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作 者

趙彪1、王禹封1、彭建昊1、王欣1、丁文鋒1,*、雷小飛1、吳幫福1、章敏秀1、徐九華1、章亮熾2、Raj Das3

*為通訊作者

機 構

1. 南京航空航天大學

2. 南方科技大學

3. 墨爾本皇家理工大學

Citation

Zhao B, Wang Y F, Peng J H, Wang X, Ding W F, Lei X F, Wu B F, Zhang X M, Xu J H, Zhang L Z, Raj Das. Overcoming challenges: advancements in cutting techniques for high strength-toughness alloys in aero-engines. Int. J. Extrem. Manuf. 2024.6062007.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad8117

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

航空發動機是航空飛行器的心臟，先進的高強韌合金材料（鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物和超高強度鋼等）是保證其服役性能的關鍵。由于其卓越的力學性能和耐熱特性，在極端飛行條件下，這些材料表現出了極強的穩定性，但同時也對制造技術提出了非常嚴苛的要求，尤其是在葉片/葉盤/軸/齒輪等關鍵部件的制造過程中。切削加工是航空發動機零部件成形的關鍵技術手段。

然而，高韌性合金材料的加工具有高切削力和溫度等特點，導致刀具磨損增快、加工效率降低，并且嚴重影響加工精度與表面完整性，進而對服役性能產生負面影響。為了克服上述挑戰，人們對高強韌難加工合金材料及其構件的切削加工難題進行了一系列先進切削加工技術研究。其中，能量輔助切削技術、刀具制備方法、形性控制以及加工過程狀態智能監測為提高切削加工性和加工質量提供了有效的技術途徑，進而實現了高韌性合金材料的高效高品質切削加工（圖1）。

近期，南京航空航天大學機電學院的趙彪副研究員、王禹封博士生、彭建昊博士生、王欣博士生、丁文鋒教授、雷小飛博士生、吳幫福博士生、章敏秀碩士生、徐九華教授，南方科技大學的章亮熾教授以及墨爾本皇家理工大學的Raj Das教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《攻克挑戰：航空發動機高韌性合金材料切削加工技術的新進展》的綜述，全面介紹了航空發動機高強韌難加工合金材料及其構件切削加工技術的研究背景、最新進展以及未來展望。

關鍵詞

能場輔助加工技術；刀具制備技術；形性協同控制技術；智能監控技術

亮 點

• 系統介紹了超聲、激光、電場和冷場等能場輔助機械加工工藝方法及其發展現狀；

• 闡述了用于高強韌合金材料切削加工的刀具制備技術發展現狀；

• 總結了航空發動機結構件切削加工形性協同控制技術發展現狀；

• 綜述了面向加工過程的智能監控技術發展歷程；

• 展望了航空發動機高強韌合金材料先進切削技術的發展和可持續性。

圖1航空發動機高韌性合金材料相關切削技術的發展趨勢。

02

研究背景

隨著現代航空發動機技術的迅猛發展，為了滿足其功能優化、輕量化結構設計及高服役可靠性需求，核心部件如葉片/盤/軸/齒輪的制造材料正逐步采用極具挑戰性的鎳基高溫合金、鈦合金、金屬間化合物及超高強度鋼等高強韌難加工合金材料（圖2）。切削技術以其卓越的加工特性已成為該類材料的核心加工工藝，高強韌合金材料的應用極大地提升了發動機性能，但也對切削工藝提出了更高要求。目前，切削加工技術研究的主要方向集中在探索工藝參數對加工精度和表面完整性的影響，并深入理解材料基本物理性能以及全面掌握切削機理，這是突破技術瓶頸之關鍵。

為此，本文全面綜述了多種能場輔助切削技術的最新研究進展，包括超聲振動輔助、激光輔助、冷場輔助、電場與磁場輔助以及化學能場輔助切削等前沿加工方法。同時，從刀具材料、粉末制備技術、燒結技術和微結構等方面深入探討了切削刀具的設計和制造技術。重點闡述了航空發動機復雜薄壁部件切削加工精度與穩定性協同控制技術，具體策略包括變形過程控制以及表面完整性控制。此外，還深入討論了切削過程的智能化監測技術，并介紹其實現流程。

