超聲加工技術(shù)的研究進(jìn)展（一）：航空領(lǐng)域與3C制造領(lǐng)域

作為一種特種加工工藝，超聲加工在工業(yè)界和學(xué)術(shù)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的重視，本文系統(tǒng)介紹了超聲加工技術(shù)近年來(lái)在航空制造、3C制造、抗疲勞制造和生醫(yī)制造等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，其中重點(diǎn)介紹了高速超聲切削這一新興超聲加工技術(shù)在難加工合金的工藝優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用前景，同時(shí)還對(duì)超聲加工技術(shù)在這些領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

超聲振動(dòng)加工的原理是給刀具或工件施加微米級(jí)超聲頻率的振動(dòng)，并控制其振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度及振動(dòng)方向，使加工工具和工件會(huì)產(chǎn)生周期性的高頻分離，從而大幅改善材料的可加工性。目前，超聲振動(dòng)加工技術(shù)已在航空領(lǐng)域難加工材料切削、3C產(chǎn)品脆性材料加工、抗疲勞表面強(qiáng)化和生物活體組織微創(chuàng)手術(shù)等加工領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。超聲振動(dòng)加工技術(shù)憑借其*的加工優(yōu)勢(shì)，已影響到整個(gè)機(jī)械加工領(lǐng)域并滲透到一些交叉領(lǐng)域，成為機(jī)械加工領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。

 航空制造領(lǐng)域應(yīng)用研究 

一、難加工合金高速超聲切削

傳統(tǒng)縱向超聲振動(dòng)切削方法（圖1a）和橢圓超聲振動(dòng)切削方法（圖1b）在難加工合金加工中已取得良好的效果，但由于受振動(dòng)臨界切削速度限制，只能應(yīng)用于低速切削場(chǎng)合，加工效率難以提升。針對(duì)這一問(wèn)題，北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)提出了高速超聲切削（HUVC）方法，在切削運(yùn)動(dòng)參照系下，通過(guò)復(fù)合遠(yuǎn)高于超聲振動(dòng)臨界分離速度的切削運(yùn)動(dòng)與橫向超聲振動(dòng)，使刀具相對(duì)于加工表面運(yùn)動(dòng)且呈“短接觸、長(zhǎng)分離”的波動(dòng)式運(yùn)動(dòng)軌跡（圖1c），是在切削速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削的臨界速度的情況下，仍可在一定條件下實(shí)現(xiàn)刀具和工件分離的一種新型超聲切削工藝。該加工方法既在宏觀上實(shí)現(xiàn)了高速切削，又在微觀上實(shí)現(xiàn)了斷續(xù)切削，可大幅度提升鈦合金等難加工材料的切削加工性。

圖1   超聲振動(dòng)切削示意圖

近年來(lái)，高速超聲車(chē)削和銑削方面也取得了較大的技術(shù)突破，可將鈦合金穩(wěn)定切削速度提升到400 m/min。高速超聲切削工藝突破了臨界速度對(duì)超聲切振動(dòng)削的限制，可有效緩解鈦合金切削過(guò)程中存在的加工效率低、加工精度差等問(wèn)題，并且高速超聲切削可通過(guò)合理的參數(shù)匹配、相位差控制等方式來(lái)獲得更穩(wěn)定的切削過(guò)程和更好的加工效果，具有廣泛的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，除了鈦合金，高速超聲切削方法對(duì)高溫合金等難加工合金的加工效果已引起了研究人員的廣泛興趣，其高速超聲切削機(jī)理有待進(jìn)一步揭示。未來(lái)，高速超聲切削工藝將結(jié)合先進(jìn)冷卻方式，有望實(shí)現(xiàn)高溫合金等難加工合金的高速切削。

二、復(fù)合材料超聲加工

由于碳纖維增強(qiáng)/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）具有常規(guī)金屬*的物理力學(xué)性能，新型客機(jī)、戰(zhàn)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其大量采用。比如，波音 787 的CFRP用量占比已達(dá)約50%，空客A350的CFRP占比將達(dá)到62%，F(xiàn)-22戰(zhàn)機(jī)的CFRP占比也達(dá)到35%。然而，CFRP屬于典型的難加工材料，主要表現(xiàn)在脆性大、碳纖維硬度大、抗撞擊能力差和導(dǎo)熱能力差等。此外，CFRP的各向異性、層間結(jié)合強(qiáng)度低，使其在加工中易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響已加工零件的力學(xué)性能。

