深的大去除量切削鈦合金時，PCD 刀具穩定切削速度可以達到120～160m/min。Lindvall[33]、Ren[34]等研究了PCD 和PCBN 刀具高速連續車削Ti-6Al-4V 合金時的性能和磨損機制，發現PCD 刀具切削加工鈦合金在刀具壽命方面優于PCBN。

總體而言，涂層硬質合金刀具是目前企業進行航空鈦合金結構件加工的首選刀具，然而鈦合金加工過程刀具損耗嚴重、加工效率偏低、加工成本高的問題依然突出，仍需要硬質合金刀具材料技術與制備技術的不斷進步，從而降低刀具成本，提高加工效率。超硬材料刀具更適合于鈦合金高質量加工與高速精密加工，但是超硬刀具材料價格高，工程化應用受到高昂刀具成本的制約。

2 刀具結構

刀具結構對刀具鈦合金的切削性能和刀具壽命均產生重要影響，隨著刀具設計理論和制造技術的發展，越來越多的新型刀具結構用于鈦合金加工。

2.1 非對稱分布刀具結構

鈦合金彈性模量低，加工極易產生切削顫振，采用非對稱分布的刀具結構是解決切削顫振問題的有效途徑之一。通過改變刀齒分布形式可以得到非對稱分布結構銑刀，包括變螺旋角銑刀和變齒距銑刀。皇攀凌等[35]設計了變齒距、變螺旋角與變槽深結構刀具，并研究了不同刀具結構加工鈦合金時切削力和振動的變化規律，其研究結果表明螺旋角39°、齒間角83°～97°的變齒間角銑刀切削合力與銑削振動較小，最終得到了適用于Ti-6Al-4V 鈦合金加工的變齒距立銑刀刀具結構與優化的切削參數。Shaharun 等[36]指出同時具有變螺旋角（48°～53°）與變齒間角（60°～107°）的銑削刀具在切削鈦合金過程中具有更好的減振效果。

非對稱分布刀具結構優化的方法主要是通過動力學建模與穩定極限圖求解進行切削穩定性與刀具結構匹配，最終實現抑振或消除切削顫振，提高加工效率[37]。

2.2 刀具角度與刃口結構

刀具角度、刀齒分布形式及刃口結構是刀具結構設計中需要考慮的重要因素。多數研究工作集中于建立刀具角度與切削力及切削振動映射關系，從而實現刀具幾何參數的優化[38-39]。

刃口結構包括刃口形式與切削刃鈍圓半徑，刃口結構的選擇與加工工況密切相關。劉月萍[40]基于鈦合金切削仿真研究了倒棱刃、消振棱、白刃分別與鈍圓組合的硬質合金刀具刃口結構對切削力和溫度的影響，結果表明鈍圓半徑0.02～0.025mm、倒棱刃寬度0.06mm 的刃口復合結構可以得到最低切削溫度。Araujo等[41]通過鈦合金銑削試驗研究了刀具刃口半徑與前角對切削力和表面質量的影響，給出了優化的刀具幾何參數，并指出具有倒棱刃的PCD 刀片相比較于圓弧刃有更長的刀具壽命。姜振喜[42]基于TC4-DT 鈦合金力學性能，設計了具有仿生學原理的特殊槽型和微刃立銑刀，通過抑制切屑鋸齒化，有效地減小了切削力及其波動范圍，降低了硬質合金刀具切削振動和切削溫度，得到較小的表面粗糙度，如圖3所示[42]。田汝坤[43]根據鈦合金結構件難加工的特點，以前角、后角和螺旋角為因素，利用有限元軟件進行仿真，研究了刀具結構對結構件加工變形的影響并優選出適合加工鈦合金結構件的硬質合金刀具結構。Zhu 等[44]提出了適用于鈦合金-鋁合金疊層材料鉆削的新型多尖刃鉆頭、階梯刃鉆頭以及雙錐角鉆頭，其中雙錐角鉆削刀具與其他刀具相比軸向力更小，平均切削溫度更低，且刀具磨損較小，如圖4所示[44]。

