紧固螺栓作为航空设备承力构件衔接的主题基础件，直接决定着航空设备运行的靠得住性。随着现代航空设备向高速、沉载及轻量化的方向发展，对航空螺栓的靠得住性和委顿强度需要日益提升[1]。由于钛合金拥有高强度、低密度蹬着势，被国际航空工业强国成功利用并获得优良成效。例如，俄罗斯图204飞机紧固件以钛代钢后，其结构质量减轻了688 kg[2]
？杉，钛合金对航空设备的减沉成效显著。但由于钛合金表表缺口敏感性引起的委顿失效造约了航空螺栓承载能力的进一步提升，限度了我国航空设备的急剧发展。若何降低钛合金螺栓在加工过程中引起的表表缺口敏感性对提高航空设备靠得住性拥有沉要意思。为了尽早解决钛合金因缺口敏感造成航空螺栓委顿失效问题，《机械工程学科发展战术汇报(2021—2035)》中将航空螺栓精密加工技术的有关钻研列为未来5～15年沉点和优先发展领域[3]。

超声辅助切削是一种新兴精亲昵削加工工艺，该加工技术在刀具上施加高频振动，使加工刀具产生脉冲间歇式的切削活动，使刀具与工件表表周期性接触和分离，进而降低刀具热量，提高表表加工质量[4]。Peng z L等[5]钻研了分歧超声切削参数对工件表表粗糙度的影响，发现了超声振幅的增大可降低工件的表表粗糙度值，改善加工工件的表表缺口敏感性。张晓辉等[6]利用数值仿照的步骤钻研了超声切削和传统切削对钛合金TC4表表残存应力散布影响，钻研结论讲了然同所有削参数下超声切削诱导的最大残存压应力大于传统切削。Bai w等[7]的钻研结论证了然超声切削引起的高频振动促使工件表表残存拉应力转变为压应力，进而改善工件的抗委顿机能。

1、试验规划

在华南理工大学超声切削加工试验台上发展超声切削和传统切削试验，超声切削系统振动频率为27 kHz，具体超声切削试验台架如图1所示。TB9钛合金切削试样尺寸为φ=20 mm×60 mm，试验选用的切削刀具资料为硬质合金刀具，刀具商标为cNMGl20408，其前角为5°，后角为5°，刃倾角为0°，主偏角为95°，刀尖圆弧半径为0.4mm。试验用TB9钛合金资料成分见表1。由于钻研重要关注螺栓镦造实现后的杆部精加工，而最后的精加工对钛合金表表齐全性和表表缺口敏感性影响尤为显著。经过大量的试验验证，最终确定切削参数的合理领域，并将设置统一的切削参数为：切削转速400r/min、切削进0.02mm/r、切削深度0.05mm。试验首先对比超声切削与传统切削的加工机能，并进一步选取单成分试验法钻研分歧的超声振幅(6um、8μm、10μm)对TB9钛合金削机能的影响。

通过3D描摹仪获取分歧切削参数加工后试样的表表描摹特点；利用美国IHEC三维概括仪丈量试样的表表概括特点；选取YDcⅢ89A型压电石英刀杆式三向车削测力仪丈量切削过程中的力值；切削试验实现后，利用扫描电镜SEM观察刀具磨损特点。

2、试验了局分析

2.1切削力

在钛合金切削过程中，与钛合金表表齐全性和表表缺口敏感性有关的是主切削力，且主切削力与刀具前导磨损描摹直接有关。固然其他方向上的进给抗力和切深抗力的变动法规对刀具磨损描摹有着肯定影响，但起到主导作用的是主切削力，钻研主切削力与切削参数之间的变动法规，对揭示刀具摩擦失效机造有着沉要意思。图2为传统切削和超声切削的主切削力变动曲线。传统切削的主切削力均匀值为248N，切削力曲线的变动区间较大，说了然传统切削诱导的机械颠簸显著。超声切削的主切削力别离为182N、165N和146N，与传统切削相比，超声切削的主切削力显著降低，超声振幅为10um试样的主切削力最大降低了41.13％。且超声切削力最大值与最幼值的颠簸区问相对较幼，说了然超声切削加工不变性优于传统切削。对比图2b、c和d，能够看出随着超声振幅的增长，主切削力有降落趋向，这是由于超声振幅的增长，耽搁了切削刀具与工件之间的分离功夫，改善了刀具的散热成效。

