丁文锋 李本凯 傅玉灿 徐九华

南京航空航天大学机电学院，南京，210016

0 引言

航空发动机和燃气轮机是一个国家科技发展水平和综合国力的体现，其性能优劣直接关系到各种高端装备的使用性能、安全性和可靠性[1]。涡轮盘是航空发动机和燃气轮机最重要的热端部件和关键转动件[2]，工作环境极其恶劣。榫连接结构由于质量小、材料利用率高、拆装方便等优势，被广泛应用于涡轮盘与叶片的连接[3]。榫接结构精细复杂，并且应力对尺寸大小和精度非常敏感，甚至榫槽的某些关键尺寸形状参数仅改变1%就会导致9%以上的应力变化[4]。另外，涡轮盘榫槽连接部位需要长期承受高温高压及高离心力等交变载荷的综合作用，榫接结构断裂成为了涡轮部件失效的重要形式(约占50%)[5]。由此可知，榫槽加工质量对航空发动机和燃气轮机的服役能力具有极其重要的影响。

涡轮盘榫槽尺寸小、结构复杂精密，对加工后的表面质量以及轮廓精度等要求严格。通常，线轮廓精度在几十微米甚至十几微米之内，表面粗糙度Ra要求小于0.8 μm[6]。此外，选用的材料一般为具有高强度、高韧性、良好的耐腐蚀性和组织稳定性的高温合金和钛合金类难加工材料[7-8]。随着各类高端装备技术性能的不断提高以及新材料的革新换代，涡轮盘榫槽部位的加工难度越来越大，传统加工方式在加工效率、质量和精度等方面越来越难以满足需求，这使得榫槽精密加工技术成为制约航空发动机等装备性能进步的技术瓶颈和卡脖子难题。

为提高榫槽加工效率、质量和精度，降低加工成本，国内外学者和工程技术专家针对榫槽加工方法进行了创新研究，为榫槽高质高效制造提供了理论支撑与技术保障。目前，许多成果已应用于不同结构的榫槽加工，本文对此进行了系统总结和分析：对榫槽加工技术发展现状和各种加工方法的特点进行了分析；论述了榫槽机械加工工具设计、应用与优化；分析了榫槽加工质量的发展现状，包括质量评价与影响因素、加工监测和质量检测等；最后，对榫槽加工的未来研究重点进行了展望。

1 榫槽材料的切削机理

粉末冶金高温合金(如FGH95和FGH96等)解决了传统铸锻高温合金合金化程度高导致的铸锭偏析严重、热加工性能差、成形困难等问题，而且由于该类合金具有组织均匀、晶粒细小、屈服强度和抗疲劳性能高的特点，已成为制造涡轮盘的首选材料[9]。然而粉末冶金高温合金也存在着夹杂物、间隙和原始颗粒边界等材料缺陷，这些缺陷对其加工性能具有重要影响，因此开展切削机理研究对榫槽加工具有指导价值。

切削过程在本质上是去除材料的过程。文献[10]指出，当未变形切屑厚度小于临界值(即最小未变形切屑厚度tm)时，切削过程主要受到耕犁作用的影响，而当未变形切屑厚度大于临界值时，材料经前刀面流出形成切屑。图1为切削材料去除示意图[11]，其中ag为未变形切屑厚度，当ag较小时，如图1a和图1b所示，材料只发生变形隆起而未被去除；而随着ag进一步增大，如图1c所示，材料脱离基体而形成切屑。最小未变形切屑厚度的大小与多种因素有关，其分析模型总结列于表1[12-14]。

表1 最小未变形切屑厚度分析模型[12-14]

材料在切削去除过程中会发生严重的微区塑性变形而以剪切形式去除。剪切角φ是指切削速度方向与剪切变形方向之间的夹角，如图2所示，它在一定程度上可以反映切屑变形的剧烈程度，剪切角越小，切屑的变形越剧烈[15]。QIAO等[15]研究了FGH97材料钻削时的切屑变形机理，他们发现随着切削速度和进给速度的增大，剪切角φ逐渐增大，这说明切屑的变形量逐渐减小。粉末冶金高温合金是典型的塑性金属材料，切削形成的切屑多以带状切屑或剪裂切屑为主，图3所示为不同工况下的切屑形态[16]。

