超声加工技术的研究进展（一）：航空领域与3C制造领域

作为一种特种加工工艺，超声加工在工业界和学术领域得到越来越多的重视，本文系统介绍了超声加工技术近年来在航空制造、3C制造、抗疲劳制造和生医制造等领域的研究现状，其中重点介绍了高速超声切削这一新兴超声加工技术在难加工合金的工艺优势及其应用前景，同时还对超声加工技术在这些领域的发展趋势进行了展望。

超声振动加工的原理是给刀具或工件施加微米级超声频率的振动，并控制其振动频率、振动幅度及振动方向，使加工工具和工件会产生周期性的高频分离，从而大幅改善材料的可加工性。目前，超声振动加工技术已在航空领域难加工材料切削、3C产品脆性材料加工、抗疲劳表面强化和生物活体组织微创手术等加工领域取得了广泛的应用。超声振动加工技术凭借其*的加工优势，已影响到整个机械加工领域并渗透到一些交叉领域，成为机械加工领域重要的发展方向。

 航空制造领域应用研究 

一、难加工合金高速超声切削

传统纵向超声振动切削方法（图1a）和椭圆超声振动切削方法（图1b）在难加工合金加工中已取得良好的效果，但由于受振动临界切削速度限制，只能应用于低速切削场合，加工效率难以提升。针对这一问题，北京航空航天大学张德远团队提出了高速超声切削（HUVC）方法，在切削运动参照系下，通过复合远高于超声振动临界分离速度的切削运动与横向超声振动，使刀具相对于加工表面运动且呈“短接触、长分离”的波动式运动轨迹（图1c），是在切削速度远超传统超声振动切削的临界速度的情况下，仍可在一定条件下实现刀具和工件分离的一种新型超声切削工艺。该加工方法既在宏观上实现了高速切削，又在微观上实现了断续切削，可大幅度提升钛合金等难加工材料的切削加工性。

图1   超声振动切削示意图

近年来，高速超声车削和铣削方面也取得了较大的技术突破，可将钛合金稳定切削速度提升到400 m/min。高速超声切削工艺突破了临界速度对超声切振动削的限制，可有效缓解钛合金切削过程中存在的加工效率低、加工精度差等问题，并且高速超声切削可通过合理的参数匹配、相位差控制等方式来获得更稳定的切削过程和更好的加工效果，具有广泛的应用前景。

当前，除了钛合金，高速超声切削方法对高温合金等难加工合金的加工效果已引起了研究人员的广泛兴趣，其高速超声切削机理有待进一步揭示。未来，高速超声切削工艺将结合先进冷却方式，有望实现高温合金等难加工合金的高速切削。

二、复合材料超声加工

由于碳纤维增强/环氧树脂基复合材料（CFRP）具有常规金属*的物理力学性能，新型客机、战机和发动机对其大量采用。比如，波音 787 的CFRP用量占比已达约50%，空客A350的CFRP占比将达到62%，F-22战机的CFRP占比也达到35%。然而，CFRP属于典型的难加工材料，主要表现在脆性大、碳纤维硬度大、抗撞击能力差和导热能力差等。此外，CFRP的各向异性、层间结合强度低，使其在加工中易产生分层、撕裂等缺陷，会严重影响已加工零件的力学性能。

针对碳纤维CFRP超声加工的研究主要集中在超声套孔方面，通过利用烧结或电镀金刚石刀具对CFRP进行制孔加工。国外早开展此项工作的是堪萨斯州立大学的Pei.Z.J教授，该团队研究发现采用高频小振幅的超声辅助套孔加工能够有效降低复材出口分层的缺陷，这与低频大振幅产生的效果大不相同，除此之外，相较于传统的套孔工艺，辅以超声轴向振动的套孔工艺能够有效降低切削力和孔壁表面粗糙度，减小复材孔出口易产生的分层和撕裂缺陷，然而并未找到解决金刚石刀具在加工时发热严重的问题的有效方法。

此外，日本学者Yagishita曾用硬质合金涂层群钻对CFRP进行了超声扭转振动辅助钻削试验，结果发现，辅以超声扭转振动的钻削能减少孔内壁划伤的发生，提高了孔内壁的表面质量，同时可以将刀具寿命提高5倍。然而这种效果只在低转速钻削的条件下表现明显，当转速提高时辅以超声加工作用会失效，这是由于当刀具转速达到临界条件时，刀具与工件不再发生周期性分离，此时的切削不再是断续切削，超声效果会失效。