同時，綜述了刀具磨損預測、刀具壽命評估以及工件穩定性閾值在線監測的發展現狀，為提升加工過程的自動化與智能化水平提供了重要參考。最后，總結了當前切削加工領域面臨的挑戰與未來發展趨勢，并強調了跨學科合作、技術創新以及工藝優化在推動高強韌難加工合金材料及其構件加工技術進步中扮演的核心作用，為切削加工技術的發展提供了重要參考。

圖2航空發動機中的高強韌合金材料及其相關部件的應用現狀。

03

最新進展

最新研究進展主要包括能場輔助加工技術、刀具制備技術、形性協同控制技術和智能監測技術等四部分。首先，通過應用能場輔助加工技術改變材料加工區域的物理和化學狀態，從而改善高強韌難加工合金材料及其構件的可加工性。其次，通過刀具制備技術提升切削工具性能，以滿足高強韌合金材料的切削加工需求。隨后，通過對工藝參數和材料組織結構性能精準控制，實現對加工精度和表面完整性的優化與控制。最后，通過集成傳感器、信號處理和人工智能等智能監測技術，實現對加工狀態的在線監測和反饋控制。

能場輔助加工技術是一種先進的制造工藝，通過應用多種能量場（如超聲振動、激光、電能、冷場等）以及其他能場輔助切削方法來顯著提升材料的加工性能與效率。該技術核心在于精確調控并施加外部能量場，以非接觸或輔助接觸方式實現（圖3）。研究表明，在鈦合金超聲振動輔助加工過程中，切削力降低了40%，切削溫度下降了48%，同時表面殘余壓應力提高了50%；而在鎳基高溫合金激光輔助加工中，顯微硬度提高了15%；此外，在鈦合金電場輔助加工中，表面粗糙度降低了250%。綜上所述，能場輔助加工技術展現出巨大的潛力與優勢，可在降低加工難度、提升加工精度以及改善工件性能等方面發揮重要作用，并為高強韌難加工合金材料及其構件的高性能切削加工提供技術支撐。

圖3能場輔助加工技術：（a）超聲振動輔助加工示意圖；（b）激光輔助加工技術示意圖；（c）電場輔助加工技術示意圖；（d）冷場輔助加工示意圖；（e）其他能場輔助加工技術。

刀具制備技術是實現高強韌合金高質量切削加工的關鍵技術之一（圖4），該技術將鋒利的切削角、堅韌的切削刃和高效耐熱表面涂層融為一體，旨在降低切削區域溫度積聚，促進熱量散逸，并確保加工過程的穩定性與效率。此外，刀具材料的選擇已朝著多元化與高性能化方向發展，包括硬質合金、高性能陶瓷、立方氮化硼、聚晶金剛石以及先進的涂層材料等。同時，粉末冶金技術、精密燒結工藝以及刀具結構與表面紋理的定制化設計等技術，共同推動了刀具性能的進一步提升。這些技術的應用旨在增強刀具在切削加工高強韌合金材料時的強度、耐磨性和熱穩定性，確保滿足高強韌難加工合金材料及其構件的高性能加工。

圖4刀具制備技術：（a）納米晶WC-Co復合材料的制備工藝；（b）單晶CBN刀具；（c）刀具微結構；（d）刀具系統化燒結方法。

形性協同控制技術旨在實現發動機在加工精度（形）與表面完整性（性）方面的優化與協同控制，以確保其在高速、高溫和高壓等苛刻條件下依然具備出色的服役效能與穩定性。然而，在切削加工過程中，高強韌合金材料會經歷復雜的機械應力與熱負荷耦合作用，嚴重影響加工精度和服役性能（圖5）。為此，本文系統闡明了切削加工變形機理，并探討了材料去除、殘余應力釋放以及熱效應等因素對形狀精度的影響規律。同時，介紹了加工變形控制策略，并深入分析了表面完整性的形成機理，揭示了其對提升部件整體性能的重要性，為高強韌難加工合金材料及其構件的高質量加工提供了堅實的理論基礎與技術支撐。

