李体仁，杨德青，孙建功

（陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

高温合金具有较好的抗氧化性能、较高的高温强度、耐腐蚀性以及疲劳性能、断裂韧性等，从而在航空航天领域得到了广泛应用。面对高温合金的日益广泛应用，其突出存在的主要问题是质量、效率和刀具成本之间的矛盾，特别是在高温合金铣削的高质量和高效率方面。其主要体现在以下两个方面：①高温合金在铣削过程中切削力、温度场、加工硬化、断屑机理和刀具磨损之间存在复杂的交互作用，对铣削加工的质量和效率产生重要影响。由于高温合金材料存在诸多加工难点，常规的整体刀具，刀具磨损快，即使采用“刀海”战术，由于多次刃磨，频繁对刀等原因，也无法保证零件的加工质量、合格率和加工效率。②高温合金加工质量和效率是铣削刀具和工艺参数等多重因素作用下的综合效果，属于复杂的非线性过程。各因素对于表面质量和效率的影响规律尚有待进一步研究。传统的铣削工艺参数和经验数据等，与高温合金高速铣削及其所用刀具的匹配性差，且缺乏综合考虑铣削质量和效率的加工参数优化，已不再适用。

本文中综述高温合金铣削加工的研究现状，从高温合金刀具材料、刀具结构设计及优化、切削环境以及切削表面质量控制等方面对现有研究进行总结分析，找出现有研究的缺点并对未来高温合金高效加工发展方向作出展望。

1 高温合金切削性能研究

1.1 高温合金铣削刀具结构优化

在刀具材料方面，TAZEHKANDI等[1]对比了用于加工高温合金的刀具材料，包括高速钢、硬质合金、涂层硬质合金和立方氮化硼等，指出立方氮化硼材料具有较好的综合性能。WANG等[2]选择了YG6X、YG8、涂层硬质合金刀具和涂层陶瓷刀具，采用电阻炉加热刀具材料，并进行了抗氧化试验。实验证明刀具晶粒越小，抗氧化性越好。涂层硬质合金刀具的抗氧化性能优于未涂层刀具。

ARAMESH等[3]推荐使用Al-Si（在加工前阶段沉积在刀面上）涂层刀具加工Inconel 718。笔者经试验发现在加工过程中，由于切削温度高，铝硅层熔化，熔融材料顺利穿过刀具表面早期形成的微裂纹，这反过来又延长了刀具寿命，并获得了更好的表面完整性。刀具在低摩擦的Al-Si层上的滑动导致了更小的切削力、更少的粘滞，从而减少了刀具的磨损，延长了刀具寿命。此外，铝的延展性有助于降低加工过程中的振动。MING等[4]用Sialon陶瓷刀具对FGH96高温合金进行了一系列高速铣削试验，研究了所用工艺参数对铣削力和加工温度的影响，并对陶瓷刀具的切削表面质量和磨损特征进行了讨论，实验结果表明，复合切削力只有在切速度超过315 m/min时才会下降。此外，考虑到表面光洁度和铣削表面存在较大的残余拉应力，Sialon刀具可能更适合FGH96的粗加工，并且刀具侧表面的主要磨损形式为粘着磨损，刀具前刀面的主要失效形式是边缘的破碎及剥落。JADAM等[5]研究了PVD多层涂层陶瓷与PVD-TiAIN涂层PCBN硬质合金刀具对Inconel 718切削性能的影响，并与传统无涂层WC-Co刀具进行了比较。结果表明，涂层陶瓷在切削力、表面光洁度、微小白色层等方面都优于其他两种刀片，但是PCBN刀具比其他产品刀尖温度更低。

