钛合金，特别是Ti-6Al-4V（TC4），由于其优异的强度重量比和耐腐蚀性，在航空航天和轨道交通行业中变得不可或缺[1,2,3,4,5]。然而，其低导热性和高化学反应性会导致传统钻削过程中工具严重磨损和绝热剪切不稳定性，从而产生表面缺陷，显著影响疲劳寿命[6,7,8,9]。这些限制大大增加了制造关键航空发动机零件的成本[10,11]，迫切需要先进的加工解决方案。
目前关于超声辅助摩擦钻削（UAFD）的研究仍处于起步阶段。与传统摩擦钻削相比，超声辅助加工在处理高硬度和高耐磨性的多种先进材料时表现出更好的性能[12,13,14]。Bahloul[19]表明，诸如摩擦接触面积比（FCAR）等关键几何参数显著影响加工稳定性。研究显示，50% FCAR的刀具通过四叶片几何结构减少了摩擦力和轴向力，但由于接触面积减小，材料去除率也降低了。同样，Kaya[20]报告称50% FCAR的刀具减少了扭矩波动，但在高速下加剧了加工不稳定性。摩擦角（θ），即刀具锥形区域的顶角，通过调节接触面积来控制热机械耦合。Chityal[21]得出30°至40°是质量和效率平衡的最佳θ范围，并量化了30°至40°之间较小的θ可以减少热损伤深度，但需要更高的推力来启动塑性流动，这一点通过Chow的田口分析法得到了验证[22]。Ozler[23]指出，较大的θ产生的高轴向力会导致衬套边缘断裂，进而破坏整个衬套结构。这些发现强调了在加工过程中进行切削力预测的必要性。
精确建模切削力需要综合考虑摩擦钻削中的多物理因素，如轴向力、扭矩和温度。Miller的六阶段热机械耦合模型[24,25]由于使用了简化的摩擦模型而存在理论与实验轴向力之间的偏差。Zhang[26]开发的温度依赖性屈服强度模型通过提高预测准确性弥补了这一不足。他还应用了经验公式来减少扭矩预测误差，并进一步改进了动态摩擦特性。Krasauskas的五变量回归模型[27]量化了参数敏感性。Stryczek的四阶段机械模型[28]将刀具轮廓与峰值力相关联，并确定了钻削深度的临界不稳定性阈值。这些进展突显了在TC4钻削模型中整合动态摩擦和热软化效应的必要性。在TC4摩擦钻削中，热管理至关重要，因为98%至99%的总热量产生于刀具与工件之间的摩擦[29]。Ozler[30]使用红外温度计量化了温度与主轴转速之间的非线性关系，发现随着主轴转速的增加，温度上升并加速了刀具磨损速率。这种力-温度相互作用可以通过切削力建模来预测，以实现加工过程的控制。
最近关于钻削参数对温度和机械性能影响的进展加深了我们对摩擦钻削过程中复杂切削力变化的理解。为了进一步研究摩擦钻削过程中钻削力和温度的变化，Mustafa[31]将摩擦钻削过程分为三个阶段：启动、流动和形成，并提出了一个三阶段力-温度演变模型。Pangjundee[32]进一步量化了扭矩-主轴转速的非线性关系，结果表明，在扭矩保持下降后主轴转速突然增加。这种逆转是由于热软化导致的刀具磨损加速所致。这些发现强调了在工艺优化中平衡热量生成和材料退化的重要性。
在本研究中，系统地分析和建模了TC4钛合金在UAFD加工过程中的切削力变化，重点关注摩擦钻削过程中的切削力变化。以TC4钛合金为研究对象，建立了加工力的理论模型。基于合理的假设建立了刀具的等效机械模型，并推导出不同阶段轴向力和扭矩的计算公式。考虑到TC4钛合金的特性和高温摩擦钻削技术，以主轴转速和进给率为变量进行了单因素实验。通过分析不同工艺参数对轴向力、扭矩和温度的影响，证实了超声振动对摩擦钻削过程中切削力的有益影响。同时验证了切削力模型在加工力预测方面的准确性。这些突破为未来在钛合金航空航天零件制造中实施UAFD提供了科学基础[33,34]，并解决了热管理和疲劳寿命提升的关键问题。
本文的结构如下：
第2节介绍了UAFD加工的实验装置，包括加工系统和设备的构建以及数据后处理方法。第3节介绍了切削力建模和实验验证，包括钻削等效模型、切削力建模和实验验证。还通过介绍钻削参数对切削力的影响，对模型应用和实验结果进行了全面讨论。