图2 剪切角示意图Fig.2 Schematic diagram of shear angle

切削过程中，工艺参数等条件的不同会引起切削力、切削温度和刀具磨损的变化。LI等[17]研究了FGH96材料磨削过程中砂轮的磨损行为，建立了砂轮磨损与工艺参数之间的关系模型，并通过磨削试验对其进行了验证。

(a) 传统硬质合金刀具 (b) 传统PCBN刀具

切削力、切削温度和刀具磨损等是影响工件加工质量的重要因素[18]。La MONACA等[16]研究了切削粉末冶金高温合金时的微结构表面变形，结果表明，热力耦合效应对微结构表面及亚表面的变形具有极其重要的影响。DU等[19-20]研究了FGH95材料切削加工表面质量，发现切削速度增大可使得加工表面粗糙度和塑性变形深度减小，而材料塑性剪切应变增大，白层厚度与显微硬度也呈现出增大趋势；同时他们通过有限元仿真对白层形成机理进行了研究，结果发现白层的形成与切削温度、材料应变和应变率的耦合作用有关，较高的切削温度、较大的应变和应变率会导致白层的产生。

粉末冶金高温合金由于存在夹杂物、间隙和原始颗粒边界等缺陷，在切削过程中容易造成加工刀具的磨损，从而降低加工质量，因此研究上述缺陷对切削过程的影响也是极其重要的一环。杜劲等[21]研究了夹杂物在FGH95材料切削加工中的力学性能，他们认为夹杂物与基体界面脱离是一个包括应力和应变能释放的复杂过程，并基于应变控制理论得到了夹杂物与基体脱离时的临界应力和临界应变。切削加工过程中夹杂物的变形如图4所示[21](图中ac为切削宽度)，当剪切应力小于临界应力时，夹杂物会被切断，从而形成切屑。由图4可以看出，夹杂物在切削力的作用下被压缩变细，最后在切削刃圆弧部分某点C断开，C点以上部分从前刀面流出形成切屑，而C点以下部分在后刀面的挤压作用下形成已加工表面。由此可知，夹杂物也是造成加工表面完整性差的重要因素。

图4 切削加工过程中夹杂物的变形示意图[21] Fig.4 Schematic diagram of deformation of inclusions during cutting process[21]

2 榫槽加工方法的特点

目前，榫槽加工方法主要包括拉削、铣削、磨削、电解线切割(wire electrochemical machining，WECM)和电火花线切割(wire electrical discharge machining，WEDM)[22-23]。拉削加工是最早出现的榫槽加工方式，而后一直沿用至今。随着榫槽形状逐渐精密复杂，某些特定结构无法采用拉削加工[24]，而需采用铣削加工。随着榫槽加工难度的提高以及现代磨削技术的快速进步，磨削加工也被应用于榫槽精加工，从而成为实现榫槽加工更高精度和更高质量的重要方法。同样地，随着特种加工技术的不断进步，它以机械加工所不具备的某些优势(如无加工表面残余应力等)也成为了榫槽加工的重要方式。榫槽分类及加工方法的特点如图5所示。

2.1 榫槽拉削加工

榫槽加工中最常用的方法为拉削[23]，如图6所示，它在榫槽加工尤其是批量生产中占有极其重要的地位[24]，其加工精度可达0.02 mm[25]。由于运动方式为直线运动，因此拉削可以实现直槽和斜槽加工。榫槽拉削加工的主要优势包括：生产效率高；结构简单可靠；加工范围广，可对多种形状榫槽进行加工[26-27]。此外，目前采用的高速数控侧拉削相比传统液压内拉削，具有拉削速度范围广、行程长且运动平稳、精度和自动化程度高等优点，而且夹具结构更加简便，加工效率可进一步提高[1]。