圖3 鈦合金加工仿生刀具Fig.3 Bionic tool for machining titanium alloys

圖4 鈦合金-鋁合金疊層材料鉆削刀具Fig.4 Drills for drilling aluminum/titanium stack

2.3 特定加工需求的刀具

針對輪廓或簡單型腔結構鈦合金加工，山高公司開發了專用的玉米式銑刀，刀具直徑D為32～80mm，切深可達0.8D～2D[45]，實現大切深、大切寬強力銑削，極大地提高了切削效率，降低了切削成本；針對鈦合金結構件狹窄槽腔的幾何特征，山高公司開發了JCO710 波紋銑刀，可獲得較長的刀具壽命，適合大軸向切深鈦合金的高效粗加工；三菱材料公司專為鈦合金葉輪葉片的高效精加工而設計了一種新型六刃錐形圓桶球頭銑刀，可以在保持加工表面質量的同時實現高效加工；三菱CoolStar 系列整體立銑刀，將眾多冷卻液孔分布在刀具結構上，最大程度發揮切削液的冷卻作用，提高加工穩定性[46]；此外，三菱VFX 系列玉米銑刀，其外圓周刃可加工側面和臺階面的立面，底刃可加工平面，大幅提高了切削用量和加工效率，切削速度可達55m/min，進給量0.12mm/tooth，徑向切深10～45mm，軸向切深25～60mm，以直徑為63mm 為例，最大金屬去除量可達400cm3/min[47]；Helical 公司研發了適用于鈦合金加工的HXF 系列多齒硬質合金刀具，齒數達7～14 齒，通過增加刀齒數，減小每個刀齒切削載荷的同時有效提高切削效率。上述鈦合金加工專用刀具如圖5所示。

圖5 鈦合金加工專用刀具Fig.5 Special cutting tools for machining titanium alloys

1.3 刀具深冷處理技術

研究表明，切削刀具在-80～-196℃的低溫下進行深冷處理24～40h，可以改善刀具切削性能，提高刀具壽命[48]。Strano 等[49]通過試驗研究了-196℃液氮低溫處理的涂層硬質合金刀具切削性能，發現經過低溫處理的刀具基體與涂層材料硬度分別增加7%與11%，當切削鈦合金速度在62～79m/min 時，刀具壽命可以提高9%～30%。Sivalingam 等[50]研究了TiAlN/NbN 涂層硬質合金刀片在24h 與48h 液氮深冷處理后的鈦合金銑削過程中刀具磨損過程，與未經深冷處理的刀片相比，在經過48h和24h 低溫處理的刀片磨損分別降低了12%～23%和4%～11%，并同時觀察到了切削力和切削振動的降低。綜合結果表明，在相同的工作條件下，深冷處理刀具具有更好的加工性能和更長的刀具壽命。

鈦合金加工工藝技術

1 鈦合金加工工藝優化

目前鈦合金的切削加工工藝主要以車削、銑削和鉆削為主，航空鈦合金結構件加工以銑削為主。車削加工時切削溫度較高，刀具壽命低，大部分的研究致力于選用合適的切削液和工藝參數降低切削溫度。鈦合金銑削加工時，由于加工過程中循環熱力載荷的作用，使得切屑與刀刃容易黏結，刀具磨損嚴重，大部分的研究通過工藝參數優化減小刀具磨損，提高加工表面質量。鉆削加工時容易導致鉆頭燒結、卡鉆甚至折斷等問題，鉆孔質量差，多采用超聲輔助、改善加工環境等方法提高鈦合金鉆削的切削加工性。因此，合理的加工參數選擇對保證鈦合金加工質量、降低加工成本、提高生產效率具有重要意義。

常見的切削加工參數優化方法大多基于田口法[51-52]、響應曲面法[53]等設計試驗，以減小實際試驗組數，通過不同的分析方法，如方差分析、回歸分析法、神經網絡法、遺傳算法、蟻群優化、粒子群優化算法等，建立單、多因變量的預測模型，實現單一或多目標的加工參數優化，獲取最佳工藝參數組合。Jiang 等[54]通過正交試驗研究了干切削、潤滑液切削與微量潤滑（Minimum quantity lubrication,MQL）切削等不同冷卻潤滑條件下切削參數對鈦合金銑削表面粗糙度的影響，并通過多項式回歸擬合指出表面粗糙度值Ra對每齒進給量和軸向切深更敏感，相比較來說，Ra對切削速度和徑向切削深度不敏感。Gupta 等[55]應用響應曲面法和粒子群優化技術，在MQL 環境下，對鈦合金切削工藝參數進行多響應優化。另外，可以借助切削仿真進行工藝優化，建立切削過程有限元模型并對加工參數的選取提供指導[56]，既節省了試驗成本又能實現相應目標的優化分析。

通過目前的研究可以看出，在切削加工參數優化中，優化分析大都以單一目標提出最優加工參數方案，但從機械產品質量、刀具壽命、生產成本等多目標出發的優化參數方案獲取方面的研究還存在一定的局限性。

