中國(guó)的超聲加工

超聲加工技術(shù)自從1950年代由日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授提出振動(dòng)切削方法以來(lái)，得到了學(xué)者廣泛關(guān)注和系統(tǒng)研究，到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了60多個(gè)年頭。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，中國(guó)超聲加工技術(shù)正由研究規(guī)模向應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，2015年10月于廈門(mén)召開(kāi)了首屆超聲加工技術(shù)論壇，2016年5月中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)成立了超聲加工技術(shù)委員會(huì)，2016年10月于大連召開(kāi)了首屆全國(guó)超聲加工技術(shù)研討會(huì)。為更好地了解中國(guó)超聲加工技術(shù)研究的現(xiàn)狀，本刊以“超聲加工專欄”形式刊登中國(guó)超聲加工技術(shù)研究的概況。本文作為專欄序文概括論述我國(guó)超聲加工技術(shù)研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

超聲加工從狹義上看是一種高頻振動(dòng)能量附加到機(jī)械加工過(guò)程的一種加工方法，超聲振動(dòng)能量來(lái)源通常是電壓驅(qū)動(dòng)壓電伸縮振動(dòng)或電流驅(qū)動(dòng)磁致伸縮振動(dòng)，所以超聲加工屬電加工范疇；從振動(dòng)切削運(yùn)動(dòng)學(xué)廣義上看，該領(lǐng)域也包括低頻振動(dòng)加工；從超聲加工工藝學(xué)廣義上看，該領(lǐng)域以振動(dòng)切削為主體外還包括超聲成形、超聲焊接、超聲處理等；從超聲加工對(duì)象廣義上看，該領(lǐng)域主要面向工業(yè)產(chǎn)品制造外還可以作為醫(yī)療手術(shù)用超聲手術(shù)工具。超聲加工已經(jīng)逐步成為提高機(jī)械加工能效的一種重要手段，特別是新材料與難加工材料、難加工結(jié)構(gòu)與表面、高表面完整性加工等需求不斷增多，使超聲加工的可應(yīng)用優(yōu)勢(shì)范圍不斷擴(kuò)大，從而引起更多學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究與應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)真正開(kāi)始系統(tǒng)研究超聲加工技術(shù)是從1980年代開(kāi)始的，具代表性的國(guó)內(nèi)早期研究學(xué)者是原吉林工業(yè)大學(xué)的王立江教授、廣西大學(xué)的阮世勛教授等，主要以振動(dòng)切削機(jī)理試驗(yàn)研究為主，幾乎沒(méi)有走出實(shí)驗(yàn)室向工程應(yīng)用。后來(lái)逐步擴(kuò)大到1990年代的第二代研究力量，逐步研發(fā)實(shí)用性超聲加工裝置，并出現(xiàn)了橢圓超聲加工技術(shù)，克服了單向超聲振動(dòng)切削的崩刃問(wèn)題，為工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。再后來(lái)2000年代以后超聲加工技術(shù)逐步走出實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)在工程上逐步擴(kuò)大應(yīng)用而快速推進(jìn)超聲加工技術(shù)發(fā)展。近十年國(guó)內(nèi)超聲加工研究單位迅猛增多，導(dǎo)致中國(guó)超聲加工研究論文在國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表數(shù)量急劇增加，在SCI、EI檢索論文中中國(guó)學(xué)者的超聲加工論文數(shù)量處于地位，迎來(lái)了超聲加工研究中國(guó)鼎盛時(shí)期。

超聲振動(dòng)切削技術(shù)自從20世紀(jì)50年代提出以來(lái)，歷經(jīng)60多年發(fā)展一直沒(méi)有突破切削速度限問(wèn)題，即切削速度大于振動(dòng)速度后振動(dòng)切削效果基本消失。北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)2010年提出、2016年試驗(yàn)證實(shí)、2017年在線發(fā)表了“高速斷續(xù)超聲振動(dòng)切削加工方法”，*打破傳統(tǒng)振動(dòng)切削反向速度分離的理念，通過(guò)切削橫向分離方式實(shí)現(xiàn)高速斷續(xù)超聲切削，*打破了以往振動(dòng)切削的切削速度限。這種新的振動(dòng)切削模式不僅保持了脈沖式振動(dòng)切削降低切削力特性，而且斷續(xù)空切冷卻潤(rùn)滑延長(zhǎng)刀具壽命，實(shí)現(xiàn)增速不增磨的高速斷續(xù)切削理念，還通過(guò)振動(dòng)相位差控制表面加工質(zhì)量。這一新模式同時(shí)還打破了普通切削(如車削、銑削、鉆削等)的切削速度限，實(shí)現(xiàn)了宏觀高速切削，微觀高速斷續(xù)切削的新機(jī)理，這對(duì)于解決難加工材料高速切削難題開(kāi)辟了全新途徑。振動(dòng)切削領(lǐng)域、普通切削領(lǐng)域兩個(gè)切削速度極限的突破，對(duì)顯著提升難加工材料總體加工效率具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