(a) 榫槽拉刀

由于榫槽结构复杂、加工精度要求高，因此拉削加工也存在着诸多问题：拉削行程较长导致拉刀排列难度大；拉刀刀刃磨损较快、拉刀制造周期长、拉刀制造成本高；拉削过程中切削力大、切削温度高造成榫槽齿形表面完整性差；基准找正定位较为困难、耗时较长且精度差、榫槽型面易超差[28-29]；拉削较差的灵活性使得榫槽齿形超差后调整周期长[30-31]。采用拉削方式进行榫槽加工要充分考虑涡轮盘材料、榫槽形状、刀具、夹具、机床以及工艺参数等因素，选择合适的加工条件。付刚等[32]针对某燃气轮机轮盘榫槽拉削过程中轮盘容易变形以及装夹和定位困难的问题，设计了拉削夹具，保证了榫槽拉削过程的装夹和定位，提高了榫槽加工效率和精度。

2.2 榫槽铣削加工

随着榫槽结构的进一步复杂化，铣削加工成为了榫槽加工的重要方法之一[24]，如图7所示。周月香等[33]提出了“以铣代拉”的榫槽加工方案，实现了燃气轮机榫槽加工，验证了铣削加工榫槽的可行性。KLOCKE等[34]对比研究了高温合金枞树型榫槽铣削和拉削两种加工方式，结果发现，采用陶瓷和硬质合金铣刀进行粗铣加工榫槽是可行的，而且与拉削加工相比，铣削加工的灵活性更高。铣削加工榫槽的高灵活性主要体现在加工装备简单易行、刀具研制成本低。此外，数控铣削因其柔性高、研制资金投入少、榫槽尺寸一致性高、加工精度和质量高、操作简便等优点[35]，逐渐取代了工步复杂繁琐、加工效率低、加工质量差和零件超差严重的普铣加工[36]。铣削可以用来加工直槽、斜槽以及圆弧形榫槽[35，37-38]。李季等[39]开展了航空发动机TC4钛合金圆弧型榫槽的铣削加工研究，通过设计铣刀结构以及优选加工步骤、走刀路线和数控程序，保证了圆弧形榫槽的加工精度和质量。

图7 榫槽铣削加工示意图[24]Fig.7 Schematic diagram of slot milling[24]

铣削加工榫槽包括粗铣、半精铣和精铣三个阶段，榫槽数控铣削时需要进行多步加工[24，40]，如图8所示。梁松山等[36]通过加工流程设计、进刀方式和进给量调整、设备选择等措施改进了铣削工艺，完成了航空发动机涡轮机匣内部榫槽结构的数控铣削加工。由于粗铣和半精铣过程中加工余量较大，而且半封闭式加工空间降低了切削液的润滑冷却效果，使得加工过程中产生了较大的扭矩、切削力和较高的切削温度，刀具出现磨损、扭断、崩刃、打刀和烧刀等现象[41-42]，因此工业界很少使用整体成形铣削加工方式，而是采用成形铣刀精加工。KLOCKE等[43]采用多把不同直径的铣刀交替粗铣削或水切割的方式开槽，最后采用成形铣刀进行了榫槽的精加工。

图8 榫槽铣削加工步骤[40]Fig.8 Machining steps of slot milling[40]

2.3 榫槽磨削加工

磨削是制造航空发动机等难加工材料关键转动构件的重要方法[44]，如可磨削加工出叶片榫齿[45]。随着砂轮(如钎焊和电镀超硬砂轮)磨削性能的提高以及超声振动辅助磨削等技术的成熟[46-47]，现代磨削加工技术(如缓进深切磨削、高效深切磨削和高速超高速磨削)以其高效率、高精度、高质量的加工优势，成为了助力现代高端装备制造技术进步的重要工艺方法。