2 鈦合金綠色加工技術

由于鈦合金的難加工性，傳統的鈦合金切削加工需應用大量的切削液，環境污染嚴重，能源消耗較大。綠色高效切削加工鈦合金工藝受到越來越多的關注。目前國內外常用的鈦合金綠色加工工藝可分為綠色冷卻技術和綠色潤滑技術。其中綠色冷卻技術有低溫輔助冷卻切削（液氮、CO2）[57]、低溫空冷切削[58]、高壓冷卻切削[59-60]等。研究表明，與干切削和切削液切削相比，利用液氮和CO2進行低溫冷卻輔助切削可將切削溫度分別降低50%和15%～47%[61]，同時在試驗條件下刀具壽命可提高16%～100%[62-63]，表面粗糙度可降低31%～39%[64]。高壓冷卻切削主要是在切削液噴射過程中加入壓力，提高對流換熱系數從而降低切削溫度，與干切削相比，可提高刀具壽命55%～60%[60]。Jamil 等[65]通過CO2-snow 與液氮冷卻的鈦合金車削試驗發現，相比較于液氮冷卻，CO2-snow 具有更好的冷卻效果，刀具磨損、切削力、表面粗糙度總體更小。

綠色潤滑技術有噴霧射流潤滑（Atomization-based cutting fluid,ACF）[66]、MQL[67-69]、水蒸氣冷卻潤滑[70]等。噴霧射流技術是利用高速氣體將潤滑液分散成均勻大小的液滴，形成聚焦的射流進入刀屑接觸區，實現冷卻潤滑的效果。研究表明，噴霧射流技術應用于鈦合金切削中可有效提高刀具壽命[71]。MQL 技術能在最小切削液用量的條件下實現最大潤滑效果，該技術利用高壓將少量切削液噴射至切削區域，在降低切削溫度的同時實現較好的潤滑效果，從而達到可持續、低成本切削的目的[72]。水蒸氣冷卻潤滑是通過水蒸氣與金屬表面發生化學反應，形成的多維金屬氧化邊界潤滑層，增加了潤滑效果，從而降低切削力、提高刀具壽命[73]。Jamil 等[74]提出采用乙醇-脂類油-干冰混合進行冷卻潤滑可以降低切削過程摩擦力。

近年來，研究人員將納米顆粒混合在冷卻介質中，借助納米顆粒的高導熱性和潤滑性提高切削加工中的冷卻和潤滑效果，從而降低切削溫度和切削力，減少刀具磨損，以此提出一系列新的冷卻潤滑技術。納米顆粒包括SiO2、SiC、碳納米管（CNTs） 、Al2O3[75]、石墨烯[76]、氧化石墨烯[77-78]、石墨等[79]。Li 等[76]將石墨烯混合在植物油中進行鈦合金銑削，通過對切削力、切削溫度和表面完整性等銑削特性的對比，得出石墨烯添加劑可以提高銑削區油膜的冷卻和潤滑性能，能有效改善材料的銑削性能。Yi等[78]在鈦合金鉆削加工中將氧化石墨烯混合于切削液中，有效地改善了切削液的潤滑作用，獲得了更好的鉆孔表面，切削力減小了17.21%。將納米顆粒流體與MQL 技術相結合，并通過參數優化，能夠充分發揮納米顆粒的導熱與潤滑作用[80-81]，如圖6所示[80]。Bai 等[75]以花生油為基體進行了鈦合金銑削試驗，探索6 種不同的納米流體（Al2O3、SiO2、MoS2、CNTs、SiC、石墨）對鈦合金加工的影響，得出Al2O3和SiO2納米流體對切削液的潤滑作用提高最多。此外，Singh 等[82]將Ranque-Hilsch 渦流管引入MQL 冷卻系統，通過純鈦切削加工證明了相比于傳統MQL 具有降低刀具磨損的效果。

圖6 納米流體潤滑磨削鈦合金Fig.6 Nanofluid in grinding titanium alloys

由于鈦合金綠色加工技術涉及傳熱學、摩擦學、流體力學等多學科的交叉融合，目前鈦合金綠色加工技術的研究多停留在試驗階段，其具體的綠色加工機理的研究較少。因此需要深入分析切削液與刀具、工件、切屑間的冷卻、潤滑作用機理，提出針對不同需求的綠色加工工藝，實現鈦合金綠色高效加工。

