超聲加工技術的研究進展（一）：航空領域與3C制造領域

作為一種特種加工工藝，超聲加工在工業界和學術領域得到越來越多的重視，本文系統介紹了超聲加工技術近年來在航空制造、3C制造、抗疲勞制造和生醫制造等領域的研究現狀，其中重點介紹了高速超聲切削這一新興超聲加工技術在難加工合金的工藝優勢及其應用前景，同時還對超聲加工技術在這些領域的發展趨勢進行了展望。

超聲振動加工的原理是給刀具或工件施加微米級超聲頻率的振動，并控制其振動頻率、振動幅度及振動方向，使加工工具和工件會產生周期性的高頻分離，從而大幅改善材料的可加工性。目前，超聲振動加工技術已在航空領域難加工材料切削、3C產品脆性材料加工、抗疲勞表面強化和生物活體組織微創手術等加工領域取得了廣泛的應用。超聲振動加工技術憑借其*的加工優勢，已影響到整個機械加工領域并滲透到一些交叉領域，成為機械加工領域重要的發展方向。

 航空制造領域應用研究 

一、難加工合金高速超聲切削

傳統縱向超聲振動切削方法（圖1a）和橢圓超聲振動切削方法（圖1b）在難加工合金加工中已取得良好的效果，但由于受振動臨界切削速度限制，只能應用于低速切削場合，加工效率難以提升。針對這一問題，北京航空航天大學張德遠團隊提出了高速超聲切削（HUVC）方法，在切削運動參照系下，通過復合遠高于超聲振動臨界分離速度的切削運動與橫向超聲振動，使刀具相對于加工表面運動且呈“短接觸、長分離”的波動式運動軌跡（圖1c），是在切削速度遠超傳統超聲振動切削的臨界速度的情況下，仍可在一定條件下實現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現了高速切削，又在微觀上實現了斷續切削，可大幅度提升鈦合金等難加工材料的切削加工性。

圖1   超聲振動切削示意圖

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

當前，除了鈦合金，高速超聲切削方法對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，其高速超聲切削機理有待進一步揭示。未來，高速超聲切削工藝將結合先進冷卻方式，有望實現高溫合金等難加工合金的高速切削。

二、復合材料超聲加工

由于碳纖維增強/環氧樹脂基復合材料（CFRP）具有常規金屬*的物理力學性能，新型客機、戰機和發動機對其大量采用。比如，波音 787 的CFRP用量占比已達約50%，空客A350的CFRP占比將達到62%，F-22戰機的CFRP占比也達到35%。然而，CFRP屬于典型的難加工材料，主要表現在脆性大、碳纖維硬度大、抗撞擊能力差和導熱能力差等。此外，CFRP的各向異性、層間結合強度低，使其在加工中易產生分層、撕裂等缺陷，會嚴重影響已加工零件的力學性能。

針對碳纖維CFRP超聲加工的研究主要集中在超聲套孔方面，通過利用燒結或電鍍金剛石刀具對CFRP進行制孔加工。國外早開展此項工作的是堪薩斯州立大學的Pei.Z.J教授，該團隊研究發現采用高頻小振幅的超聲輔助套孔加工能夠有效降低復材出口分層的缺陷，這與低頻大振幅產生的效果大不相同，除此之外，相較于傳統的套孔工藝，輔以超聲軸向振動的套孔工藝能夠有效降低切削力和孔壁表面粗糙度，減小復材孔出口易產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發熱嚴重的問題的有效方法。

此外，日本學者Yagishita曾用硬質合金涂層群鉆對CFRP進行了超聲扭轉振動輔助鉆削試驗，結果發現，輔以超聲扭轉振動的鉆削能減少孔內壁劃傷的發生，提高了孔內壁的表面質量，同時可以將刀具壽命提高5倍。然而這種效果只在低轉速鉆削的條件下表現明顯，當轉速提高時輔以超聲加工作用會失效，這是由于當刀具轉速達到臨界條件時，刀具與工件不再發生周期性分離，此時的切削不再是斷續切削，超聲效果會失效。

近年，北京航空航天大學在CFRP橢圓超聲振動套孔、鉸孔方面進行了較為系統的研究（圖2）。張德遠教授課題組采用無冷卻條件對CFRP超聲橢圓振動套孔、鉸孔工藝進行研究，研究結果表明超聲橢圓振動套、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量了橢圓超聲振動磨套孔時的切削溫度，通過建立溫度-速度函數表明在橢圓超聲振動下套孔切削溫度明顯低于普通磨孔，在相同的加工條件下，橢圓超聲振動套孔可獲得更好的孔表面質量。