2.2表表加工描摹

由图3可知，传统切削表表和超声切削表表均法规性散布着机械加工痕迹。图3a中传统切削加工痕迹较深，波峰与波谷之差最大为49.4μm，且加工划痕之间散布相对不均匀，由于切削划痕深度不一致，导致TB9试样表表的加工质量较差。经过 超声切削后的试样表表机械痕迹深度降低，机械痕迹之间的间距根基不变，超声切削表表质量显著提高。该当把稳的是随着超声振幅的增长，试样表表的切削痕迹深度降低，其中超声振幅为10μm的试样3划痕深度最低，为19.1μm(图3d)。与传统切削相比，划痕深度降低了61.34％。是由于超声切削过程中刀具活动轨迹扭转了传统切削加工的去除资料机理。张翔宇等[8]，进一步以为超声切削的分离作用使足够的冷却液经过切削区域，强造实现刀具对流换热，最终降低切削温度。

2.3刀具磨损描摹

传统切削和超声切削的前刀具磨损SEM如图4所示。由图4a能够看出，传统切削刀具前导出现崩刃，刀刃处有片状粘结物存在，在主切削刃靠近刀尖处有剥落凹坑，这是由月牙洼磨损所形成，当刀尖强度低于切屑中硬质粒子的反复冲击、刮擦后，月牙洼迅速扩大。此表，刀具与切屑接触区机械载荷与扰爪力的反复作用导致了接触委顿与扰爪力委顿，当超过刀具资料的委顿极限时，切削刃左近萌生裂纹并迅速扩大，在冲击载荷作用下导致剥落从而形成凹坑[9]。同时在主切削刃上观察到微裂纹，若持续切削，微裂纹会沿切削刃不休扩大，崩刃缺口持续增大。与传统切削分歧的是，超声切削刀具表表未观察到崩刃景象，前导状态维持优良，说了然超声切削在加工表表质量方面拥有显著优势。应该注明的是，超声切削与传统切削在去除资料机理方面存在性质分歧，在切削过程中，切削刀具在超声变幅杆的作用下，其活动轨迹为椭圆曲线，在切削试样表表引起的划痕和沟槽起到肯定的光整作用，并降低了切削加工中的切削力和切削振动，提高了切削不变性[10]。有关钻研证了然超声切削功夫相对于传统切削加工较短，刀具与工件、切屑齐全分离的功夫占切削总时问的80％以上。同时依附瞬间的高速切削将资料切除，使得刀具所受到的摩擦变幼，产生的热量大大降低，刀具磨损水平显著削减，切削表表的加工质量得到有效改善[5,8,11]。

传统切削和超声切削的后刀具磨损SEM如图5所示。通常选取后导的磨损量作为评价刀具的磨损寿命，并在刀具磨损描摹分析中，首先观察刀具的后导磨损特点。由图5a可知，刀具涂层脱落严沉，说了然传统切削刀具表表磨损相对剧烈，后导散布着显著的沟槽特点，属于典型的磨粒磨损特点。而刀具磨损水平取决于刀具资料的硬度及耐磨性，出现磨粒磨损的的原因重要是切削过程中的资料脱落参加了刀具与试样接触界面的高温磨损，形成高硬度的化合物并在切削中充任磨粒，刀具与试样切削时在刀具表表不休摩擦，导致刀具后导产生磨粒磨损并形成表表裂纹[12]。由图5b～c可知，超声切削刀具磨损表表未观察到显著的磨；酃挡，但存在分歧水平的刀具涂层脱落，同时陪伴着轻微的资料粘结景象。值妥贴心的是超声振幅为10μm时(图5d)，刀具后导磨损较轻，表表涂层未出现大面积脱落。

