張衛(wèi)鋒，劉致君，張燦祥，張福霞

(1. 青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061； 2. 青島市技師學(xué)院，山東 青島 266229)

0 引言

材料是現(xiàn)代文明的重要支柱之一，是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著各行各業(yè)的不斷進(jìn)步，對(duì)材料的性能和使用要求越來(lái)越高。以工程陶瓷、光學(xué)玻璃硬脆材料及碳纖維復(fù)合材料為代表的特殊材料，憑借其高硬度、高耐磨性、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的物理機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注，如何針對(duì)硬脆材料以及復(fù)合材料進(jìn)行高效、高精度的加工成為世界加工制造業(yè)研究焦點(diǎn)之一[1-3]。

國(guó)內(nèi)外研究領(lǐng)域針對(duì)硬脆材料和復(fù)合材料的加工方法及機(jī)理進(jìn)行了長(zhǎng)期深入研究，如電火花加工(EDM)、化學(xué)加工(CHM)、超聲加工(USM)、電解加工(ECM)、激光加工(LBM)、水射流切割(WJC)等多種特種加工方法也用于對(duì)硬脆材料和復(fù)合材料的加工實(shí)驗(yàn)研究上[4-5]。但是超聲加工憑借對(duì)硬脆材料獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)，從提出后就受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。超聲加工技術(shù)是結(jié)合多門(mén)技術(shù)發(fā)展而來(lái)，結(jié)合了電子技術(shù)、超聲學(xué)、計(jì)量學(xué)、機(jī)械振動(dòng)和材料學(xué)等學(xué)科[6]。20世紀(jì)20年代，《Philosophical Magazine》首次登出美國(guó)物理學(xué)家伍德和盧米斯利用超聲振動(dòng)對(duì)玻璃板進(jìn)行加工試驗(yàn)[7]。隨后各國(guó)科學(xué)家對(duì)超聲加工技術(shù)進(jìn)行多方面的研究。1964年 ，英國(guó)人LEGGE P提出了對(duì)金剛石工具進(jìn)行燒結(jié)或電鍍，然后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲加工試驗(yàn)[8]。旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的加工優(yōu)勢(shì)得到了學(xué)者們的認(rèn)可。

1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

為實(shí)現(xiàn)高效、高精度的旋轉(zhuǎn)超聲加工，超聲振動(dòng)系統(tǒng)作為超聲加工機(jī)床的核心，應(yīng)滿足多方面的要求，其需要把超聲能轉(zhuǎn)為高頻振動(dòng)的機(jī)械能，并且盡可能地減少傳遞過(guò)程中的能量損耗。超聲振動(dòng)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射器、超聲換能器、超聲變幅桿、刀具等組成[9]，如圖1所示。

圖1 超聲振動(dòng)系統(tǒng)

1.1 超聲換能器研究現(xiàn)狀

超聲換能器是超聲振動(dòng)系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)之一，其作用是把超聲頻電能轉(zhuǎn)化為超聲機(jī)械能。常用的超聲換能器按照材料分為壓電材料的換能器和磁致伸縮材料的換能器[10]。磁致伸縮換能器具有單位面積輻射功率大、機(jī)械強(qiáng)度高和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但繞線工藝復(fù)雜、體積大；而壓電陶瓷換能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲轉(zhuǎn)換效率較高且材料豐富等優(yōu)點(diǎn)。目前超聲加工用的頻率在低頻范圍，通常為18kHz～25kHz。各國(guó)學(xué)者主要對(duì)換能器的結(jié)構(gòu)、功率容量、效率、頻率等方面進(jìn)行研究。

1.2 變幅桿研究現(xiàn)狀

超聲變幅桿主要作用是把機(jī)械振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)振幅放大和提高速度。超聲變幅桿可分為單一變幅桿和復(fù)合變幅桿。單一超聲變幅桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、放大倍數(shù)小、制造方便、生產(chǎn)周期短。常見(jiàn)的單一變幅桿有階梯形、指數(shù)形、懸鏈形和圓錐形等[11-12](表1)。

