張燦祥，張衛(wèi)鋒，劉致君，張福霞

(1. 青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061； 2. 青島技師學院，山東 青島 266061)

0 引言

21世紀以來，隨著科技的發(fā)展，人類需要更新、更強大和更堅韌的材料來應對航空航天、信息和生命科學等各種領域的挑戰(zhàn)。以先進工程陶瓷、光學玻璃及其復合材料為代表的硬脆材料，具有高硬度、高強度、高化學穩(wěn)定性和高耐磨性等優(yōu)異的力學、物理和化學性能，其應用前景可觀。在對硬脆材料孔的加工研究中，若使用傳統(tǒng)的金屬鉆孔切削方法加工，將會出現(xiàn)較大的切削力，刀具磨損嚴重，難以保證孔的精度和表面質量，并且加工效率低。同時，由于材料的低斷裂性，在孔加工的開始和結束位置容易出現(xiàn)材料斷裂破壞、邊緣碎裂等問題而造成加工失敗。這些問題限制了硬脆材料的工程應用。

1 旋轉超聲鉆削加工的研究進展

在過去的20年中，已經引入了各種傳統(tǒng)和新穎的方法對硬脆材料進行鉆孔加工，包括旋轉超聲加工、研磨加工、電火花加工、激光加工、磨料水射流加工、電子束加工等多種加工方法[1]。其中，旋轉超聲鉆削加工已經成為一種有效的特種加工孔的方法，它結合了金剛石磨削和超聲波加工的材料去除機制，其工作原理如圖1所示。

圖1 旋轉超聲鉆削加工工作原理

起初，英國在學術界發(fā)表了一些有關旋轉超聲鉆削基礎研究成果；蘇聯(lián)的莫斯科航空研究所研究了旋轉超聲鉆削加工，其研究成果具有一定的實際應用價值；美國伊利諾依大學也對旋轉超聲鉆削展開了研究；日本通過理論和試驗的形式研究了旋轉超聲鉆削加工中加工參數(shù)的影響；我國對旋轉超聲鉆削的研究始于20世紀80年代，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、東北大學、華僑大學、北京航空航天大學等高校研究了旋轉超聲鉆削加工[1]。CAO X Y等通過開展旋轉超聲恒進給率鉆削硬脆材料的試驗,研究了進給速度超聲功率、主軸轉速等參數(shù)對切削力以及加工孔崩邊尺寸的影響[2]。在CONG W L等人的研究中，選擇旋轉超聲鉆削加工與傳統(tǒng)加工做對比試驗，得出旋轉超聲鉆削加工改善了孔的表面質量，可獲得更高的材料去除率、低的切削力和低的工具磨損以及在減少邊緣碎裂方面發(fā)揮了巨大作用[3]。

2 旋轉超聲鉆削加工材料去除機理的研究進展

2.1 加工機理

旋轉超聲鉆削加工要想實現(xiàn)低成本、高效率的加工，需理解和優(yōu)化加工過程，勢必要對材料去除機理進行定性和定量的研究，而如何全面而有效地獲取材料旋轉超聲加工成型的相關信息是旋轉超聲鉆削加工過程中材料去除機理研究的關鍵所在。

在最初的研究中，MARKOV I等人認為微觀和宏觀裂紋以及裂紋延伸到一定深度導致了材料的斷裂，得出由于被加工表面微小裂紋的交織成網和表面撕扯，使得旋轉超聲鉆削中存在一個被加工材料的脆性斷裂特別強烈的過程[4-5]；PRABHAKAR D等人通過試驗的形式，肯定了MARKOV I等人的觀點[6]；后來，KUBOTA M等人在對旋轉超聲鉆削材料去除率的研究中，得出材料是以“貝殼”狀碎片形式去除[7]。眾所周知，在旋轉超聲鉆削加工中，很難觀察到工件的加工面及切削過程，這就使得其加工機理的研究受到阻礙。于是，1995年，PEI Z J等人首次提出利用旋轉超聲端面銑削加工機理來驗證旋轉超聲鉆削的加工機理，得出材料的去除機理包括脆性去除和塑性去除的結論[8]。