进一步利用EDS析对比了传统切削和超声切削加工后刀具能谱分成分，如表2所示
Ｄ芄豢吹，传统切削的刀具区域A的能谱中检测到其表表覆盖了大量的Ti元素同时检测到O元素比例为9.56％，说了然传统切削刀具在加工TB9钛合金过程中陪伴着氧化磨损。由图5a刀具磨损描摹能够揣摩出传统切削的磨损大局重要以磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损为主。在超声切削刀具的能谱分析了局中，区域B的EDS分析了局讲了然超声切削刀具粘结区域中B元素含量降低至2.59％，这是由于超声切削将陆续的加工方式转化为断续切削加工[8,10,13]，使刀具在切削中的温度大幅度降低，有效地提高了刀具的使用寿命和试样的加工质量。结合图5b～d超声刀具磨损描摹最终确定超声切削刀具的磨损大局转变为轻微的磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损为主。

3、结语

钻研以TB9钛合金为钻研对象，别离调查了传统切削和分歧超声振幅的超声切削对切削力、表表加工描摹以及刀具磨损特点等方面的影响，得到的重要钻研结论如下：

(1)超声切削加工有效减幼了TB9钛合金试样的主切削力，且切削颠簸相对较幼。与传统切削加工相对，超声振幅为10um试样的主切削力最大减幼了41.13％。

(2)与传统切削加工相对，超声切削加工TB9钛合金试样的表表质量显著提高，加工中的机械划痕深度最大减幼了61.34％。

(3)超声切削可能降低切削中磨粒磨损，有效降低切削刀具中粘结区域的含氧量，刀具磨损大局重要阐发为轻微的磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损损为主。

参考文件

[1]刘乐，殷银银，金宏，等.超大规格GH4169高温合金螺栓成形工艺及模具结构优化[J].造作技术与机床.2022(4)：110.115.

[2]赵谋周，刘存，李健.某型机机翼装配中高强度钛合金螺栓断裂分析与试验钻研[J]机械钻研与利用，2017，30(1)：77-79.

[3]国度天然科学基金委员会工程与资料科学部.机械工程学科发展战术汇报(202l～2035)[M].北京：科学出版社，2021.

[4]孟倩.圆片刀超声切削Nomex蜂窝芯表表质量钻研[D].大连：大连理工大学，2020.

[5]Peng z L，zhang x Y，zhallg D Y.Improvement of Ti-6Al-4V surface integrity through the use of high.peed ultrasonic vibration cutting[J].

Trib0109y Intemational，202l，30(160)：107025．

[6]张晓辉，罗明明，许幸新，等．超声辅助钛合金切削的表表残存应力数值仿真[J]推算机仿真，2016，33(5)：208．211．

[7] Bai W，Sun R L，Ju譬en L．et a1．Microstructural evolution of Ti6A14v in ultrasOnically assisted cutting：Numerical mOdelling and experimental analysis[J]ultrasonics，2017，78：70-82．

[8]张翔宇，路正惠，彭振龙，等．钛合金的高质高效超声振动切削加工[J]．机械丁程学报，202l，57f5)：133—147．

[9]胡智特，秦娜，刘凡．超声振动车削TC4钛合金的切削机能钻研[J]机械设计与造作，2叭8(2)：164一166．

[10]代兵．基于二维超声振动辅助迪胙合金切削加工分析与试验钻研[J]．金刚石与磨料磨具工程，2020，40(6)：92．96．

[11]张明军．硬质合金二维超声车削过程及加工表表质量的试验钻研[D]．焦作：河南理工大学，2019

[12]宋绪浩．钛合金切削加工表表质量调控钻研[D]．赤峰：山东大学，2020．

[13]彭振龙，张翔宇，张德远．航空航天难加工资料高速超声颠簸式切削步骤[J]航空学报，2022，43(4)：60-78

第一作者：刘乐，男，1988年生，硕士，工程师，钻研方向为航空航天紧固件研发及工艺。E-mail：liule20210629@163．com

通讯作者：张亚龙，男，1990年生，博士，讲师，钻研方向为航空基础件委顿延寿技术。E-mail：zhangyalong@zua．edu．cn