磨削加工一般作为最后一道工序进行榫槽精加工，从而满足榫槽高精度和高质量的要求，其磨削方式通常有小尺寸指状砂轮和大尺寸杯型砂轮磨削两种方式[48]，如图9所示。CURTIS等[48]开展了电解线切割镍基高温合金榫槽粗加工与金刚石/CBN砂轮精加工磨削榫槽的实验研究，结果表明，磨削加工可以获得比电解线切割更好的表面粗糙度；与金刚石砂轮相比，CBN砂轮可获得更高的磨削比和更低的能量消耗。SHI等[49]报道了一种可以用来对榫槽粗开槽并精密磨削的加工方式，他们采用CBN砂轮以磨削方式对粉末冶金镍基高温合金榫槽进行了粗开槽，而后进行了精磨削。ASPINWALL等[50]进行了镍基高温合金榫槽磨削加工研究，对比研究了CBN砂轮和金刚石砂轮在不同磨削参数下的磨削特性，分析了砂轮的磨损和加工表面质量，结果发现，金刚石砂轮磨削能够获得更小的砂轮磨损和更低的表面粗糙度(可达到0.8 μm以下)。LI等[51]针对FGH96粉末冶金高温合金涡轮盘榫槽，研制了与榫槽型面结构相匹配的CBN超硬磨料砂轮，通过电火花线切割对榫槽进行粗加工后，使用CBN砂轮对榫槽进行了精加工，结果发现，磨削后的榫槽型面轮廓精度能够达到±0.012 mm，表面粗糙度Ra可达到0.8 μm。在冷却方面，CHEN等[52]研发了钎焊热管CBN砂轮，进行了TC4钛合金榫槽型面结构的成形磨削技术研究，在干磨削和湿磨削两种工况下对比分析了热管砂轮的换热特性，研究发现热管砂轮磨削能够获得更低的磨削温度，从而可以获得更好的榫槽表面质量。

(a) 指状砂轮磨削[48]

综上所述，机械加工榫槽具有独特的优势，包括加工效率高、精度高、质量高、加工方式灵活等，然而榫槽的机械加工过程中仍然面临诸多问题，如加工成本高、成品率低和加工周期长等。目前，现代高端装备制造正朝着更高效率、更高精度、更高质量、更低成本的方向发展，榫槽作为现代高端装备中的关键部位之一，还需在机械加工设备和工艺方面加大加深方法创新(如在铣削和磨削加工中提高主轴转速和进给速度)，从而大幅度提高加工效率。

2.4 榫槽特种加工

特种加工是榫槽机械加工方式的重要补充[53-56]，主要有电火花线切割和电解线切割两种方法[57-58]，加工原理如图10所示[54，59]。

(a) 榫槽电火花线切割示意图

电解线切割和电火花线切割的共同特点如下：少或无加工力，更易实现难加工材料关键构件的高精度加工；采用线电极作为工具电极，无需进行复杂工具电极设计，节省了加工准备时间[60-61]。两种加工方式的不同点在于，电解线切割的阴极材料无损耗，节约了成本；电解线切割的加工效率更高，约为电火花线切割加工效率的5～10倍[62]；电解线切割加工几乎不存在重铸层和残余应力，而电火花线切割加工存在重铸层和残余应力。但是，电解线切割加工时需要大量水溶性电介质，存在着废液处理成本高等问题[63]。

近年来，国内外开展了许多电解线切割或电火花线切割加工榫槽研究。蒲一民[6]进行了电火花线切割慢走丝加工高温合金涡轮盘枞树型榫槽技术研究，通过仿真与实验对比分析了加工误差，加工后的榫槽满足要求。FANG等[59]进行了电火花线切割高温合金榫槽研究，发现电极进给速率对材料去除率具有重要影响，当脉冲电压负荷比为40%、电压幅值为16 V、频率为20 kHz、进给深度和进给速率分别为10 μm和7.2 mm/min时重铸层可以被完全去除，平均加工效率为64 mm2/min，榫槽轮廓误差为±10 μm。KLOCKE等[64-65]进行了电火花线切割高温合金枞树型榫槽研究，对比分析了带涂层切割线高速切割和标准铜线线切割的加工性能，研究发现，采用标准铜线线切割获得了更高的加工精度(±5 μm)和更优的表面完整性(表面粗糙度Ra<0.8 μm)，然而采用带涂层切割线高速切割的加工效率更高，加工时间能够缩短33%。BERGS等[66]开展了电火花线切割和拉削镍基高温合金榫槽加工对比研究，结果表明，电火花线切割加工效率仅为拉削加工效率的10%左右，但其加工成本仅约为拉削加工成本的10%，这主要是因为拉削加工的刀具成本高。由上述文献可知，特种加工方式以其独特优势在榫槽加工中显示出了巨大潜力，然而也存在诸多挑战，仍需对其进行更深层次的理论探索和工艺创新。