近年來，對于加工機理的研究并未停滯，出現(xiàn)了很多的方法，如劃痕試驗、壓痕試驗、觀察入孔崩邊、表面形貌、有限元仿真分析等[9-12]。其中有限元仿真分析越來越受到歡迎。1996年，CAMACHO G T等人提出了關于脆性材料斷裂的拉格朗日有限元思想，建立了粘結定律斷裂模型(cohesive-law fracture model)來預測材料中沿任意路徑的裂紋[13]；2006年，KAREDLA R S等人對粘結定律模型進行了修改，采用在斷裂機制的基礎上增加單位體積內流入外界能量的函數(shù)，其仿真結果證實了試驗觀測結果[14]；2007年，朱文博利用有限元分析軟件ABAQUS對陶瓷材料磨粒沖擊過程中的脆性斷裂進行仿真分析[15]；田傳鑫基于ANSYS/LS-DYNA有限元仿真平臺對石英玻璃旋轉超聲銑削過程進行了建模以及仿真實驗，研究了金剛石刀具高頻往復沖擊時復合作用引起的裂紋萌生與擴展，闡明了材料去除機理[16]。

2.2 材料去除率理論模型

通過材料去除率理論模型可以實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化、過程仿真以及加工性能預測等功能，所以其研究成果直接制約整個加工過程的質量。而理論模型的研究始于20世紀末。1993年，基于脆性斷裂的去除模式，PRABHAKAR D等人首次推導出旋轉超聲鉆削材料去除率理論模型[17]。

MRR=NfVaCs

(1)

此模型假設所有磨粒都參與切削，但是考慮到實際加工時，只有部分磨粒參與切削，所以，材料去除率與實際去除率數(shù)值上產生誤差。

1995年，基于脆性斷裂去除模式，PEI Z J等人推導出另一個旋轉超聲鉆削材料去除率理論模型[18]。

(2)

式中：K是工件斷裂體積與單顆金剛石磨粒壓入體積的比例；

該模型有一定的局限性，只能用來預測某種工件材料和一套過程參數(shù)的材料去除率，比例參數(shù)K必須通過做一組試驗來確定。

而后PEI Z J等人對于理論模型繼續(xù)研究，在1998年，首次基于塑性去除模式推導出旋轉超聲鉆削材料去除率理論模型[19]。

磨粒掃描包絡面通過以下方程得出：

(3)

壓痕深度與過程參數(shù)以及工件性質之間的關系如下：

(4)

其中σcw是工件的工作強度。

該模型存在一個很大的局限性就是只能適用于很小的工作壓力范圍。另外，公式復雜，計算困難。

在國內，華僑大學研究者進行了旋轉超聲鉆削先進陶瓷的研究，分別基于脆性斷裂和塑性變形兩種材料去除機理，建立了簡單實用的旋轉超聲鉆削材料去除率理論模型[20]，分別如式(5)、式(6)所示，并且采用實驗數(shù)據(jù)驗證了該理論模型的有效性，理論模型如下所示：

(5)

(6)

另外，基于當前研究認為的旋轉超聲加工材料去除機理以及以磨粒對工件的直接錘擊和磨粒對工件沖擊的基礎，揚州大學研究者建立了旋轉超聲加工材料去除率理論模型[21]：

(7)

3 旋轉超聲鉆削加工工藝特性的研究進展

國內外研究者在對旋轉超聲鉆削加工工藝特性的研究中，得出旋轉超聲鉆削加工的顯著優(yōu)勢，如提高材料去除率以及孔的加工精度和表面質量、減小切削力和刀具磨損等。在對旋轉超聲鉆削參數(shù)和材料加工性能(表1)的研究中，切削力、刀具磨損以及孔的加工質量往往是研究者們重點關注的問題[1]，以下將對這3個方面進行重要闡述。