針對(duì)碳纖維CFRP超聲加工的研究主要集中在超聲套孔方面，通過(guò)利用燒結(jié)或電鍍金剛石刀具對(duì)CFRP進(jìn)行制孔加工。國(guó)外早開(kāi)展此項(xiàng)工作的是堪薩斯州立大學(xué)的Pei.Z.J教授，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)采用高頻小振幅的超聲輔助套孔加工能夠有效降低復(fù)材出口分層的缺陷，這與低頻大振幅產(chǎn)生的效果大不相同，除此之外，相較于傳統(tǒng)的套孔工藝，輔以超聲軸向振動(dòng)的套孔工藝能夠有效降低切削力和孔壁表面粗糙度，減小復(fù)材孔出口易產(chǎn)生的分層和撕裂缺陷，然而并未找到解決金剛石刀具在加工時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題的有效方法。

此外，日本學(xué)者Yagishita曾用硬質(zhì)合金涂層群鉆對(duì)CFRP進(jìn)行了超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助鉆削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輔以超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的鉆削能減少孔內(nèi)壁劃傷的發(fā)生，提高了孔內(nèi)壁的表面質(zhì)量，同時(shí)可以將刀具壽命提高5倍。然而這種效果只在低轉(zhuǎn)速鉆削的條件下表現(xiàn)明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)輔以超聲加工作用會(huì)失效，這是由于當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速達(dá)到臨界條件時(shí)，刀具與工件不再發(fā)生周期性分離，此時(shí)的切削不再是斷續(xù)切削，超聲效果會(huì)失效。

近年，北京航空航天大學(xué)在CFRP橢圓超聲振動(dòng)套孔、鉸孔方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究（圖2）。張德遠(yuǎn)教授課題組采用無(wú)冷卻條件對(duì)CFRP超聲橢圓振動(dòng)套孔、鉸孔工藝進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明超聲橢圓振動(dòng)套、鉸孔能有效降低切削力和扭矩，提高孔徑精度以及刀具壽命。耿大喜博士在干切條件下利用紅外熱像儀測(cè)量了橢圓超聲振動(dòng)磨套孔時(shí)的切削溫度，通過(guò)建立溫度-速度函數(shù)表明在橢圓超聲振動(dòng)下套孔切削溫度明顯低于普通磨孔，在相同的加工條件下，橢圓超聲振動(dòng)套孔可獲得更好的孔表面質(zhì)量。

圖2   橢圓超聲振動(dòng)套孔、鉸孔方法示意圖

橢圓超聲振動(dòng)加工技術(shù)在對(duì)CFRP進(jìn)行孔加工時(shí)存在一定的優(yōu)勢(shì)，如降低軸向力、切削溫度、提高刀具壽命、降低分層等，但是由于橢圓振動(dòng)換能器的振動(dòng)理論研究尚不深入，裝置設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)該工藝大規(guī)模應(yīng)用，需對(duì)超聲橢圓振動(dòng)制孔工藝系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

 3C制造領(lǐng)域應(yīng)用研究 

一、脆性材料旋轉(zhuǎn)超聲加工

旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM）在脆性材料加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，該加工方式由普通磨削和超聲振動(dòng)復(fù)合而成，是一種針對(duì)硬脆材料加工技術(shù)難題的特種加工工藝。旋轉(zhuǎn)超聲加工的刀具大多在刀頭位置電鍍一層金剛石或CBN等高硬度材料，且刀具在加工過(guò)程中會(huì)在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿刀具軸線(xiàn)作微米級(jí)超聲頻振動(dòng)，可有效降低切削力、殘余應(yīng)力和表面損傷，提高加工精度和效率，延長(zhǎng)刀具壽命。由圖3所示的旋轉(zhuǎn)超聲鋸切藍(lán)寶石的效果圖可明顯看出，引入超聲振動(dòng)后，減少了塑性去除比例，不再出現(xiàn)大塊剝落。