2.5 榫槽组合加工

需强调的是，随着新一代航空发动机、燃气轮机等高端动力装备性能需求的不断提高，榫槽结构和尺寸不断优化，加工精度和表面质量要求逐渐提高，同时新型难加工材料的不断应用也使得榫槽加工难度逐步增大，因此，单一加工方式已经进入瓶颈期，难以满足越来越高的榫槽加工提质增效降成本需求[67]。榫槽加工方式逐渐趋向拉削、铣削、磨削和特种加工相结合的多工艺方法组合加工，可充分发挥出各种加工方法的优点，从而实现更加经济、更加高效、更高精度和更优质量的榫槽加工。例如，前文提到的先采用线切割对高温合金榫槽进行粗加工、再采用磨削精加工的方式就属于组合加工。KLOCKE等[68]分析了综合拉削和铣削加工榫槽的优点，分别在粗加工、半精加工和精加工三个阶段采用不同的加工方法来完成枞树型榫槽的加工，对应的工艺链如图11所示。

图11 枞树型榫槽加工过程工艺链[68]Fig.11 Manufacturing process chain of fir-tree slots[68]

本课题组针对FGH96涡轮盘榫槽的加工难题开展了涡轮盘榫槽磨削技术研究。根据涡轮盘榫槽型面结构特征，设计了榫槽磨削用杯型和指状砂轮基体结构，并通过理论与有限元仿真对磨削负荷下砂轮基体的变形和强度进行了分析。在此基础上，以Ag-Cu-Ti或Cu-Sn-Ti合金粉末为钎料，制造了钎焊CBN超硬磨料成形砂轮，如图12a所示。采用电火花线切割对榫槽的轮廓进行粗加工，余量为0.2 mm；而后采用优化的磨削工艺参数对榫槽进行了磨削精加工，得到的榫槽加工样件如图12b所示，样件轮廓精度和表面粗糙度满足设计要求。目前，本课题组正在开展整个涡轮盘榫槽磨削加工试制。

(a) 杯型与指状钎焊CBN砂轮

3 榫槽加工工具设计

加工工具是榫槽复杂型面结构高质高效加工的关键。榫槽加工工具主要包括拉刀、铣刀、砂轮以及线电极等。特种加工中，线电极结构简单，工具研制主要在于如何设计金属丝电极的进给路径和进给速度，如何选择精密、高效、稳定的电解加工电源，如何根据工件材料特性匹配金属丝电极(包括电极材料和直径)和电解质等。目前，国内外有关榫槽特种加工工具的公开研究报道相对较少，因此本节重点分析机械加工拉刀、铣刀、砂轮。

3.1 工具结构与参数设计

针对拉削加工，榫槽拉刀设计主要是优化前角、后角、刃口钝圆半径、齿升量和容屑槽半径等关键参数，它们决定了拉削过程的切屑形成、切削温度、应力分布、表面质量[69]。拉刀设计可以采用经验法、解析法、有限元法等[70-74]。解析法凭借设计经验和大量实验数据建立切削力和温度的数学模型并对加工过程进行解析，通过研究榫槽加工表面质量与拉刀寿命对设计方案进行评价和优化[71]。解析法需要大量实验与拉刀试制，设计周期长、成本高。有限元法设计过程与解析法设计过程类似，区别在于有限元法通过建立切削过程的热-力耦合模型进行仿真分析，能够获得刀具结构参数对切削过程与结果的影响规律，从而优化刀具结构参数，这种方法可以实现榫槽加工刀具的快速设计[75-77]。近年来，国内外在榫槽拉刀设计方面开展了大量研究。ÖZLÜ等[75]建立了热机械工艺模型，通过实验与仿真的方式对枞树型榫槽拉刀进行了优化设计。OZTURK等[76]通过有限元仿真从切削力、容屑空间、刀具寿命和表面质量等方面对榫槽拉刀进行了优化设计。易林峰等[77]仿真分析了高速钢榫槽拉刀的结构参数对拉削力、刃口应力分布的影响规律，并对该榫槽拉刀进行了优化设计，得到最优参数组合为：刃口钝圆半径0.02 mm，刀具前角8°，齿升量0.02 mm，刀具后角3°，拉削速度2 m/min，此时拉削力可减小34%以上。高翔等[78]提出了榫槽拉刀的三维参数化设计方法，通过建立榫槽拉刀三维参数化模型模板及实例库，实现了榫槽拉刀的三维参数化快速设计。李志辉等[79]提出了基于产品模型的涡轮盘榫槽拉刀快速设计系统，通过快速提取榫槽特征参数，建立了榫槽拉刀通用模板，并将相关参数转换成拉刀设计信息，从而快速生成榫槽拉刀，且缩短了榫槽拉刀设计周期。