表1 單一性變幅桿類型

復(fù)合變幅桿是由兩種或兩種以上不同形狀的桿組合而成，能提高形狀因數(shù)、增大放大系數(shù)，在生產(chǎn)加工中使用得較多[13]。

目前很多學(xué)者正在進(jìn)行變幅桿的研究和研發(fā)，例如余弦線式和斜槽式。其中斜槽式變幅桿的斜槽式模式轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合振動(dòng)的有效方式[14]。隨著對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)研究的不斷開(kāi)展，相信斜槽式變幅桿可以實(shí)現(xiàn)較大的扭振振幅輸出，更多新型式的高效率變幅桿將不斷問(wèn)世[15]。

斜槽式變幅桿是利用斜槽式結(jié)構(gòu)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合。為解決縱扭轉(zhuǎn)換效率低下、輸出扭振振幅小等問(wèn)題，清華大學(xué)針對(duì)實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合開(kāi)展了研究。清華大學(xué)張巧麗等[16]在分析縱波斜入射固-氣界面的反射和折射特性后, 仿真斜槽的角度、寬度、個(gè)數(shù)、深度、長(zhǎng)度等因素對(duì)變幅桿在其諧振狀態(tài)下縱扭轉(zhuǎn)換效率的影響，指出存在最佳的斜槽角度和斜槽寬度, 使得縱扭轉(zhuǎn)換效率最大;斜槽個(gè)數(shù)的增加能明顯提升縱扭轉(zhuǎn)換效率, 且最佳斜槽寬度隨斜槽個(gè)數(shù)增大而減小;斜槽深度和斜槽長(zhǎng)度越大, 縱扭轉(zhuǎn)換效率越大, 但達(dá)到一定長(zhǎng)度值時(shí)趨于穩(wěn)定。隨后通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的斜槽式變幅桿進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試, 試驗(yàn)條件下獲得的縱振和扭轉(zhuǎn)幅值分別為9.5μm和29μm，驗(yàn)證了研究的有效性。

1.3 能量傳輸

超聲加工過(guò)程中，超聲波在超聲振動(dòng)系統(tǒng)中的能量損失有以下兩種：

a)超聲波在不同材料的桿件之間傳播時(shí)，在其交界面處會(huì)發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象，從而引起超聲能量的損失。由于超聲波在介質(zhì)中是垂直入射的，所以要使超聲能量從一桿件通過(guò)它們的結(jié)合面有效地傳遞到另一桿件，應(yīng)保證以下兩點(diǎn)：

1)兩桿件應(yīng)具有相等或相近的特性阻抗，這樣能夠保證前一桿件中盡量不產(chǎn)生駐波而大多為行波，從而減少超聲能量損失。

2)兩桿件結(jié)合面應(yīng)連接緊密，不能有間隙。因?yàn)槌暡ㄔ诠?氣介質(zhì)的分界面處會(huì)發(fā)生全反射而使桿件中形成駐波，影響超聲能量的定向傳遞，而且損耗嚴(yán)重時(shí)可能形成阻隔層，使超聲能量無(wú)法向前傳遞。

b)由于各種材料對(duì)超聲能量都有吸收作用，因此超聲波通過(guò)各桿件時(shí)都會(huì)引起能量損失。桿件的聲能吸收系數(shù)與超聲波頻率的平方成正比。桿件的熱傳導(dǎo)和內(nèi)摩擦也是吸收能量的決定因素，結(jié)構(gòu)阻尼小且硬質(zhì)的材料對(duì)超聲能量吸收少。故在選擇超聲振動(dòng)系統(tǒng)的材料時(shí)應(yīng)選擇硬質(zhì)且結(jié)構(gòu)阻尼小的材料，并且工作在超聲頻的低頻段[17-18]，一般在18kHz～25kHz。