在刀具结构设计和优化方面，山东大学李国超博士[6]通过采用空间几何和曲面包络原理，建立了砂轮磨削立铣刀容屑槽和周刃前后刀面之间的关系，采用了解析法与图形法相结合的方法分析了砂轮磨削容屑槽的规律，并对砂轮轮廓的反求提出了新的方法，最后进行了刀具参数化三维软件的开发。湘潭大学宁邵鹏[7]通过切削GH4169试验研究了槽形结构对刀具切削温度和磨损的影响，研究发现优化后的槽形改善了前刀面的摩擦，有效地降低了切削温度，提高了刀具的使用寿命。山东大学邢佑强[8]在刀具的前刀面制备不同类别的微结构，改善了刀-屑接触摩擦状况，降低了切削力和切削温度，提高了刀具的使用寿命。邓建新[9]研究了加工高温合金GH4169的刀具磨损机理，发现磨粒磨损集中出现在后刀面，粘结和扩散磨损主要发生在前刀面。赵军[10]切削高温合金GH4169，通过切削实验发现当速度小于125 m/min时，刀具主要磨损是沟槽磨损；当速度不断升高时，切削温度的升高导致扩散磨损发生，造成后刀面磨损严重和刀尖处崩刃。BHATT等[11]研究了硬质合金刀具在高、中、低3种切削速度下切削高温合金Inconel 718的刀具磨损机理，试验结果表明，刀具前刀面存在月牙洼、后刀面有明显的沟槽磨损，同时SEM和EDS分析发现前、后刀面均有粘结和磨粒磨损。COSTES等[12]研究了采用CBN刀具加工镍基高温合金GH4169的刀具磨损机理，SEM和EDS分析结果表明磨料、粘结和扩散是导致刀具失效的原因。

除了以上方面，也有学者在切削条件方面做了研究，GÜNAY等[13]对高温合金Nimonic 80A在干燥、风冷、油雾等切削环境下的刀具寿命、磨损特性及切削表面进行了分析，结果表明，油雾环境下的刀具寿命比干式风冷法长，并发现在喷油环境下，当切削速度达到60 m/min时，可以获得最佳的刀具寿命与表面完整性。高压冷却在高温合金等高强度钢的加工中具有很大的优势，可以有效降低切削温度，提高刀具破屑性能，从而降低刀具磨损。ALAUDDIN等[14]研究了无涂层硬质合金刀具铣削Inconel 718高温合金时的刀具磨损，实验在干燥条件下进行，以切削时间、切削速度和进给量为恒定参数，采用全浸泡或半浸泡的方式进行上下铣削。结果表明，与半浸泡端铣削相比，全浸泡端铣削增加了刀具寿命，并且在向下铣削中刀具寿命比在向上铣削中刀具寿命更好。

1.2 高温合金高速铣削表面完整性控制

近年来学者们一直在研究高温合金的切削机理和工艺参数优化方法。在表面质量，尤其是表面粗糙度方面给出了相应的预测模型。徐建建[15]对铣削镍基高温合金的刀具进行了耐用度的试验研究，发现切削速度对于铣削GH4169的切削时间影响最大，而每齿进给量的影响最小，对材料切除量影响最大的是切削速度，其次为每齿进给量和径向切深。孙涛[16]利用均匀设计法设计了高速精密铣削试验方案，用最优回归子集法建立了高温合金表面质量的多元二次回归模型。王俊杰[17]研究了高速高效下铣削镍基高温合金工艺参数优化。LIU等[18]、MOOLA等[19]和MANGARAJ等[20]分别用灰色关联理论、方差分析方法和响应曲面法构建了预测表面粗糙度的模型。KHAMEL等[21]构建了表面粗糙度、切削力多个目标优化模型。LI等[22]研究了铣削、磨削镍基高温合金GH4169对已加工表面粗糙度和疲劳特性的影响。沈阳黎明航空发动机集团科研人员[23]在对航空难加工零部件用整体刀具和加工工艺进行了大量的研究，通过工艺试验对难加工材料进行了系统的分析。CHUANMIN等[24]利用表面轮廓仪和扫描电镜观察了SiCp/Al复合材料磨削过程中的表面特征，采用瑞利分布函数，基于期望思想，建立了铝合金和碳化硅的理论表面粗糙度模型。NGERNTONG等[25]通过观察切削表面形貌因子，提出了面铣加工表面粗糙度的质量指标，并应用模糊逻辑辅助决策，并用DOE方法与模糊逻辑模型进行了比较。结果表明，模糊模型的建立具有很高的精度和可靠性。MARIMUTHU等[26]开发了一个数学模型来优化lnconel 625的切削参数，以在干燥条件下使用TiAlN涂层刀具进行车削操作，以获得高质量和高生产率。所采用的优化技术是田口实验设计，以进给量、切削速度、轴向切削深度为输入参数。结果表明，进给量和切削速度是影响表面粗糙度的重要切削参数，进给量和切削深度是影响材料去除率的重要切削参数。REDDY等[27]开发了一种遗传算法（GA）优化方法，用于优化干磨中的表面粗糙度预测模型，使用速度、进给量、径向前角和机头半径（都有低、中、高3个级别）作为可变输入参数。所采用的优化技术为建立数学模型的RSM技术和遗传算法优化技术。结果表明，通过选择合适的刀具和刀具几何形状，使干加工成为可能，从而使加工环境友好。

