航空航天难加工材料和结构的特种能场辅助机械加工

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1. 文章导读

轻量化、高可靠、长寿命是航空航天装备的发展趋势，这促进了难加工材料和结构的大量应用。传统机械加工是航空航天零部件的主要材料去除工艺，但在加工高强、高韧、高硬、各向异性、非均质性等难加工材料以及薄壁、微细等难加工结构方面，单一传统机械加工方法面临材料去除效率低、表面完整性难保障等问题。因此，亟需创新发展机械加工工艺以应对航空航天难加工材料和结构高效高质量加工的挑战。在此背景下，人们提出了特种能场辅助机械加工的复合加工方法。该方法中，热能、声能、电能、磁能、化学能等特种能场用于提高待加工区域材料的切削加工性，从而降低了机械加工的难度，实现难加工材料和结构的高效高质量加工。近期，南京航空航天大学机电学院的赵国龙教授、赵彪副研究员、丁文锋教授（通讯作者）等在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《航空航天难加工材料和结构的特种能场辅助机械加工：对比分析》的综述，系统介绍了特种能场辅助机械加工的研究背景、最新进展及未来展望。图1展示了几种主要的特种能场辅助机械加工工艺，包括振动、激光、复合特种能场、其它特种能场（电能、磁能、化学能和射流）辅助机械加工，同时展示了该复合加工工艺的优势以及在航空航天领域的应用。

亮点：

● 系统介绍了特种能场辅助机械加工工艺方法和原理

● 总结了各种复合加工工艺的优势和局限性

● 展望了复合加工工艺正向设计、装备开发和可持续性

图1 特种能场辅助机械加工工艺、优势和应用。

2. 研究背景

航空航天装备一直处于科技创新链的前沿，对国民经济发展和国防建设具有重要意义。高性能、轻量化、高可靠和长寿命是飞机、航空发动机、卫星、航天器等航空航天装备发展的永恒主题，促进了难加工材料和难加工结构的广泛应用，如图2所示。航空航天领域的难加工材料主要包括：高强高韧材料，如钛合金、高温合金、高强度钢和超高强度钢、不锈钢；高硬度大脆性材料，如先进陶瓷和玻璃；各向异性和非均质性材料，如金属基/树脂基/陶瓷基复合材料。难加工结构主要包括：微细结构，如微槽、阵列微孔；薄壁弱刚度结构，如机翼壁板、航空发动机机匣；叠层和蜂窝结构，如复合材料-金属叠层板、铝蜂窝。然而，难加工材料和结构给切削、磨削等传统机械加工带来了极大挑战，传统单一能场加工存在切削力大和切削温度高、材料去除率低、刀具寿命短、加工精度和表面质量难保障等问题。特种能场辅助机械加工的复合加工技术是解决难加工材料和结构加工难题的新路径。特种能场通过降低待加工区域工件材料的强度和硬度、诱导材料变质、改变刀具与工件接触模式等途径，显著提升材料的切削加工性，降低机械加工难度，进而材料去除率、刀具寿命和加工质量得到提升。本文综述了振动、激光、电、磁、化学、先进射流以及复合特种能场辅助机械加工的工艺原理、特点、材料去除机制以及应用等，并对上述各种复合加工方法的优势和局限性做了对比分析。

图2 航空航天领域难加工材料和难加工结构

3.最新进展

超声振动辅助机械加工技术是将声能应用于机械加工中，通过工件或工具之间的高频微幅振动改善加工状况，是针对航空航天难加工材料的重要复合加工方法，包括超声振动辅助车削、铣削、钻削、磨削等。在超声振动辅助机械加工中，通过工具与工件之间相对往复微幅振动，并与原有的运动叠加，产生加工相对运动轨迹干涉，使材料去除机制发生变化，从而减小加工力和温度，提高加工质量。研究表明，与传统磨削相比，超声振动辅助磨削加工可显著提高加工表面质量，表面粗糙度平均降幅约20%，同时提升加工表面残余压应力约110%，如图3所示。

图3 超声振动辅助磨削加工工艺及特点。（a）超声振动辅助磨削工艺示意图；（b）超声振动辅助磨削和传统磨削表面形貌对比。（a-b）经许可使用，版权所有（2022）Elsevier。

激光辅助机械加工采用激光辐照待加工区域工件材料，降低材料的性能或诱导材料变质成为易切削层，提升了材料的切削加工性，进而采用传统机械加工方法将材料去除。研究表明，与传统机械加工相比，在激光加热软化的辅助作用下，复合加工的切削力降低60%以上，刀具寿命和加工表面质量得到提升，如图4所示。激光诱导氧化辅助机械加工中，去除氧化层的切削力极低，大幅度提高了材料去除率和刀具寿命，如图5所示。激光与刀具的协同配合是激光辅助机械加工工艺研究值得关注的问题。

图4 激光加热辅助车削复合加工工艺及特点。（a）工艺示意图；（b）材料强度随温度变化趋势；（c）不同切削速度时的切削力；（d）不同切削速度时的刀具磨损。（a-b）经许可使用，版权所有（2014）Elsevier。（c-d）经许可使用，版权所有（2010）Elsevier。

图5 激光诱导氧化辅助铣削复合加工工艺及特点。（a）工艺示意图；（b）激光辐照前后材料表面形貌；（c）铣削氧化层和基体材料时的切削力对比；（d）复合加工和传统铣削工艺的切削力和刀具寿命对比。（b）经许可使用，版权所有（2020）Elsevier。（c）经许可使用，版权所有（2023）Elsevier。（d）经许可使用，版权所有（2021）Elsevier。