针对铣削加工，许生福等[80]通过等效方法(等效切削速度、等效切削厚度、等效每齿进给量)结合铣削实验研究，建立了铣削力数学模型，为榫槽铣刀设计提供了基础数据。CHEN等[81]采用几何建模方法建立了枞树型榫槽铣刀铣削力数学模型，通过分析结果进一步构建了榫槽铣刀3D模型，完成了榫槽铣刀的设计。SU等[82]基于几何曲线和曲面理论对锥形螺旋和径向截面曲线进行了数学描述，在分析径向截面与法向截面关系的基础上，从法向角度计算径向几何角度，实现了枞树型铣刀3D模型的快速设计。

针对磨削加工，由于榫槽尺寸较小、结构复杂，通常采用单层磨料的钎焊或电镀砂轮进行加工，磨削后的榫槽精度对砂轮基体精度的依赖性较高。砂轮基体的结构形式取决于榫槽结构，有分段式和整体式两种[49，51]，如图13所示，其中分段式是指将整个榫槽型面结构分成几个部分设计对应的砂轮。基体的精度要高于榫槽精度一个等级，以保证钎焊或电镀砂轮磨削加工后榫槽的精度满足设计要求。由于榫槽磨削用钎焊和电镀砂轮主要为单层磨粒，因此磨削过程几乎不需要修整砂轮[83]，但是，磨粒磨损到一定程度后，榫槽加工精度保障难度增大。

(a) 分段式砂轮 (b) 整体式砂轮图13 磨削榫槽用砂轮主要结构[49，51]Fig.13 Abrasive tool structure for grinding slots[49，51]

3.2 工具选择与应用

榫槽拉削和铣削刀具材料主要为高速钢和硬质合金。硬质合金刀具的硬度、耐磨性和切削用量显著优于高速钢，但它可承受的冲击力载荷小，刀具强度较低，约为高速钢强度的三分之一；硬质合金热处理困难，可加工性差，刀具制造困难，而且型线的修磨必须用金刚石砂轮，刀具制造成本较高。高速钢可分为普通高速钢、粉末冶金高速钢、钴高速钢等。普通高速钢的强度和硬度关键性能指标相对较低；粉末冶金高速钢韧性、硬度和可磨削性优于其他高速钢，但价格较高；钴高速钢是在普通高速钢基础上加入5%～10%(质量分数)钴制成的，其硬度、韧性和耐热性优于普通高速钢[42，84]。

国内外学者通过对比不同刀具的切削性能，针对榫槽不同材料和结构特征来优选匹配刀具。徐艳等[41]对比了普通高速钢(501)、钴高速钢(M42)和粉末冶金高速钢(AST)三种榫槽铣刀加工GH698高温合金枞树型榫槽的切削性能，研究发现，加工过程中普通高速钢刀具在切削用量和刀具寿命方面与M42和AST刀具相当，并且切削力和振动较小，因此选用普通高速钢铣刀进行榫槽的加工。KLOCKE等[43，85]对比了高速钢拉刀、硬质合金拉刀、陶瓷拉刀以及铣削加工高温合金Inconel718涡轮盘榫槽的加工时间，研究结果表明，与铣削加工相比，高速钢拉刀、硬质合金拉刀和陶瓷拉刀加工榫槽的时间分别缩短了34%、68%和95%。虽然粉末冶高温合金以其优异性能可用于制造航空发动机涡轮盘，但是粉末冶金夹杂物的存在会导致榫槽加工质量下降。程相飞等[86]研究了夹杂物在涡轮盘榫槽拉削中的力学行为，并通过分工序加工、加强刀具检查、研磨钝化刃口圆角的措施预防了拉刀崩刃。在榫槽铣削加工中，通常采用螺旋锥度铣刀进行粗加工，然而螺旋锥度铣刀与零件的接触面较大，切削力较大，切削温度较高，严重影响加工表面质量；另外，螺旋锥度铣刀在加工时产生的切屑尺寸较大，排屑困难，对切削效率和刀具寿命会产生较大影响，采用分屑铣刀可以有效避免上述难题[87]。