超聲振動(dòng)磨削脆性材料是超聲加工擅長(zhǎng)的一種加工工藝方法，但是超聲加工表面裂紋與出口崩邊問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決。清華大學(xué)馮平法團(tuán)隊(duì)對(duì)超聲加工脆性材料進(jìn)行了深入的理論與試驗(yàn)研究，理論分析與試驗(yàn)證實(shí)了極限切削力是保證硬脆材料超聲磨鉆工藝有效的首要條件，減小亞表面損傷和減小刀具端面面積可以顯著降低出口崩邊，磨粒橫向振動(dòng)軌跡可以提高脆性復(fù)合材料磨鉆的孔表面質(zhì)量、降低分層面積。這對(duì)于、高質(zhì)超聲加工脆性材料提供了新的理論基礎(chǔ)。

超聲切割加工是蜂窩芯復(fù)合材料的一種加工方法，但是在超聲切割加工過(guò)程中依然會(huì)出現(xiàn)不同程度的纖維拔出、酚醛清漆層剝落等加工缺陷特征。大連理工大學(xué)康仁科團(tuán)隊(duì)采用直刃刀超聲縱切、斜切、橫切三種方式，通過(guò)提高超聲刀具振幅、降低進(jìn)給量顯著降低了蜂窩芯加工過(guò)程中的酚醛清漆層剝落的幾率。理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證了直刃超聲切割的切削力變化規(guī)律，進(jìn)給方向超聲振幅和刀具前傾角對(duì)切削力的影響較大。這為實(shí)現(xiàn)大塊、極薄精密超聲切割蜂窩材料奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

超聲加工界面微觀機(jī)理極為復(fù)雜，直接關(guān)系到超聲加工效果的合理發(fā)揮和能力挖潛，值得微觀表征深入研究。其中有四項(xiàng)問(wèn)題入選《一萬(wàn)個(gè)科學(xué)難題-制造卷》，分別是北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)提出的“超聲加工的強(qiáng)沖擊變形機(jī)制問(wèn)題”和“超聲手術(shù)的組織選擇性作用機(jī)理”，集美大學(xué)皮鈞團(tuán)隊(duì)提出的“超聲振動(dòng)切削過(guò)程接觸界面材料塑性動(dòng)力變形和粘彈潤(rùn)滑機(jī)理問(wèn)題”，天津大學(xué)宮虎團(tuán)隊(duì)提出的“金剛石刀具超聲輔助超精密車削黑色金屬的機(jī)理問(wèn)題”。有待于今后通過(guò)多學(xué)科交叉深入解析超聲加工界面的多場(chǎng)作用機(jī)理，通過(guò)仿生技術(shù)、微納技術(shù)、新材料技術(shù)等改善界面條件，從而不斷提升超聲加工技術(shù)的工藝效果，擴(kuò)大其優(yōu)勢(shì)應(yīng)用范圍。