鈦合金結構件切削加工顫振

1 鈦合金結構件切削加工顫振分析與穩定性預測

鈦合金結構件弱剛性特征導致加工顫振問題尤為突出，加工過程顫振分析與穩定性預測引起學術界與工程界的廣泛關注。等[83]通過主軸組件速度相關的動態行為建模研究，建立了考慮主軸-刀具-薄壁工件動態特性的動力學模型，并驗證了其在銑削穩定性預測中的正確性。梁睿君等[84]針對弱剛性薄壁零件頻響特點與高階動態特性，研究了多自由度銑削動力學建模方法并提出無顫振穩定切削參數閾值。Wang等[85]針對薄壁件銑削過程時變動態特征與多模態耦合特征提出一種多模態動力學建模方法，從而進行銑削穩定性預測。

目前鈦合金結構件切削加工顫振分析與穩定性預測研究工作主要分為兩方面，一方面集中在發展傳統穩定性極限圖模型，從二維向多維演變；另一方面，充分考慮薄壁結構切削過程時變動力學特性與非線性特性并集成在動力學建模中，以提升顫振穩定性預測精度[86]。

2 鈦合金結構件切削加工顫振抑制

鈦合金結構件切削顫振抑制主要包括增強系統剛度特性、阻尼特性和工藝優化等。

（1）增加切削系統的剛度或者阻尼。Kolluru 等[87]提出將分散的質量體作為粘彈性層附置于大型薄壁零件上，這種表面阻尼方法可以有效地抑制這一工況的加工振動（圖7）。Wan 等[88]提出在薄壁件上附加質量塊，并通過數值計算附加質量塊的工件模型模態參數，結合計算結果進行質量分布優化，最終提高薄壁件切削穩定性（圖8）。Yang 等[89]通過將單自由度被動阻尼器集成在銑刀內部，設計了一種適用于加工深腔和深孔特征的阻尼銑刀，并通過試驗證明了阻尼銑刀在長徑比為8 的情況下可以減小75%的切削振幅。

圖7 附加粘彈性層減振Fig.7 Applying dampers to suppress chatter

圖8 附加質量塊減振Fig.8 Attaching additional masses to suppress chatter

調諧質量吸振器是一種常被用來附加于工件之上以增加工件被動阻尼進而實現加工振動抑制的裝置。調諧質量吸振器的工作原理為能量消耗，由質量塊、彈簧和阻尼原件組成[90]。此外，通過切削過程中采集的振動和切削力等信號進行顫振實時判斷，并利用磁流變液[91]、壓電陶瓷[92]等智能材料開發驅動器，對振動系統施加外部載荷制動從而主動抑制顫振的方法同樣能夠有效提高切削穩定性，Butt 等[93]通過在機床主軸上安裝非接觸渦流阻尼，實現了薄壁葉片類零件銑削抑振，并驗證了其阻尼可控性與復雜切削路徑的適應性。主動方法雖然可獲得較好的顫振抑制效果，但主動控制系統較為復雜，穩定性不足。

合理的輔助支撐可以加固工件薄弱環節，提高薄壁件切削系統剛度，有利于抑制切削振動和減小加工變形，從而提高加工質量和加工效率。目前，輔助支撐加工方法主要包括填充物輔助支撐以及工裝輔助支撐等。填充物輔助支撐通過在容器中或薄壁框內添加填充材料，如相變材料、低熔點合金、石蠟等，以達到增強薄弱環節加工剛度的目的。葛茂杰[94]利用石蠟填充進行鈦合金薄壁件腹板和側壁的銑削，提高了加工穩定性，減小了加工變形。Liu 等[95]通過比較有無氣射流輔助支撐的Ti-6Al-4V 薄壁零件銑削動力學特性，證明了氣射流輔助支撐可以提高切削穩定性并降低切削力，從而改善表面質量并減小零件變形。

（2）優化刀具參數和切削參數。賈興民[96]針對鈦合金腹板切削易振動問題，基于銑削系統動力學模型分析了抑制腹板振動的策略，在保證加工效率的前提下，從刀具結構角度進行了抑制鈦合金腹板振動的刀具底刃開發設計。通過優化切削參數同樣可以起到提高鈦合金結構件切削過程穩定性的作用。李紅衛等[97]通過對薄壁鈦合金零件加工動力學分析，建立了以顫振幅值為約束條件，材料去除效率為目標的切削參數優化函數。Tunc 等[98]研究了刀具后角、后刀面幾何結構等刀具參數以及徑向切削深度等切削參數對切削過程阻尼影響規律，指出具有圓弧過渡的后刀面相比較平面型后刀面可以增加切削過程阻尼特性，提高切削穩定性。此外，加速切削法與調速切削法也被認為可以有效抑制切削顫振[99-100]。