圖2   橢圓超聲振動套孔、鉸孔方法示意圖

橢圓超聲振動加工技術在對CFRP進行孔加工時存在一定的優勢，如降低軸向力、切削溫度、提高刀具壽命、降低分層等，但是由于橢圓振動換能器的振動理論研究尚不深入，裝置設計較為復雜，為實現該工藝大規模應用，需對超聲橢圓振動制孔工藝系統進行深入研究。

 3C制造領域應用研究 

一、脆性材料旋轉超聲加工

旋轉超聲加工（RUM）在脆性材料加工領域有著廣泛的應用，該加工方式由普通磨削和超聲振動復合而成，是一種針對硬脆材料加工技術難題的特種加工工藝。旋轉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，且刀具在加工過程中會在高速旋轉的同時沿刀具軸線作微米級超聲頻振動，可有效降低切削力、殘余應力和表面損傷，提高加工精度和效率，延長刀具壽命。由圖3所示的旋轉超聲鋸切藍寶石的效果圖可明顯看出，引入超聲振動后，減少了塑性去除比例，不再出現大塊剝落。

圖3   超聲振動對鋸切藍寶石表面形貌的影響

旋轉超聲加工包含三種加工形式：鉆孔、端面銑削和側面銑削，其材料去除機理見圖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的作用下產生周期性的切削和分離，并附加有錘擊效果。這一工藝特性對硬脆材料的高硬度與低斷裂韌性有良好的針對作用，引起了國內外學者的廣泛關注，進行大量研究，總結出旋轉超聲加工的諸多優勢。

圖4   旋轉超聲加工磨料運動軌跡和材料去除機理

在降低切削力方面，旋轉超聲加工時磨粒與工件有周期性的高頻分離，切削區域被打開，切削液可進入，改善了潤滑和冷卻情況，且加工過程中的高頻錘擊使加工表面粉末化、切削力降低。為解析旋轉超聲加工切削力的降低機理，研究學者以理論建模及調整工藝參數等方式進行了大量研究。華僑大學朱旭等利用旋轉超聲加工鋸切藍寶石之后發現，徑向切削力相比普通鋸切下降50%~80%，軸向力下降35%~50%。

當前國內外學者對旋轉超聲加工表面粗糙度的研究相對較少且存在較大的爭議，即對旋轉超聲加工是否可降低表面粗糙度尚無定論。研究學者通過建立表面粗糙度預測模型或實驗驗證等方式得出的研究結果更多地支持旋轉超聲加工在側面磨削加工或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，但可通過提高主軸轉速、降低切削深度和進給量并匹配合適的超聲參數的方式降低表面粗糙度。

提高加工效率是旋轉超聲加工的一個重要優勢，主要體現為材料去除率增加。特別是在恒力進給條件下，旋轉超聲加工的材料去除率相比普通磨削顯著提高。目前旋轉超聲加工在硬脆性材料加工領域相比普通磨削有顯著優勢，但當前超聲振動下的材料去除機理研究并不深入。深入研究去除機理可進一步揭示旋轉超聲加工的表面粗糙度規律和亞表面損傷形成機理，對旋轉超聲加工工藝的推廣有重要意義。

二、超聲拋光

超聲振動拋光的原理是對工件或變幅桿施加超聲振動，使磨料懸浮液中的磨粒與工件產生相對運動，以達到沖擊、拋磨的效果，可提高拋光速度和均勻性、降低表面粗糙度。印度理工學院Kala等使用磁場輔助超聲拋光，改善了黃銅表面的光潔度。Jeffrey等分別對變幅桿和拋光盤施加橫向超聲振動，發現橫向超聲振動以攪動懸浮液的形式作用于硅片，提高拋光均勻性。許文虎等進行了有無超聲拋光藍寶石的對比實驗，發現超聲振動輔助拋光去除率是無超聲的兩倍且表面粗糙度降低，效果見圖5。

圖5   有無超聲振動拋光藍寶石表面

超聲振動輔助拋光在機械拋光、化學拋光、磁流變拋光、離子束拋光等多個拋光類別均有應用，并取得了一定的改善效果。然而，當前超聲拋光過程中的材料去除機理研究還不夠深入，特別是超聲空化作用對已加工表面的表面完整性的影響機制尚未揭示，因此需要進一步加強基本理論的研究。