超聲加工裝備是實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵，包括超聲載能裝備(機(jī)床、主軸、刀柄、刀具載能)、超聲激勵(lì)裝備(超聲換能器、供電環(huán)、發(fā)生器)等，超聲能量的適應(yīng)性、穩(wěn)定性是超聲加工應(yīng)用的基本條件。目前，國(guó)內(nèi)外超聲加工的主要差距就體現(xiàn)在超聲加工裝備的產(chǎn)品化上。德國(guó)DMG公司的超聲銑磨機(jī)床，主要加工脆性材料；美國(guó)EFM公司的超聲切割機(jī)床，主要用于蜂窩芯切割與銑切。這些數(shù)控機(jī)床配上性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的超聲加工裝置就形成的價(jià)格昂貴的超聲加工機(jī)床。為趕上或超過(guò)國(guó)外超聲加工裝備的技術(shù)水平，必須突破以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：機(jī)床本體化才能有超聲加工裝備高性能化的成本空間，這需要我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的突破；超聲加工裝備與機(jī)床本體高度融合化才能形成性能匹配好的超聲加工機(jī)床，這需要機(jī)床企業(yè)與超聲加工裝置研發(fā)單位之間合作機(jī)制上的突破；超聲諧振刀具與超聲加工刀柄之間批量互換匹配才能實(shí)現(xiàn)超聲加工工藝大面積推廣應(yīng)用，這需要刀具廠商與超聲加工裝備制造商之間聯(lián)合制定超聲加工刀具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；超聲加工裝備本身的陶瓷堆、感應(yīng)供電、阻抗匹配、變幅桿、發(fā)生器組成的諧振系統(tǒng)的諧振頻率、阻抗一致性好才能保證產(chǎn)品互換，這需要各子系統(tǒng)制造質(zhì)量的穩(wěn)定性與互換標(biāo)準(zhǔn)。這些問(wèn)題恰恰是我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)件水平低、工業(yè)創(chuàng)新機(jī)制落后的具體表現(xiàn)，需要扎扎實(shí)實(shí)的努力盡快解決。

超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域在我國(guó)目前主要集中在國(guó)防領(lǐng)域，按其有效性劃分，分為對(duì)難加工材料*的切削能力上的應(yīng)用、對(duì)弱剛度工藝系統(tǒng)極小的切削抗力上的應(yīng)用、對(duì)精細(xì)光整表面極微細(xì)的光整能力上的應(yīng)用、對(duì)抗疲勞表面*的強(qiáng)化能力上的應(yīng)用等，還有對(duì)生物活體組織微創(chuàng)手術(shù)中的極小創(chuàng)傷上的應(yīng)用。因此，超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域劃分主要是從工件材料、結(jié)構(gòu)、表面形貌、表面力學(xué)等方面劃分，超聲加工已經(jīng)幾乎滲透到了切削磨削、特種加工的各種工藝中。從超聲加工的應(yīng)用行業(yè)來(lái)看，應(yīng)用多的是航空航天行業(yè)，因?yàn)檫@一行業(yè)的難加工材料居多、產(chǎn)品質(zhì)量要求高，使超聲加工工藝效果顯示度大；同時(shí)這一行業(yè)的零件批量小、生產(chǎn)節(jié)拍并不快，使以往超聲加工的極限速度弱勢(shì)沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)。在兵器、核工業(yè)、船舶等國(guó)防其他行業(yè)也有大量的超聲加工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在難加工材料與難加工結(jié)構(gòu)加工的精密加工效果。隨著北航提出的高速超聲加工技術(shù)的不斷完善與提升，高速超聲加工在眾多行業(yè)均有廣闊的應(yīng)用前景。首先擴(kuò)大高速超聲加工在民用行業(yè)中的應(yīng)用，高速超聲加工工藝用于精密儀器、光學(xué)零件、微細(xì)零件、脆性材料、精密模具等行業(yè)，再擴(kuò)展到快節(jié)拍的汽車制造業(yè)中應(yīng)用高速超聲加工技術(shù)。隨著高速超聲加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和制造要求的不斷提高，高速超聲加工的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用行業(yè)會(huì)不斷擴(kuò)大，在機(jī)械制造行業(yè)中的作用會(huì)不斷加大，還會(huì)在生物制造、仿生制造、微納制造等新型行業(yè)中發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。

超聲加工領(lǐng)域人才培養(yǎng)主要集中在高校和研究所，覆蓋面比較寬，但缺乏超聲加工精品教材，缺乏學(xué)科交叉基礎(chǔ)性專著，缺乏超聲加工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相關(guān)研究計(jì)劃的學(xué)科目錄，缺乏超聲加工的專業(yè)雜志。因此，超聲加工技術(shù)與其他電加工技術(shù)相比，總體上還處于初期發(fā)展與應(yīng)用階段，必須在超聲加工人才培養(yǎng)過(guò)程中，不斷實(shí)現(xiàn)超聲加工理論與應(yīng)用技術(shù)的突破，為我國(guó)制造業(yè)做出重大貢獻(xiàn)。

張德遠(yuǎn)(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院)