圖5加工質量及使用性能的影響因素：（a）加工精度的影響因素；（b）表面完整性對使用性能的影響。

智能監測技術在推動加工過程智能化進程中扮演著至關重要的角色。本文深入探討了制造過程信息化背景下智能監測技術的最新進展，聚焦于在線信號監測技術的構建與應用，涵蓋了從實時信號采集、信號特征的高級提取、加工狀態的精準識別與預測，到基于數據驅動的智能監控策略，融合多學科知識，如信號處理、模式識別、機器學習及預測建模等，以實現對加工過程狀態的全面感知與動態調控，該技術將在未來高強韌難加工合金材料及其構件的切削加工中發揮更加重要的作用。圖6所為智能監測技術的開發流程。

圖6加工過程智能監測技術的開發過程。

04

總結與展望

航空發動機高強度韌性合金材料的切削性能顯著影響影響加工精度和質量。盡管研究人員在高強度韌性合金材料先進切削技術領域取得了顯著突破，但仍面臨基礎研究深度不足以及技術成熟度有待提升的雙重挑戰。目前，在能場輔助切削加工技術方面，多能場作用下切削機理需要進一步明確，且缺乏穩定可靠的多能場輔助裝備。在先進刀具制備技術方面，刀具材料的燒結特性、相變及微觀結構與制備工藝之間的關聯至關重要，且選擇制備工藝時仍需考慮質量、壽命和成本等因素。在形性協同控制技術方面，多工藝組合下加工過程形性控制是一項極艱巨的挑戰。在加工過程智能監控技術方面，高精度、高頻率響應的傳感器設備是捕捉加工過程物理量信號的基礎。同時，解決高維小數據集的泛化和過擬合問題的高效處理成為智能監控技術工程應用中面臨的又一難題。

在未來，高強度韌性合金材料的先進切削技術發展應與實際應用緊密結合，充分發揮其獨特優勢。開發具有自適應控制功能的多能場輔助切削技術，并關注優化刀具結構、提高斷屑槽性能以及刀刃強化處理技術。同時，還需要研究加工精度與表面完整性在多工藝組合下的重建機制，并采用云計算架構部署加工過程智能監控技術。綜上所述，高強度韌性合金材料及構件的高性能切削是一項長期而艱巨的任務，需要科研界與產業界的持續投入與深度合作，共同構建一個高效、精準且可靠的先進切削技術體系，以提升航空發動機關鍵構件制造水平。

05

作者簡介

趙彪

南京航空航天大學

趙彪，南京航空航天大學機電學院副研究員，碩導，入選中國科協青年人才托舉工程；獲江蘇省科技二等獎、中國航空學會首屆優秀博士學位論文獎（材料制造組唯一）等。主要從事航空航天難加工材料高效精密加工技術研究，包括高性能工具研發與制備、高強韌難加工材料切削/磨削機理與過程優化、高效精密切削/磨削技術與理論等方面的研究。主持兩機基礎科學中心重點項目、國家自然科學基金集成項目子課題/青年項目、江蘇省基金等科研項目10余項。以第一/通訊作者發表SCI收錄論文50余篇，入選ESI高被引論文2篇、封面論文3篇；申請/授權發明專利15件，參與制定團體標準2項。擔任3個行業核心期刊的青年編委。

丁文鋒

南京航空航天大學

丁文鋒，南京航空航天大學機電學院教授、博導、副院長，長期從事航空航天難加工材料高效精密加工技術與裝備研究。主持國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃課題、兩機專項課題、民機專項課題等。授權發明專利47件；一作出版英文專著2部：《Hybrid-Energy Cutting of Aerospace Alloys》和《Single-Layer Brazed Cubic Boron Nitride Abrasive Tools》；一作/通訊發表期刊論文170篇，其中：SCI收錄152篇、ESI高被引論文18篇、ESI熱點論文7篇。作為導師，獲中國航空學會優博/優碩、中國機械工程學會上銀優博、江蘇省優博/優碩論文共11篇。擔任4本國內外SCI/EI收錄期刊欄目主編/編委。

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2024

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿:作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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