随着计算机技术的飞速发展，有学者利用人工神经网络建模的方法，对铣削工艺参数进行建模，预测残余应力、表面粗糙度等。KANT等[28]创立了一种将人工神经网络技术与遗传算法相结合的预测和优化模型，用于预测加工参数的最佳值，从而使表面粗糙度最小。模型所得预测结果与实验值比较接近，平均相对误差为4.11%。ZAIN等[29]利用切削速度、进给速度和径向前角等切削参数作为刀具几何参数，开发了基于人工神经网络的表面粗糙度预测模型。采用Ti-6A1-4V钛合金切削刀具对数据样本进行了实际加工测试，研究结果表明基于3-1-1网络结构的SNre涂层刀具在预测表面粗糙度值方面表现优异，要想获得最佳表面粗糙度值，推荐的切削条件组合是高速、低进给率和径向前角。JENARTHANAN等[30]使用DOE方法进行实验设计，建立了响应面模型和神经网络模型，对玻璃钢的磨削表面粗糙度进行了预测。实验以切削速度、纤维取向角、切削深度、进给量4个自变量进行。通过实验，得出了以下结论：进给速度是影响表面粗糙度的重要参数，其次是纤维取向和切削速度。实验结果表明，神经网络模型的预测值与实验数据具有良好的相关性，且预测值与实验数据具有良好的相关性，同时人工神经网络模型具有更高的鲁棒性和精度。RAZFAR等[31]对X20Cr13不锈钢的端面铣削工艺进行了实验研究，除了切削深度、每齿进给量和切削速度外，它们还包括刀具与自变量。他们开发了一个神经网络模型，基于X20Cr13的实验数据，利用基于粒子群优化（PSO）的神经网络建立表面粗糙度水平的预测模型，以可靠、成功和准确地提供不锈钢的表面粗糙度。

2 总结展望

在刀具材料方面，现有研究多关注刀具材料切削性能和刀具寿命等方面的对比，涉及高温合金高速铣削刀具材料自润滑性能的研究较少。在刀具结构设计和优化方面，目前的研究多集中在整体式铣刀的结构设计、磨损机理研究，而涉及高温合金铣削用机夹铣刀结构参数化设计与优化方法的研究较少。在高速铣削表面完整性控制方面，现有的研究主要集中在切削参数影响下的单一的表面粗糙度建模，而未考虑刀具参数、实际加工条件及不同加工环节对于表面质量（粗糙度、冷作硬化等）的综合影响，涉及表面质量和加工效率综合预测模型的研究更少。

基于上述对该领域研究现状的分析，未来研究方向应围绕高温合金高速铣削，开展新型机夹式方肩铣刀研制工作，并在此基础上探索质量效率的切削参数影响机理，构建切削效率和质量的综合预测模型；进一步研究高速铣削中的切削力动态变化规律，构建不同工况和切削参数综合的精准切削力预测模型；考虑切削力等条件，研究加工参数自适应调整技术。