张亮  李学民  靳东鹏

（新乡航空工业（集团）有限公司  河南  新乡  453000）

摘要：随着航空航天领域的快速发展，高硬度材料在关键传动部件中的应用日益广泛，由于其具有高强度、高硬度及难加工等特点，对制造工艺提出了更高要求。本文针对航空件高硬度GCr15Z内孔键槽加工问题，采用超声振动辅助铣削非电加工工艺，通过优化加工参数、刀具路径及装夹方式，实现高精度加工。该方法有效降低切削力与热影响，避免传统电火花加工中重熔层及表面缺陷问题，同时显著提升加工稳定性和表面质量。实验结果表明，键槽在尺寸精度、对称度及表面粗糙度等方面均满足设计要求，且优于目标指标，有效解决了加工变形、质量不稳定及一致性差等问题，为高硬材料复杂结构零件加工提供了可行的工艺方法和技术参考。

关键词：超声振动铣削；高硬材料；键槽加工；非电加工；三维仿真

1 前言

随着航空航天、高端装备及军工领域的快速发展，对关键零部件性能的要求不断提高，高性能合金、硬脆材料及复合材料等难加工材料的应用日益广泛。以航空发动机为例，钛合金TC4及高温合金的用量已超过40%。此类材料虽然具备高强度、高硬度及优异的耐腐蚀性能，但其加工过程中切削力大、刀具磨损严重且热影响显著，给传统加工工艺带来巨大挑战。

超声辅助加工等特种加工技术逐渐成为解决难加工材料高质量成形的重要手段^[1-3]。超声振动辅助铣削通过引入高频振动，实现刀具与工件的间歇接触，可有效改善材料去除机理，在降低切削力和提升加工质量方面表现出显著优势。

2 超声振动铣削加工工艺

超声振动铣削是一种通过在刀具与工件之间引入高频椭圆或纵向振动，实现断续切削、显著降低切削力并提升难加工材料加工质量与效率的特种加工工艺^[4]。其具体工作原理如图1所示。

图1 超声振动辅助铣削加工原理及系统组成

这种加工方式具有以下特点与机械加工优势：

（1）显著降低切削力

超声振动铣削通过高频振动使刀具与工件产生间断性接触降低切削力60%～70%，有利于弱刚性零件（如薄壁结构）的稳定加工。

（2）提升刀具寿命与耐用度

由于切削力的降低和冷却润滑条件的改善，刀具寿命可提升3～5倍以上，在难加工材料中优势尤为突出。

（3）改善加工表面质量与完整性

超声振动有助于切屑排出、抑制积屑瘤形成，改善表面粗糙度50%以上，减少崩边、裂纹扩展等损伤，提升表面完整性与一致性。

（4）提高加工效率与精度

超声振动铣削可通过加工参数提升加工效率。同时，椭圆振动轨迹可减少变形，薄壁零件的形位精度提升40%以上。

（5）适用于难加工材料与特殊结构

超声振动铣削尤其适用于硬脆材料、钛合金及蜂窝材料等的加工。其振动能量可直接破坏材料分子间结合键，实现无毛刺、无碎屑的洁净切割。

（6）实现低损伤、高一致性加工

通过分离刀具与工件的连续接触，减少热-力耦合损伤，大幅降低复合材料和薄壁结构加工中边缘崩裂、分层等缺陷。

3 高硬键槽工艺难点分析

本款高硬键槽属于航空配件，在机械结构中通常位于关键传动或连接部位，其作用是传递精确扭矩、保证运动同步性，加工要求如图2所示。

图2 零件图

由于硬度高达HRC60左右，键槽在承受交变重载和振动时需同时具备极高的耐磨性、抗疲劳强度和尺寸稳定性，因此其加工质量直接关系到机械运行安全与关键零部件的服役寿命。它的加工工艺难点主要在：

（1）材料特性

加工材料GCr15Z为高强度合金钢，热处理后硬度高、组织致密，零件对加工区域组织稳定性、热影响层控制及切削力敏感度要求极高。

（2）几何精度与尺寸控制要求

加工零件要求键槽长度10 mm、宽度公差0～0.06 mm、对称度0.03 mm，表面粗糙度Ra≤6。其加工精度要求接近磨抛水平，对刀具运动轨迹的控制精度及机床的稳定性具有极高的要求。由于键槽尺寸小、公差严格，在加工中需要防止尺寸超差和形位误差，并且需保证批量加工时的一致性。

（3）表面质量要求

加工后的键槽表面严禁出现重熔层、热影响区、裂纹及剥落等表面缺陷，并且需兼顾加工效率与组织完整性。由于零件服役条件苛刻，表面完整性直接影响其疲劳寿命与可靠性，因此必须严格控制加工参数，确保无热损伤和微观组织变化。

