引用論文

Feng Feng, Hanhui Zhan, Zhipeng Xu, Guangping Wang, Jianfu Zhang, Jianjian Wang, Xiangyu Zhang, Pingfa Feng,Precise machinability improvement of Ti-10V-2Fe-3Al hole using high-speed ultrasonic vibration grinding, Chinese Journal of Mechanical Engineering, Volume 38, 2025, 100166, https://doi.org/10.1016/j.cjme.2025.100166.

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01

研究背景及目的

Ti-10V-2Fe-3Al（TB6）鈦合金因其高比強(qiáng)度和優(yōu)異耐腐蝕性，被廣泛用于航空飛行器的承力孔制造。承力孔負(fù)載環(huán)境復(fù)雜，疲勞失效問題突出，其加工質(zhì)量對飛行器的服役性能至關(guān)重要。但受限于鈦合金導(dǎo)熱性差與高硬度特性及內(nèi)孔狹窄結(jié)構(gòu)的影響，鈦合金孔的磨削過程中表面燒傷與刀具磨損嚴(yán)重，亟待發(fā)展更高效精密的加工技術(shù)。

超聲振動磨削在降力降熱、提高加工性能方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。采用較高的磨削速度可以進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和效率。然而目前的研究對于超聲螺旋磨削孔的分離模型、刀具磨損與表面質(zhì)量之間的動態(tài)關(guān)系關(guān)注較少。為了進(jìn)一步理解超聲螺旋磨削技術(shù)特點(diǎn)，本文將基于多磨粒磨削分離機(jī)理，研究超聲磨削在表面質(zhì)量與刀具磨損上的改善效果。

02

試驗(yàn)方法

建立了如圖1所示的超聲螺旋磨削的磨頭和單顆磨粒的運(yùn)動學(xué)模型，提出了超聲螺旋磨削的分離原理，揭示了磨粒與工件分離并實(shí)現(xiàn)空切效果的機(jī)理，闡明了磨頭多刃切削模式在滿足分離條件的基礎(chǔ)上可大幅提高加工效率，進(jìn)一步確定了如圖2所示實(shí)現(xiàn)多顆磨粒疊加分離的工藝參數(shù)臨界條件。

圖1 超聲振動螺旋磨削示意圖

圖2 多磨粒臨界分離條件示意圖

其次通過在分離條件下的工藝參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行普通磨削和超聲磨削的對比實(shí)驗(yàn)，分析磨削過程中的磨頭磨損形式與機(jī)理及其對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，探究超聲磨削對于高精度高效率加工內(nèi)孔的性能影響。實(shí)驗(yàn)過程中使用的工件為直徑10 mm、深度20 mm的TB6鈦合金承力孔，使用的磨削刀具為直徑8 mm、粒度200 #的十字槽電鍍立方氮化硼（CBN）磨頭，所有實(shí)驗(yàn)在如圖3所示的超聲磨削實(shí)驗(yàn)平臺上完成。

圖3 超聲磨削實(shí)驗(yàn)平臺

03

結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲磨削能夠降低磨削表面粗糙度并延長刀具壽命。如圖4所示，在該加工參數(shù)下超聲磨削相較于普通磨削的刀具壽命延長了97%，表面粗糙度最大降低了62%。

圖4 不同累計(jì)材料去除量下的表面粗糙度

如圖5所示，普通磨削的材料沿磨粒兩側(cè)擠壓排出，形成溝槽狀、平行分布的劃痕。超聲磨削形成的劃痕在垂直于切削速度方向上呈現(xiàn)正弦狀重疊紋理，能夠進(jìn)一步降低表面殘余高度。

圖5 磨削表面三維形貌對比圖

在刀具的初始磨損階段，加工表面可見清晰的磨粒切削劃痕，并伴有輕微材料沉積；進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后，表面質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，劃痕清晰且無材料沉積；至劇烈磨損階段，表面質(zhì)量顯著惡化，大量沉積物粘附于表面致使加工軌跡難以辨識。如圖6所示，超聲磨削的刀具可在更長時間內(nèi)保持穩(wěn)定加工狀態(tài)。

圖6 不同刀具磨損階段下的磨削表面形貌

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲磨削的振幅從0 μm增大至6 μm時，粗糙度降低了17.3%，磨削力下降了26.2%；當(dāng)振幅進(jìn)一步增加至12 μm時，粗糙度降幅達(dá)46.1%，磨削力降幅為37.9%。

圖7 不同超聲振幅下的表面粗糙度和磨削力

在不同工藝參數(shù)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，如圖8所示，以表面粗糙度Sa=1.2 μm作為加工標(biāo)準(zhǔn)時，超聲磨削的最大材料去除率相較于普通磨削可提升約82%。

圖8 不同超聲振幅下的材料去除率和表面粗糙度

04

結(jié)論

（1）超聲磨削顯著改善了TB6鈦合金的加工性能，具體表現(xiàn)為：刀具壽命最高可延長97%，表面粗糙度最大降幅達(dá)62%。

（2）不同形式的磨損對磨削力的影響不同，約20%的粘附率是導(dǎo)致刀具失效的主要原因；而超聲磨削能有效減緩刀具磨損，并最高降低磨削力57%。

（3）在連續(xù)加工過程中，表面形貌隨刀具磨損呈現(xiàn)階段性演變：初期劃痕較深伴輕微材料沉積；穩(wěn)定階段超聲磨削表面呈現(xiàn)重疊的正弦磨痕，質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)；劇烈磨損階段則出現(xiàn)嚴(yán)重材料粘附。