復合能場鈦合金加工新技術

除了傳統的鈦合金切削加工研究，國內外學者圍繞超聲、激光等多能場鈦合金復合加工進行了相關研究。

1 超聲振動輔助加工

超聲振動輔助加工（Ultrasonic Vibration assisted machining，UVAM）技術指的是在切削過程中，給刀具或者工件施加特定方向上的超聲頻段的微米級振動，從而達到降低切削力、提高加工表面質量、延長刀具壽命的目的[101]。

將超聲振動應用于鈦合金的銑削加工過程研究較少，近幾年才引起學者的關注。Ni 等[102]提出了一種用于分析超聲振動輔助銑削過程中刀具與工件接觸率的解析模型，通過試驗研究加工參數對Ti-6Al-4V 超聲振動輔助加工性能的影響、結果表明，UVAM 方法在降低切削力、提高工件表面質量、抑制毛刺形成等方面具有明顯的優勢。

與常規銑削相比，Tong 等[103]的研究表明薄壁鈦合金銑削過程中的超聲振動輔助加工可以降低切削力，提高表面質量以及減少振紋的產生。Liu[104]、Han[105]等通過對超聲橢圓振動輔助Ti-6Al-4V 高速銑削研究，證明橢圓振動UVAM 具有延長刀具壽命、產生更短更薄的切屑、并在合適的參數水平下降低切削力的作用。此外，這種方法還產生了更高的殘余壓應力，但是對于表面粗糙度來說，僅有合適的超聲參數與切削參數匹配才能獲得更低的表面粗糙度數值，大部分情況下，超聲橢圓振動輔助加工鈦合金會對表面質量產生不利影響，如圖9所示[105]。

圖9 超聲橢圓振動輔助銑削Fig.9 Ultrasonic elliptical vibration-assisted milling

2 激光輔助加工

激光輔助加工（Laser-assisted machining，LAM）通過引入高能量密度的激光源，對切削區域待加工部位的材料進行局部加熱，改變材料切削性能，從而達到降低切削力、提高切削效率的目的[106]。激光輔助加工技術在20世紀70年代提出，大多用于高硬度、高脆性材料，如工程陶瓷、工具鋼等。鈦合金激光輔助切削加工技術目前研究較少，主要集中在切削力方面。Dandekar 等[107]研究了TiAlN涂層硬質合金刀具LAM 鈦合金Ti-6Al-4V 的加工性能，切削速度可達200m/min，相比于傳統加工手段，刀具壽命提升2～3 倍。Bermingham 等[108]認為，硬質合金刀具進行鈦合金高速車削時，刀具的黏結磨損與擴散磨損機制占主導地位，輔助加熱切削雖然可以降低切削力，但溫度升高的同時對刀具壽命會產生不利影響；但在銑削等斷續加工過程中，刀具破損占主導地位，加熱輔助切削會對刀具壽命帶來有益的影響。高延峰等[109]通過試驗證明了激光輔助銑削鈦合金有助于減小材料剪切抗力，同時指出切屑向連續型演變，絕熱剪切帶變得不再明顯。

目前，對于鈦合金LAM 中切削機理的研究較少，LAM 是一項復雜的多能場復合加工技術，高溫下的材料摩擦行為與分離規律需要進一步的研究，高溫下刀具磨損機理也需要深入揭示。

結論

鈦合金結構件加工過程面臨材料與結構難加工性的雙重挑戰，目前PCD、PCBN 刀具雖然可以用于鈦合金高速切削，但存在成本高、耐沖擊性不足的缺點，硬質合金刀具仍然是鈦合金結構件加工的主力刀具。但是硬質合金刀具加工鈦合金刀具損耗嚴重，效率不足，需要大量使用切削液，與綠色加工趨勢相違背，工業界對鈦合金加工新型刀具材料、涂層材料以及刀具結構的需求永無止境，我國在該領域與國外技術水平還存在一定的差距，特別是高端刀具領域，需進一步加強研發力度。工藝優化方面，綜合考慮加工質量、刀具壽命、生產成本等多目標優化方案尚需系統研究，不同冷卻潤滑介質在刀具、工件、切屑中的耦合作用機理仍然需要深入揭示，從而避免工藝方案制定與切削液選用的盲目性，為實際生產提供切實指導。總體來說，鈦合金加工是一項系統工程，還涉及機床、夾具等，目前鈦合金難加工屬性并未改變，亟待通過變革性的工藝進步，突破鈦合金結構件加工質量與加工效率提升的瓶頸難題，推動航空制造技術進步。