复合特种能场辅助机械加工是采用两种及以上特种能场提高工件材料的切削加工性，进而用机械加工方法去除材料的复合加工技术。复合特种能场有效利用各单一特种能场的优势，同时弥补单一特种能场的局限性，实现优势互补。复合特种能场提升材料切削加工性的机制主要包括改变工件材料的性质或变形行为、诱导材料相变或改性、改变工具/工件的相互作用以及改善切屑成形过程。目前该方向的研究热点是激光-超声振动辅助机械加工工艺，如图6所示，与传统机械加工相比，该工艺的切削力降低了70%以上，刀具寿命提升了90%以上，加工表面粗糙度大幅度降低。

图6 激光-超声振动辅助机械加工及特点。（a）工艺原理示意图；（b）复合加工与传统机械加工的表面粗糙度对比；（c）传统机械加工、超声振动辅助机械加工、激光-超声振动辅助机械加工和激光辅助机械加工的切削力对比；（d）复合加工和传统铣削工艺的切削力和刀具寿命对比。（a-b）经许可使用，版权所有（2023）Elsevier。（d）经许可使用，版权所有（2020）Springer Nature。

电辅助机械加工的研究主要包括两种工艺：电火花辅助机械加工和电场辅助机械加工。在电火花辅助机械加工中，火花放电产生的高温使工件材料熔化甚至气化而被蚀除，同时产生变质层，尔后机械加工去除变质层，如图7所示。由于高温软化作用，变质层的切削加工性得到提高。研究表明电火花辅助机械加工的切削力降低了50%，材料去除率和刀具寿命提高了5倍。电场辅助机械加工的研究主要集中在抛光领域，在电场作用下，电流变液中的磨粒形成柔性抛光头，通过调控电场强度控制电流变液特性。研究表明，与传统抛光工艺相比，该种工艺的抛光效率提升了5.6倍。

图7 电火花辅助机械加工及特点。（a）工艺原理示意图；（b）复合加工与传统机械加工的切削力对比；（c）加工表面粗糙度对比；（d）刀具磨损对比；（e）刀具磨损形貌对比。（a-d）经许可使用，版权所有（2020）Elsevier、（2022）Elsevier。（e）经许可使用，版权所有（2022）Elsevier。

磁场辅助机械加工是在传统机械加工中施加外加磁场，使磁流变液中磁性颗粒发生团聚，形成形状和硬度可控的“小抛光头”，从而实现材料抛光的方法。通过调控外加磁场的强度等参数，不仅可以控制抛光区域大小和形状，而且可以确保抛光液的稳定性、接触刚度和韧性。研究表明，磁场辅助抛光可以大幅度提升抛光效率和表面质量，如图8所示。还有研究利用外加磁场控制机械加工中刀具或工件的阻尼，有效降低了机械加工中的振动，提高了加工稳定性。

图8 磁场辅助抛光技术。（a）工艺原理示意图；（b）复杂型面均匀抛光原理示意图；（c）传统抛光表面形貌和粗糙度；（d）磁场辅助抛光表面形貌和粗糙度。（a）经许可使用，版权所有（2020）Elsevier。（b）经许可使用，版权所有（2014）Elsevier。（c-d）经许可使用，版权所有（2017）Elsevier。

化学辅助机械加工是采用化学溶剂改善工件材料的切削加工性，进而使用机械加工方法去除材料的复合加工工艺，目前研究主要聚焦于化学辅助机械抛光工艺，如图9所示。化学辅助机械抛光过程中通常有固-固和固-液两种化学反应模式。在第一种模式中，固体磨料颗粒和固体工件之间发生化学反应，形成可以容易地被磨料颗粒去除的软层；在第二种模式中，化学试剂和固体工件之间发生化学反应，形成软层。目前该工艺已广泛应用于硅片、蓝宝石、金刚石薄膜和金属等材料的抛光加工。

图9 化学辅助机械抛光技术。（a）工艺示意图；（b）抛光垫与工件界面；（c）磨粒去除变质层示意图；（d）抛光垫表面形貌。

先进射流辅助机械加工是采用先进冷却润滑介质降低机械加工过程的切削力和切削温度，或改变工件材料性能（如降低材料黏性），从而提高加工效率、表面质量和刀具寿命的方法。目前研究主要包括三个方面：低温辅助机械加工、微量润滑和低温微量润滑辅助机械加工、高压射流辅助机械加工。研究表明，先进射流辅助作用下，不仅切削力和切削温度得到大幅度降低，而且加工表面应力状态和加工缺陷得到改善，如图10所示。

图10 先进射流辅助机械加工技术。（a）不同冷却润滑方式下材料的应力-应变曲线；（b）切屑形貌；（c）加工表面缺陷示意图。（a-c）经许可使用，版权所有（2022）Elsevier。

4. 未来展望

随着航空航天装备的快速发展，可胜任极端服役环境的新型难加工材料和难加工结构不断涌现。虽然本文综述的特种能场辅助机械加工方法在加工难加工材料和结构时已展现出明显优势，但仍存在一些问题值得进一步研究。如图11所示，未来展望主要包括以下几个方面：为了获得最优的工艺匹配以达到提质增效和降成本的目的，特种能场辅助机械加工工艺的正向设计是未来研究重点；为了满足制造业高端化、智能化、绿色化发展需求，特种能场辅助机械加工智能装备亟待开发，可持续复合加工工艺设计也是值得未来研究的领域。

图11 航空航天难加工材料和结构的特种能场辅助机械加工研究展望。