圖3   超聲振動(dòng)對(duì)鋸切藍(lán)寶石表面形貌的影響

旋轉(zhuǎn)超聲加工包含三種加工形式：鉆孔、端面銑削和側(cè)面銑削，其材料去除機(jī)理見(jiàn)圖4。其中，鉆孔與端面磨削加工中刀具端面的磨粒與工件材料在超聲振動(dòng)的作用下產(chǎn)生周期性的切削和分離，并附加有錘擊效果。這一工藝特性對(duì)硬脆材料的高硬度與低斷裂韌性有良好的針對(duì)作用，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，進(jìn)行大量研究，總結(jié)出旋轉(zhuǎn)超聲加工的諸多優(yōu)勢(shì)。

圖4   旋轉(zhuǎn)超聲加工磨料運(yùn)動(dòng)軌跡和材料去除機(jī)理

在降低切削力方面，旋轉(zhuǎn)超聲加工時(shí)磨粒與工件有周期性的高頻分離，切削區(qū)域被打開(kāi)，切削液可進(jìn)入，改善了潤(rùn)滑和冷卻情況，且加工過(guò)程中的高頻錘擊使加工表面粉末化、切削力降低。為解析旋轉(zhuǎn)超聲加工切削力的降低機(jī)理，研究學(xué)者以理論建模及調(diào)整工藝參數(shù)等方式進(jìn)行了大量研究。華僑大學(xué)朱旭等利用旋轉(zhuǎn)超聲加工鋸切藍(lán)寶石之后發(fā)現(xiàn)，徑向切削力相比普通鋸切下降50%~80%，軸向力下降35%~50%。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工表面粗糙度的研究相對(duì)較少且存在較大的爭(zhēng)議，即對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工是否可降低表面粗糙度尚無(wú)定論。研究學(xué)者通過(guò)建立表面粗糙度預(yù)測(cè)模型或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證等方式得出的研究結(jié)果更多地支持旋轉(zhuǎn)超聲加工在側(cè)面磨削加工或V型槽加工中可顯著降低表面粗糙度的情況，而鉆孔與端面磨削加工增大表面粗糙度的情況更多，但可通過(guò)提高主軸轉(zhuǎn)速、降低切削深度和進(jìn)給量并匹配合適的超聲參數(shù)的方式降低表面粗糙度。

提高加工效率是旋轉(zhuǎn)超聲加工的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)為材料去除率增加。特別是在恒力進(jìn)給條件下，旋轉(zhuǎn)超聲加工的材料去除率相比普通磨削顯著提高。目前旋轉(zhuǎn)超聲加工在硬脆性材料加工領(lǐng)域相比普通磨削有顯著優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)前超聲振動(dòng)下的材料去除機(jī)理研究并不深入。深入研究去除機(jī)理可進(jìn)一步揭示旋轉(zhuǎn)超聲加工的表面粗糙度規(guī)律和亞表面損傷形成機(jī)理，對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工工藝的推廣有重要意義。

二、超聲拋光

超聲振動(dòng)拋光的原理是對(duì)工件或變幅桿施加超聲振動(dòng)，使磨料懸浮液中的磨粒與工件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到?jīng)_擊、拋磨的效果，可提高拋光速度和均勻性、降低表面粗糙度。印度理工學(xué)院Kala等使用磁場(chǎng)輔助超聲拋光，改善了黃銅表面的光潔度。Jeffrey等分別對(duì)變幅桿和拋光盤(pán)施加橫向超聲振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)橫向超聲振動(dòng)以攪動(dòng)懸浮液的形式作用于硅片，提高拋光均勻性。許文虎等進(jìn)行了有無(wú)超聲拋光藍(lán)寶石的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助拋光去除率是無(wú)超聲的兩倍且表面粗糙度降低，效果見(jiàn)圖5。

圖5   有無(wú)超聲振動(dòng)拋光藍(lán)寶石表面

超聲振動(dòng)輔助拋光在機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、磁流變拋光、離子束拋光等多個(gè)拋光類(lèi)別均有應(yīng)用，并取得了一定的改善效果。然而，當(dāng)前超聲拋光過(guò)程中的材料去除機(jī)理研究還不夠深入，特別是超聲空化作用對(duì)已加工表面的表面完整性的影響機(jī)制尚未揭示，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)基本理論的研究。