近年，北京航空航天大学在CFRP椭圆超声振动套孔、铰孔方面进行了较为系统的研究（图2）。张德远教授课题组采用无冷却条件对CFRP超声椭圆振动套孔、铰孔工艺进行研究，研究结果表明超声椭圆振动套、铰孔能有效降低切削力和扭矩，提高孔径精度以及刀具寿命。耿大喜博士在干切条件下利用红外热像仪测量了椭圆超声振动磨套孔时的切削温度，通过建立温度-速度函数表明在椭圆超声振动下套孔切削温度明显低于普通磨孔，在相同的加工条件下，椭圆超声振动套孔可获得更好的孔表面质量。

图2   椭圆超声振动套孔、铰孔方法示意图

椭圆超声振动加工技术在对CFRP进行孔加工时存在一定的优势，如降低轴向力、切削温度、提高刀具寿命、降低分层等，但是由于椭圆振动换能器的振动理论研究尚不深入，装置设计较为复杂，为实现该工艺大规模应用，需对超声椭圆振动制孔工艺系统进行深入研究。

 3C制造领域应用研究 

一、脆性材料旋转超声加工

旋转超声加工（RUM）在脆性材料加工领域有着广泛的应用，该加工方式由普通磨削和超声振动复合而成，是一种针对硬脆材料加工技术难题的特种加工工艺。旋转超声加工的刀具大多在刀头位置电镀一层金刚石或CBN等高硬度材料，且刀具在加工过程中会在高速旋转的同时沿刀具轴线作微米级超声频振动，可有效降低切削力、残余应力和表面损伤，提高加工精度和效率，延长刀具寿命。由图3所示的旋转超声锯切蓝宝石的效果图可明显看出，引入超声振动后，减少了塑性去除比例，不再出现大块剥落。

图3   超声振动对锯切蓝宝石表面形貌的影响

旋转超声加工包含三种加工形式：钻孔、端面铣削和侧面铣削，其材料去除机理见图4。其中，钻孔与端面磨削加工中刀具端面的磨粒与工件材料在超声振动的作用下产生周期性的切削和分离，并附加有锤击效果。这一工艺特性对硬脆材料的高硬度与低断裂韧性有良好的针对作用，引起了国内外学者的广泛关注，进行大量研究，总结出旋转超声加工的诸多优势。

图4   旋转超声加工磨料运动轨迹和材料去除机理

在降低切削力方面，旋转超声加工时磨粒与工件有周期性的高频分离，切削区域被打开，切削液可进入，改善了润滑和冷却情况，且加工过程中的高频锤击使加工表面粉末化、切削力降低。为解析旋转超声加工切削力的降低机理，研究学者以理论建模及调整工艺参数等方式进行了大量研究。华侨大学朱旭等利用旋转超声加工锯切蓝宝石之后发现，径向切削力相比普通锯切下降50%~80%，轴向力下降35%~50%。

当前国内外学者对旋转超声加工表面粗糙度的研究相对较少且存在较大的争议，即对旋转超声加工是否可降低表面粗糙度尚无定论。研究学者通过建立表面粗糙度预测模型或实验验证等方式得出的研究结果更多地支持旋转超声加工在侧面磨削加工或V型槽加工中可显著降低表面粗糙度的情况，而钻孔与端面磨削加工增大表面粗糙度的情况更多，但可通过提高主轴转速、降低切削深度和进给量并匹配合适的超声参数的方式降低表面粗糙度。

提高加工效率是旋转超声加工的一个重要优势，主要体现为材料去除率增加。特别是在恒力进给条件下，旋转超声加工的材料去除率相比普通磨削显著提高。目前旋转超声加工在硬脆性材料加工领域相比普通磨削有显著优势，但当前超声振动下的材料去除机理研究并不深入。深入研究去除机理可进一步揭示旋转超声加工的表面粗糙度规律和亚表面损伤形成机理，对旋转超声加工工艺的推广有重要意义。

二、超声抛光

超声振动抛光的原理是对工件或变幅杆施加超声振动，使磨料悬浮液中的磨粒与工件产生相对运动，以达到冲击、抛磨的效果，可提高抛光速度和均匀性、降低表面粗糙度。印度理工学院Kala等使用磁场辅助超声抛光，改善了黄铜表面的光洁度。Jeffrey等分别对变幅杆和抛光盘施加横向超声振动，发现横向超声振动以搅动悬浮液的形式作用于硅片，提高抛光均匀性。许文虎等进行了有无超声抛光蓝宝石的对比实验，发现超声振动辅助抛光去除率是无超声的两倍且表面粗糙度降低，效果见图5。

图5   有无超声振动抛光蓝宝石表面

超声振动辅助抛光在机械抛光、化学抛光、磁流变抛光、离子束抛光等多个抛光类别均有应用，并取得了一定的改善效果。然而，当前超声抛光过程中的材料去除机理研究还不够深入，特别是超声空化作用对已加工表面的表面完整性的影响机制尚未揭示，因此需要进一步加强基本理论的研究。