4 榫槽加工质量

4.1 加工质量评价及影响因素

由于榫槽加工质量对涡轮盘服役性能具有极其重要的影响，因此工程上对榫槽加工质量的要求极为严格。榫槽加工质量主要包括轮廓精度、毛刺、表面烧伤、表面粗糙度、表层残余应力、表层显微组织和加工硬化(白层)等[24]。影响榫槽加工质量的因素多且复杂，主要有工件材料特性、刀具结构、工艺参数、加工过程中产生的振动、冷却润滑条件等。这些因素通常不会直接对榫槽的加工质量造成影响，而是通过影响加工过程参量(如切削力、切削温度和刀具磨损等)间接地影响榫槽加工质量，这也解释了为何在榫槽加工刀具设计与优化过程中需对切削力、切削温度等进行数学建模或仿真研究。

国内外针对榫槽机械加工质量已进行了不少研究。孙宽余[88]从刀具结构和加工过程振动方面分析了拉削榫槽的加工质量，通过GH136高温合金的拉削实验可以发现，切削刃数量的变化、材料的均匀性以及卷屑造成的流动阻力使得拉削力发生了改变，导致机床产生振动，并加剧了拉刀崩刃和磨损，从而造成拉削加工表面质量下降。TELESMAN等[89]从拉削速度和刀具磨损方面对粉末冶金高温合金榫槽拉削的表面质量进行了研究，随着拉刀磨损增大和拉削速度减小，加工表层残余压应力增大；钝化拉刀加工后榫槽的表面粗糙度小于锋利拉刀加工后的表面粗糙度，而且拉刀速度最高时表面粗糙度最小。LI等[51]进行了不同磨粒粒度(240目、300目、400目、600目和700目)电镀CBN砂轮磨削榫槽的表面粗糙度和轮廓精度分析，结果发现，随着磨粒粒度的增大，表面粗糙度逐渐降低，当磨粒粒度为600目、主轴转速为48 000 r/min、进给速度为100 mm/min以及磨削深度为0.002 mm时，榫槽轮廓误差为±0.012 mm，满足要求。

针对榫槽特种加工方式，HERRIG等[90]进行了电解线切割槽深为20 mm的燕尾型榫槽和槽深为40 mm的枞树型榫槽研究，结果表明，榫槽底部的加工精度最高，燕尾型槽轮廓误差范围为3～22 μm，枞树型榫槽轮廓误差范围为220～450 μm。BUREK等[91]研究了电解线切割Inconel718榫槽的加工精度，结果表明，榫槽表面粗糙度Ra为0.84 μm，垂直于进给方向的形状精度为0.009 μm，榫槽轮廓误差为0.033 μm，重铸层厚度为0.5 μm。KLOCKE等[92]研究了电火花线切割高温合金Inconel718的加工质量，分析了表面粗糙度、显微组织和边缘毛刺，结果发现，表面粗糙度Ra能够达到0.8 μm以下，重铸层厚度几乎为零，榫槽轮廓边缘的毛刺缺陷较少，零件表面完整性符合要求。SHARMA等[93]采用电火花线切割进行了榫槽加工表面质量研究，结果表明，榫槽加工表面粗糙度Ra为0.65 μm，轮廓误差在±5 μm范围内，表面硬度变化的最小值为34.87HV，榫槽表层重铸层厚度小于5 μm。

