论文标题：Material removal and surface texture in the longitudinal ultrasonic vibration-assisted milling of GH4169D superalloy

期刊： Frontiers of Mechanical Engineering

作者：Xin WANG, Qingliao HE, Biao ZHAO, Wenfeng DING, Honghua SU, Yurong CHEN, Bailiang ZHUANG, Minqing WANG

发表时间：Apr 23, 2025

DOI：10.1007/s11465-025-0830-x

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GH4169D高温合金具有优异的使用性能，可提高航空发动机的性能。然而，它也给零件加工带来了挑战。超声振动辅助加工在提高材料加工性方面具有明显优势，但在纵向超声振动辅助侧铣（LUVM）中，刀具切削刃路径、材料去除机制和表面纹理相关的综合分析很少见。

《Frontiers of Mechanical Engineering》2025年第20卷第2期的一篇题为“Material removal and surface texture in the longitudinal ultrasonic vibration-assisted milling of GH4169D superalloy”的研究论文，对GH4169D高温合金进行了LUVM和传统铣削（CM），以研究材料去除机制和表面纹理的生成。此外，还提出了一个非切削时间比模型，用于预测LUVM相比CM降低最大铣削力的幅度。

LUVM中刀具的超声振动改变了切削刃运动路径，影响材料去除过程和切削性能。刀具切削刃路径方程由进给速度、铣削速度和纵向超声振动速度决定，可简化为旋转运动和纵向超声振动的组合。材料去除方面，LUVM中切削刃运动在单个超声振动周期内分为四个阶段，非切削时切削刃施加的铣削力低于铣削时施加的铣削力，有助于降低加工力和抑制刀具磨损。通过运动学分析建立非切削时间比模型，非切削时间比随超声振动频率、振幅和螺旋角增加而增加，随主轴转速增加而减小。此外，LUVM加工表面纹理符合正弦曲线方程，振动纹理波长随铣削速度增加而增加。

GH4169D高温合金被选为LUVM和CM的样品材料，采用电火花线切割加工制成特定尺寸，使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）检测其化学成分。切削工具为硬质合金涂层立铣刀。实验在五轴加工中心上进行，超声装置包括纵向超声振动刀柄、超声发生器和无线传输装置，确定了刀具的超声振动频率和振幅。采用奇石乐9129测功机测量铣削力，使用SEM观察切屑形态和加工表面纹理，共聚焦轮廓仪分析三维加工表面形态，详细列出了铣削参数，实验中还对切屑和加工表面进行了超声清洗等处理。

在铣削力方面，低速时LUVM的最大铣削力低于CM，随铣削速度增加，非切削时间比减小，当速度超过43m/min时，LUVM无明显非切削阶段，铣削力降低的优势消失，且LUVM的铣削力因刀具上下振动存在轻微波动。切屑形态上，LUVM的切屑卷曲程度比CM大，利于断屑，随铣削速度增加，切屑弯曲程度减小；LUVM切屑自由表面的层状结构更均匀、数量更多，非自由表面有明显超声振动痕迹，而CM切屑非自由表面主要是划痕和材料碎屑。加工表面形态方面，LUVM的三维表面高度分布差异小于CM，低速时LUVM的表面粗糙度Ra低于CM，高速时略高于CM。加工表面纹理上，LUVM表面有明显超声振动纹理，其波长计算值与检测值误差小，可通过物理公式表征，CM表面则有突出的刀具进给痕迹和凹槽，LUVM将其转化为平滑的超声振动纹理，降低了表面粗糙度。

关键词

GH4169D高温合金；纵向超声加工；材料去除；表面纹理

引用

Xin WANG（王欣）, Qingliao HE（何清燎）, Biao ZHAO（赵彪）, Wenfeng DING（丁文锋）, Honghua SU（苏宏华）, Yurong CHEN（陈玉荣）, Bailiang ZHUANG（庄百亮）, Minqing WANG（王民庆）. Material removal and surface texture in the longitudinal ultrasonic vibration-assisted milling of GH4169D superalloy. Front. Mech. Eng., 2025, 20(2): 13

https://doi.org/10.1007/s11465-025-0830-x

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