表1 旋轉超聲鉆削加工性能的影響

3.1 切削力

在對切削力的研究過程中得出切削力隨著主軸轉速和超聲功率的增加而降低，隨著進給速度的增加而增加[22]；通過對旋轉超聲鉆削加工與麻花鉆加工、傳統(tǒng)磨削加工分別做對比實驗，得出旋轉超聲加工可以獲得更小的切削力[23]。各參數(shù)對切削力的影響順序為：進給速度>刀具轉速>磨粒大小>振幅>磨粒濃度，并且切削力與振幅、刀具轉速、磨粒大小成反比，與進給速度和磨粒濃度成正比[24]。

青島科技大學研究者對脆性材料進行了旋轉超聲鉆削加工的試驗研究，設備原型機如圖2所示，該設備的供電方式采用滑環(huán)式接觸式供電，BT標準接頭。

圖2 旋轉超聲加工設備

如圖3所示，可以得出在相同的加工條件下，旋轉超聲加工可大幅降低加工過程中的切削力(如圖3所示切削力可降低53%)。

圖3 旋轉超聲加工與普通加工對切削力影響的對比圖

3.2 刀具磨損

在旋轉超聲鉆削加工中，刀具的磨損是不可避免的(圖4)，而減小刀具磨損，延長刀具壽命是國內外研究者一直以來特別重視的問題[25]。大量的研究從刀具的形狀和尺寸、刀具表面形貌、切削力、鉆孔個數(shù)等方面來研究刀具的磨損程度[1]。其中，在對鋼化玻璃進行鉆孔研究的試驗中，選擇傳統(tǒng)加工方法和旋轉超聲加工方法進行對比試驗(圖5)，在相同的加工條件下，選用相同的刀具，旋轉超聲加工孔的數(shù)量將遠遠超過傳統(tǒng)加工，說明旋轉超聲加工可有效地提高刀具的使用壽命。

圖4 使用30倍放大率的顯微圖像檢測刀具磨損[25]

圖5 旋轉超聲加工與傳統(tǒng)加工孔個數(shù)的對比圖

在對旋轉超聲鉆削加工工具磨損的早期研究中，研究者通過引入工具磨損比qv研究旋轉超聲鉆削中振動振幅對工具磨損的影響，得出qv隨振動振幅的增加，先降低然后再增加[26]。華僑大學首次研究了旋轉超聲鉆削工具磨損機理，利用數(shù)字顯微鏡，觀察旋轉超聲鉆削先進陶瓷中的金剛石工具端面、側面和拐角的表面形貌變化過程，定性地研究了旋轉超聲鉆削中的工具磨損機理，填補了工具磨損機理的研究空白[20]。

縱觀近幾年的研究，刀具磨損始終是重中之重。中科院研究了高頻振動對BK7旋轉超聲加工中刀具磨損的影響，研究發(fā)現(xiàn)疊加超聲振動可以延長刀具的壽命[27]；西南交通大學對鈦合金旋轉超聲加工中刀具的磨損進行了研究，搭建了刀具的長度磨損實驗預測模型，得出刀具磨損與磨料濃度、進給速度和諧振頻率成正比，與主軸轉速、磨料粒度成反比[28]?？偠灾?，若想延長刀具壽命，則需減小刀具轉速和進給速度，增加磨粒和黏合劑的結合強度以及冷卻液流速。

3.3 加工質量

在孔的加工過程中，表面粗糙度、分層、邊緣破損等始終是研究者們關注較多的問題。對于大多數(shù)硬脆材料來說，旋轉超聲鉆削加工憑借其特有的優(yōu)勢，獲得了更好的孔加工質量。通過對石英玻璃鉆孔進行研究，選用旋轉超聲鉆削加工和傳統(tǒng)加工方法作對比試驗，如圖6所示，得出在相同的加工條件下，旋轉超聲加工可有效提高加工質量。