（4）成本与效率指标

单把刀具成本与使用寿命需匹配批量生产要求，工艺周期及单位成本需满足工厂生产要求。后续需要进行批量化加工，要求零件的精度和质量一致性好，同时兼顾经济性与可制造性。

4 旧加工工艺分析

目前，高硬内孔键槽主要采用电火花线切割加工，尽管电火花加工具备非接触式加工的优势，但存在以下问题：（1）瞬时热输入较大，易在键槽表面形成重熔层，影响尺寸精度和表面完整性；（2）重熔层依赖人工研磨去除，劳动强度大、效率低且一致性差，易导致零件报废；（3）键槽内拐角（R0.3）处重熔层难以彻底去除，残留缺陷易引发疲劳断裂。

随着航空航天领域对热加工技术的限制，亟需非电加工工艺。本研究拟采用超声振动辅助铣削替代电火花加工，从根本上消除重熔层缺陷，实现高精度、无损伤加工。

5 超声加工工艺改进

本研究实验加工采用超声振动辅助铣削加工方法，为便于对比分析，在原有电加工方键槽的附近加工方键槽，选用刃径2 mm、70°钨钢深沟微小径铣刀，搭载超声换能器并集成振动系统，超声频率设定为20 kHz，振幅控制在6～8 μm范围内，进行高频振动辅助下的轮廓铣削；对键槽内倒角进行加工，选用刃径0.3 mm的70°钨钢球头铣刀，配合多轴插补路径实现内角区域的高精度成形，加工过程如图3所示。

图3  超声振动辅助铣削加工试制照片

加工过程主要在JDCT400T四轴加工中心上完成。该设备配备高精度四轴旋转台，具备良好的多面联动加工能力，特别适用于小型复杂内孔键槽的空间轨迹控制与角度补偿；同时，采用三维分析方法对刀具位置、进给量、切削路径进行了综合优化分析，有效提高了加工稳定性与精度保持性，如图4所示。

图4 刀具位置、进给量、切削路径等三维分析图

为验证加工工艺的有效性，对加工件的槽宽、对称度、粗糙度以及根部圆弧均使用影像仪等工具展开系统测试，实测数据统计结果如表 1 所示。

由表 1 数据可知，采用超声振动铣削加工的高硬键槽，其核心技术指标均全面满足设计要求，且关键指标表现显著优于预设目标。在键槽宽度方面，设计尺寸允许范围为3.000～3.060 mm，实测平均值为3.024 mm，落在公差带内，表明加工宽度控制准确。键槽对称度要求不大于0.03 mm，实测对称度均值为0.005 mm，不仅满足设计要求，且优于目标值一个数量级以上，反映出超声加工在保持槽型对称性方面具有较高精度。表面粗糙度要求Ra≤1.6 μm，实测平均值仅为0.56 μm，远低于上限值，说明超声加工能够获得良好的表面质量。正反面对称度要求不大于0.1 mm，实测均值为0.05 mm，同样显著优于设计指标。综上，超声加工工艺在所考核的键槽宽度、对称度、粗糙度及正反面对称度四项指标上均满足技术要求，尤其在对称度与表面粗糙度方面表现出明显的工艺余量，验证了该方法在高硬材料键槽加工中的可行性与优越性。

6 工艺实施效果及可行性分析

从初步试制结果看，超声振动辅助铣削方法可有效实现高硬材料GCr15Z在高强度状态下的非电加工，试制最终效果如图5所示。70°钨钢铣刀在振动叠加下具备良好的材料去除能力与耐磨性能，未发生明显的刀具崩刃、烧蚀等现象。通过刀具的配合加工，能够形成连续、完整的槽型轮廓及内倒角形貌，初步实现了加工目标。

图5 试制结果照片

此外，试制过程中加工过程中切削声音清晰，未出现明显的加工震颤及夹具松动，验证了超声辅助切削技术对提升工艺稳定性、降低切削温度输入的良好作用。

7 结论

本研究以航空件高硬度材料GCr15Z内孔键槽超声振动铣削加工为研究对象。针对传统电火花加工过程中存在的重熔层、热损伤及加工一致性差等问题，提出三项改进措施：第一，优化加工工艺路线，采用超声振动辅助铣削替代电加工，从源头消除热影响缺陷；第二，优化刀具配置与加工路径，选用小直径钨钢铣刀并结合多轴联动实现高精度轮廓成形；第三，优化超声加工参数，确定超声频率为20 kHz、振幅为6～8 μm，并匹配合理进给参数以提升加工稳定性与表面质量。通过上述工艺优化，实现了键槽宽度公差（0～0.06 mm）、对称度（0.03 mm）及表面粗糙度（Ra≤1.6  μm）的技术要求，其中实测粗糙度达0.56 μm、对称度优于0.005 mm，同时有效避免了重熔层及裂纹等缺陷。

研究成果已在高硬键槽试制加工中得到验证，加工过程稳定，刀具磨损可控，成形质量一致性良好。与传统电火花加工相比，该方法显著提升了加工精度与表面完整性，降低了后处理工序与人工成本，提高了整体加工效率与可靠性。该研究为航空高硬材料关键传动结构件的非电加工提供了一种可行的工艺路径，具备良好的工程应用价值与推广前景，可为类似高硬材料复杂内孔结构件的高效加工提供参考依据。

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