极端制造 | 攻克挑战：航空发动机高强韧合金材料切削加工技术的新进展

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能场辅助加工技术；刀具制备技术；形性协同控制技术；智能监控技术

• 系统介绍了超声、激光、电场和冷场等能场辅助机械加工工艺方法及其发展现状；

• 阐述了用于高强韧合金材料切削加工的刀具制备技术发展现状；

• 总结了航空发动机结构件切削加工形性协同控制技术发展现状；

• 综述了面向加工过程的智能监控技术发展历程；

• 展望了航空发动机高强韧合金材料先进切削技术的发展和可持续性。

随着现代航空发动机技术的迅猛发展，为了满足其功能优化、轻量化结构设计及高服役可靠性需求，核心部件如叶片/盘/轴/齿轮的制造材料正逐步采用极具挑战性的镍基高温合金、钛合金、金属间化合物及超高强度钢等高强韧难加工合金材料（图2）。切削技术以其卓越的加工特性已成为该类材料的核心加工工艺，高强韧合金材料的应用极大地提升了发动机性能，但也对切削工艺提出了更高要求。目前，切削加工技术研究的主要方向集中在探索工艺参数对加工精度和表面完整性的影响，并深入理解材料基本物理性能以及全面掌握切削机理，这是突破技术瓶颈之关键。

为此，本文全面综述了多种能场辅助切削技术的最新研究进展，包括超声振动辅助、激光辅助、冷场辅助、电场与磁场辅助以及化学能场辅助切削等前沿加工方法。同时，从刀具材料、粉末制备技术、烧结技术和微结构等方面深入探讨了切削刀具的设计和制造技术。重点阐述了航空发动机复杂薄壁部件切削加工精度与稳定性协同控制技术，具体策略包括变形过程控制以及表面完整性控制。此外，还深入讨论了切削过程的智能化监测技术，并介绍其实现流程。

同时，综述了刀具磨损预测、刀具寿命评估以及工件稳定性阈值在线监测的发展现状，为提升加工过程的自动化与智能化水平提供了重要参考。最后，总结了当前切削加工领域面临的挑战与未来发展趋势，并强调了跨学科合作、技术创新以及工艺优化在推动高强韧难加工合金材料及其构件加工技术进步中扮演的核心作用，为切削加工技术的发展提供了重要参考。

最新研究进展主要包括能场辅助加工技术、刀具制备技术、形性协同控制技术和智能监测技术等四部分。首先，通过应用能场辅助加工技术改变材料加工区域的物理和化学状态，从而改善高强韧难加工合金材料及其构件的可加工性。其次，通过刀具制备技术提升切削工具性能，以满足高强韧合金材料的切削加工需求。随后，通过对工艺参数和材料组织结构性能精准控制，实现对加工精度和表面完整性的优化与控制。最后，通过集成传感器、信号处理和人工智能等智能监测技术，实现对加工状态的在线监测和反馈控制。

能场辅助加工技术是一种先进的制造工艺，通过应用多种能量场（如超声振动、激光、电能、冷场等）以及其他能场辅助切削方法来显著提升材料的加工性能与效率。该技术核心在于精确调控并施加外部能量场，以非接触或辅助接触方式实现（图3）。研究表明，在钛合金超声振动辅助加工过程中，切削力降低了40%，切削温度下降了48%，同时表面残余压应力提高了50%；而在镍基高温合金激光辅助加工中，显微硬度提高了15%；此外，在钛合金电场辅助加工中，表面粗糙度降低了250%。综上所述，能场辅助加工技术展现出巨大的潜力与优势，可在降低加工难度、提升加工精度以及改善工件性能等方面发挥重要作用，并为高强韧难加工合金材料及其构件的高性能切削加工提供技术支撑。

形性协同控制技术旨在实现发动机在加工精度（形）与表面完整性（性）方面的优化与协同控制，以确保其在高速、高温和高压等苛刻条件下依然具备出色的服役效能与稳定性。然而，在切削加工过程中，高强韧合金材料会经历复杂的机械应力与热负荷耦合作用，严重影响加工精度和服役性能（图5）。为此，本文系统阐明了切削加工变形机理，并探讨了材料去除、残余应力释放以及热效应等因素对形状精度的影响规律。同时，介绍了加工变形控制策略，并深入分析了表面完整性的形成机理，揭示了其对提升部件整体性能的重要性，为高强韧难加工合金材料及其构件的高质量加工提供了坚实的理论基础与技术支撑。

智能监测技术在推动加工过程智能化进程中扮演着至关重要的角色。本文深入探讨了制造过程信息化背景下智能监测技术的最新进展，聚焦于在线信号监测技术的构建与应用，涵盖了从实时信号采集、信号特征的高级提取、加工状态的精准识别与预测，到基于数据驱动的智能监控策略，融合多学科知识，如信号处理、模式识别、机器学习及预测建模等，以实现对加工过程状态的全面感知与动态调控，该技术将在未来高强韧难加工合金材料及其构件的切削加工中发挥更加重要的作用。图6所为智能监测技术的开发流程。

航空发动机高强度韧性合金材料的切削性能显著影响影响加工精度和质量。尽管研究人员在高强度韧性合金材料先进切削技术领域取得了显著突破，但仍面临基础研究深度不足以及技术成熟度有待提升的双重挑战。目前，在能场辅助切削加工技术方面，多能场作用下切削机理需要进一步明确，且缺乏稳定可靠的多能场辅助装备。在先进刀具制备技术方面，刀具材料的烧结特性、相变及微观结构与制备工艺之间的关联至关重要，且选择制备工艺时仍需考虑质量、寿命和成本等因素。在形性协同控制技术方面，多工艺组合下加工过程形性控制是一项极艰巨的挑战。在加工过程智能监控技术方面，高精度、高频率响应的传感器设备是捕捉加工过程物理量信号的基础。同时，解决高维小数据集的泛化和过拟合问题的高效处理成为智能监控技术工程应用中面临的又一难题。

在未来，高强度韧性合金材料的先进切削技术发展应与实际应用紧密结合，充分发挥其独特优势。开发具有自适应控制功能的多能场辅助切削技术，并关注优化刀具结构、提高断屑槽性能以及刀刃强化处理技术。同时，还需要研究加工精度与表面完整性在多工艺组合下的重建机制，并采用云计算架构部署加工过程智能监控技术。综上所述，高强度韧性合金材料及构件的高性能切削是一项长期而艰巨的任务，需要科研界与产业界的持续投入与深度合作，共同构建一个高效、精准且可靠的先进切削技术体系，以提升航空发动机关键构件制造水平。