（4）在特定參數(shù)范圍內(nèi)，提高磨削速度與增大超聲振幅均有助于降低表面粗糙度與磨削力，并能提高材料去除率。

05

前景與應(yīng)用

Ti-10V-2Fe-3Al（TB6）鈦合金屬于近β相鈦合金，具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、鍛造性能和抗疲勞能力，當(dāng)其強(qiáng)度與TC4鈦合金相當(dāng)時，重量僅為TC4鈦合金的80 %，被越來越廣泛地應(yīng)用于航空航天與汽車制造等領(lǐng)域。但TB6鈦合金作為典型的難加工材料，在加工過程中面臨多重挑戰(zhàn)，表面質(zhì)量與刀具壽命難以保證。深入開展TB6鈦合金超聲磨削技術(shù)研究，著力解決高質(zhì)量與高效率加工難題，能夠?yàn)槠湓诟呔舛祟I(lǐng)域的深化應(yīng)用提供關(guān)鍵加工技術(shù)支持。

關(guān)于作者

01

作者介紹

馮平法，清華大學(xué)長聘教授，深圳市鵬城學(xué)者特聘教授，中國金屬切削刀具協(xié)會切削先進(jìn)技術(shù)研究分會常務(wù)理事，中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會理事，超聲加工委員會副主任委員。主要從事智能制造與精密加工領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，國家級精品課、國家一流本科課程“制造工程基礎(chǔ)”負(fù)責(zé)人，獲北京市優(yōu)秀教師、清華大學(xué)良師益友等榮譽(yù)。主持完成國家973計(jì)劃、重大專項(xiàng)、自然科學(xué)基金、國際合作及企業(yè)合作課題20余項(xiàng)，獲中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎1項(xiàng)，北京市科技發(fā)明獎1項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余項(xiàng)。

馮峰，清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授，長期從事智能制造與精密加工技術(shù)研究工作，具體涉及先進(jìn)制造裝備與工藝、復(fù)合材料制造技術(shù)、制造裝備數(shù)字孿生技術(shù)等方向，以第一或通訊作者發(fā)表SCI論文60余篇（ESI高被引用論文1篇、期刊封面論文1篇、期刊Highlights論文2篇），以第一發(fā)明人獲得國家發(fā)明專利授權(quán)10余項(xiàng)、美國PCT專利授權(quán)1項(xiàng)。作為負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金、國家工業(yè)母機(jī)重大專項(xiàng)課題、廣東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目課題等各級科研課題20余項(xiàng)。中國機(jī)械工程學(xué)會高級會員、中國機(jī)械工程學(xué)會表面工程分會委員、中國民主同盟深圳市高等教育委員會委員。

詹寒慧，清華大學(xué)機(jī)械專業(yè)工學(xué)碩士。主要研究方向?yàn)殁伜辖鹁芗庸ず统曒o助磨削。

張翔宇，男，1990 年生，工學(xué)博士，現(xiàn)任清華大學(xué)機(jī)械工程系助理研究員。主要從事智能制造和超聲精密加工相關(guān)技術(shù)等研究工作。主持和參與多項(xiàng)國家重點(diǎn)項(xiàng)目，發(fā)表 SCI/EI 收錄期刊論文60余篇、參與出版專著1部、授權(quán)發(fā)明專利10余項(xiàng)和省部級獎勵1項(xiàng)。

03

近兩年團(tuán)隊(duì)發(fā)表文章

[1] S.L. Feng, P.F. Feng, F. Feng*, H.L. Zheng, J.F. Zhang, X.Y. Zhang*, Rotary ultrasonic rolling chamfer: impact on surface integrity and fatigue performance of load-bearing holes, Int. J. Fatigue, 203 (2026) 109269.

[2] J. Xu, P.F. Feng, Y.H. Gong, J.J. Wang, H.T. Yang, F. Feng*, Exploiting damage for inhibiting damage: A counterintuitive reasoning out of in-situ orthogonal cutting for brittle fiber composite,J. Mater. Process. Tech.,343 (2025) 118961.

[3] W.M. Zhou, P.F. Feng, W. Ji, Z.Y. Wang, Y. Ma, E.L. Jiang, H.T. Zha, Z.P. Cai, F. Feng*, Multiscale analysis on the wear process of cemented carbide tools during titanium alloy machining, Friction, 13 (2025) 9440921.

[4] Z. Zhu, P.F. Feng, M. Yuan, K. Zhou, J. Blumberg, E.L. Jiang, E. Uhlmann, F. Feng*, Functionalization and prediction of end milling surface topography based on a perspective decoupling chatter and forced vibration, J. Manuf. Process., 154 (2025) 563–576.

[5] Y.Y. Liang, P.F. Feng, Z.Y. Song, S.W. Zhu, T. Wang, J. Xu, Q.Z. Yue, E.L. Jiang, Y. Ma, G. Song, X.M. Yuan, F. Feng*, Wear mechanisms of straight blade tool by dual-periodic impact platform, Int. J. Mech. Sci., 288 (2025) 110031.

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[8] G. Zhou, K. Zhou, J. Zhang, M. Yuan, X.H. Wang, P.F. Feng, M. Zhang*, F. Feng*, Digital modeling-driven chatter suppression for thin-walled part manufacturing, J. Intell. Manuf., 35 (2024) 289-305.

作 者：馮平法

責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對：向映姣

審 核：張 強(qiáng)

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