4.2 质量检测与控制

榫槽轮廓精度是榫槽加工质量检测的重要指标，其检测方法包括传统的拉刀法、投影法、着色法和滚棒测量法等[35]以及非传统的三坐标测量法、光栅测量法等[38]。目前国外使用较多的是现代检测技术，而我国通用的榫槽检测方法是先进行近似检查(如使用三坐标测量机)然后结合工艺装备(专用夹具、测具等)进行测量[38，94]。拉刀法是将拉刀试块在平面投影仪上放大比对，该方法检测精度较低。投影法利用平面投影仪对榫槽轮廓进行比对检测，该方法只能对斜榫槽的边缘轮廓进行检测，不能对斜槽的各个截面进行检测。对于圆弧形榫槽，采用投影的方式时无法将整个榫槽轮廓投影，因而测量误差较大。对于斜槽和圆弧形榫槽，采用三坐标检测方法较为合适，它可以检测到复杂型面，而且测量精度和重复性都较高[91]。WANG等[95]采用电火花线切割加工了榫槽，然后采用三坐标测量法对榫槽轮廓精度进行了检测。对于榫槽加工表面质量，可采用扫描电镜(SEM)、X光衍射及电子背散射衍射等方法进行检测[96]。由上述榫槽加工质量检测方法可知，目前采用的检测方法都是离线检测，过程较为繁琐，检测效率不高，这在一定程度上会影响榫槽加工效率，而且由于检测过程中进行的重复装夹定位会增大出现榫槽加工型面超差的概率，因此提高榫槽加工质量检测效率、优化检测方式也尤为重要。

此外，由于加工过程参量(如切削力、切削温度和刀具磨损等)对加工质量有重要影响，因此许多学者也对过程参量进行了监测，以实现对加工质量的控制。SHI等[97]基于最小二乘法建立了拉刀磨损状态实时监测系统，有效避免了拉刀磨损造成的零件加工质量不合格情况。LIU等[98]提出了一种基于声发射信号分类和逻辑回归模型的两阶段刀具状态监测与刀具磨损预测模型，通过考虑刀具重磨次数和工件材料随机性等工艺系统的可变性，建立了不同加工工艺的刀具失效可靠性估计模型，还选择了与最优集群相对应的最合适估计模型，用于开槽刀具的失效可靠性计算和状态确定，结果表明，所提出的方法可以有效地用于刀具磨损预测和榫槽刀具状态确定，预测结果精度较高。

5 总结

(1)针对型面结构复杂的榫槽，拉削以其较高的加工效率仍然是榫槽加工最常用的方式，然而圆弧形榫槽的拉削加工难题仍需突破，而铣削和磨削以其较高的灵活性在圆弧形榫槽加工方面优势明显。特种加工方法在榫槽加工中也具有巨大潜力，但仍然需要对其进行更深层次的研究。

(2)有限元仿真和计算机辅助已成为榫槽用拉刀、铣刀和砂轮设计的重要方法，有利于缩短刀具研制周期和提高刀具设计效率。由于榫槽结构精密复杂、精度和质量要求高，因此针对不同材料和结构的榫槽选择合适的加工刀具，成为了提高榫槽加工精度和表面质量的重要手段。

(3)榫槽加工质量主要包括轮廓精度和表面完整性，而影响榫槽加工质量的因素多且复杂，如工件材料特性、刀具结构、工艺参数等。这些因素通过加工过程参量(切削力、切削温度和刀具磨损等)会间接影响榫槽加工结果，因此建立加工过程监测系统以及开发更加稳定快捷的榫槽加工质量检测方法有利于提高榫槽加工精度和质量。

6 展望

(1)深化榫槽加工工艺基础研究，建立工艺链数据库。目前榫槽复杂型面结构的机械加工与特种加工工艺基础研究仍然缺乏，很大程度上凭借经验试凑工艺参数，没有形成稳定可靠的工艺数据库，从而造成榫槽加工精度与质量较差，且增加了加工成本，因此需要进一步深化榫槽加工工艺的基础研究，建立榫槽“材料/结构-刀具-工艺参数”完整的工艺链数据库，以提高榫槽加工质量和效率。

(2)构建更加高效快捷的榫槽刀具设计与应用研发系统。目前榫槽加工刀具存在设计周期长、效率低等问题，而在刀具应用方面存在刀具可靠性不足、刃口一致性差等难题，难以满足型面结构愈发复杂的榫槽加工需求，因此研发更加高效和快捷的榫槽刀具设计和应用系统有利于提高榫槽加工效率和质量，降低加工成本，满足未来榫槽加工需求。

(3)开发灵活性更高的榫槽组合加工方法。随着现代高端动力装备需求的不断提高，单一的加工方式已无法满足榫槽越来越高的低成本、高效率和高质量加工需求，因此应结合机械加工和特种加工两种方式优点，开发线切割粗加工与磨削精加工的组合加工方法成为未来榫槽加工的重点研究方向。