圖6 傳統(tǒng)加工方法與旋轉超聲鉆削加工對比

在對邊緣破損的研究中，清華大學WANG J J等人基于脆性材料斷裂力學理論，提出了一種通過減小裂紋尺寸來減小邊緣破損的新的邊緣切削機制[29]；另外，WANG J J等人在對C/SiC復合材料鉆孔引起邊緣破損的研究中，開發(fā)了一種新型復合階梯錐形金剛石鉆頭，驗證了復合鉆的有效性[30]；FENG P F等人實驗研究了C/SiC復合材料旋轉超聲加工過程中因鉆孔而產生的孔出口撕裂缺陷，得出旋轉超聲鉆削加工能降低孔出口撕裂缺陷、降低切削力；增大主軸轉速和超聲幅值或減小進給速度有助于進一步降低孔出口撕裂系數(shù)[31]；印度研究者通過對先進陶瓷的實驗研究，論證了斷裂的機理和支撐長度對邊緣破損的影響[32]。

在對表面粗糙度的研究中，印度研究者基于BK7這種硬脆材料，進行了旋轉超聲鉆孔表面粗糙度回歸分析及微觀結構研究，以表面粗糙度為鉆孔質量的主要指標之一，采用響應面法，得出增加主軸轉速和超聲功率、減小進給速度可以得到更好的鉆孔質量[33]。

另外，對于表面粗糙度的評估方法研究中，評估方法基本上可以分為兩種：輪廓法(2D評估法)和面額法(3D評估法)。TEICHER U等人使用觸覺輪廓法得出的表面粗糙度參數(shù)度，為碳纖維增強塑料機械加工表面的可測量性提出了建議[34]；但是在近期的研究中，由于二維評估法存在會丟失一些空間重要信息的缺陷，所以三維評估法成為了研究的熱門，WANG C等人比較了用面積參數(shù)識別表面特征中異常值的方法，此外，還提出了評價表面質量的新參數(shù)[35]；北京航空航天大學對于旋轉超聲加工CFRP復合材料的表面粗糙度進行評估，基于采樣陣列的新穎評估方法，使用高斯函數(shù)的平均值和標準偏差來評估加工表面的表面質量。該研究為復合材料的表面質量評估奠定了基礎，并在精密制造業(yè)中得到了應用[36]。

4 旋轉超聲鉆削加工研究展望

對于旋轉超聲鉆削加工技術的研究，國內外研究者已經取得豐碩的成果，但是，隨著新材料的不斷更新、孔加工精度以及表面質量要求的不斷提高，仍有很多問題需要探討和解決，應在如下幾方面開展研究。

1) 在碳纖維等復合材料旋轉超聲鉆削加工中，其材料去除機理與加工工藝并不完全相同，為解決復合材料旋轉超聲鉆削加工高效精密低損傷問題，需進一步研究不同復合材料各組成特性及理論，分析旋轉超聲鉆削加工損傷形成機理。

2) 旋轉超聲鉆削加工過程中振動穩(wěn)定性對于其加工的有效性起到至關重要的作用，所以，解決工藝過程中超聲振幅控制穩(wěn)定性問題，將是未來一個大方向。

3) 對于旋轉超聲加工設備的研究，將會是朝著研制高轉速、高振幅穩(wěn)定性的大功率旋轉超聲加工裝備方面發(fā)展，其核心是基于壓電陶瓷無接觸供電穩(wěn)定性問題和超磁致伸縮材料換能器的研究，這將會是實現(xiàn)旋轉超聲更廣的應用范圍、更高的材料去除效率以及更好的表面加工質量的一個重要的研究方向。

4) 進一步加強對仿真技術的應用和研究，完善并優(yōu)化旋轉超聲鉆削加工數(shù)學模型，實現(xiàn)對加工機理及材料特性更深入的研究。

5) 針對刀具容易磨損及壽命等問題，對旋轉超聲微細加工刀具技術進行系統(tǒng)的深入研究，尤其是在超大單晶金剛石刀具應用方面，開發(fā)基于超大單晶金剛石刀具的橢圓振動切削加工技術，以實現(xiàn)大型模具鋼光學模具的超精密切削加工技術。