2 旋轉(zhuǎn)超聲加工的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前，根據(jù)加工工藝的不同，旋轉(zhuǎn)超聲加工可分為兩大類:一類是旋轉(zhuǎn)超聲磨料(分為固結(jié)磨料和游離磨料)加工；另一類則是通過(guò)車刀、銑刀(圖2)和滾壓頭等工具或者利用某個(gè)方向上刀具高頻率(16kHz～50kHz)的超聲振動(dòng)與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)超聲加工。旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)主要有：旋轉(zhuǎn)超聲鉆削、旋轉(zhuǎn)超聲銑削、旋轉(zhuǎn)超聲磨削和旋轉(zhuǎn)超聲雕刻加工系統(tǒng)等[19]。

圖2 超聲回轉(zhuǎn)刀具外形圖

對(duì)于旋轉(zhuǎn)超聲加工，很多學(xué)者通過(guò)研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率等主要參數(shù)結(jié)合工件表面粗糙度、表面形貌、切削刃和刀具磨損等性能指標(biāo)，研究旋轉(zhuǎn)超聲加工的加工性能。

2.1 旋轉(zhuǎn)超聲鉆削加工

同傳統(tǒng)麻花鉆相比，旋轉(zhuǎn)超聲鉆削改變了刀具和工件之間的作用、可以降低鉆削力和切削溫度，提高鉆孔精度和表面粗糙度等，有效地解決了硬脆材料和復(fù)合材料的鉆孔難題。因此旋轉(zhuǎn)超聲鉆削技術(shù)在金屬加工領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛[20]。

武漢理工大學(xué)羅豪[21]進(jìn)行了制孔過(guò)程的層間分層控制策略研究，指出超聲鉆孔纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)分層發(fā)生厚度隨進(jìn)給速度的增加而增加，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而降低，且旋轉(zhuǎn)超聲加工下有更薄的分層發(fā)生厚度。同時(shí)指出在發(fā)生層間分層缺陷時(shí)，可以通過(guò)增加主軸轉(zhuǎn)速、降低主軸進(jìn)給速度以及在材料底部增加剛性支撐等方式進(jìn)行缺陷控制。

ALKHALEFAH Hisham[22]在氧化鋁陶瓷(Al2O3)上旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔(RUD)，指出材料的去除率與進(jìn)給量有關(guān)，而孔的圓柱度主要由主軸的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量控制。鉆孔質(zhì)量的最佳參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)速=4 000r/min，進(jìn)給率=1.5mm/min，振幅=20m，頻率=23kHz。

2.2 旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工

旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工屬于振動(dòng)銑削技術(shù)的一種，刀具的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和高頻振動(dòng)復(fù)合成切削運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工原理如圖3所示。 在旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工中，表面粗糙度隨主軸精度的增加而增加，主軸轉(zhuǎn)速也是影響切削力的主要原因，其次為進(jìn)給速度、切削深度。

圖3 旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工原理圖

單顆金剛石磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖4所示。清華大學(xué)張承龍等[23]開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)超聲端面銑削(rotary ultrasonic face machining, RUFM)和普通加工光學(xué)玻璃的對(duì)比試驗(yàn)。掃描電子顯微鏡(SEM)觀察兩種加工方式的表面形貌顯示:RUFM以較小且均勻的貝殼狀碎屑完成材料去除，具有較小的徑向裂紋和側(cè)向裂紋尺寸。

圖4 單顆金剛石磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

張加波等[24]針對(duì)碳纖維復(fù)合材料切削加工中存在毛刺、分層等加工缺陷問(wèn)題，利用超聲振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，研究了超聲加工中各參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。結(jié)果表明，施加超聲振動(dòng)后工件的表面粗糙度值可穩(wěn)定在0.9～2.5，且減小超聲頻率、振幅、進(jìn)給量和切削深度等可改善切削過(guò)程中的加工缺陷。

清華大學(xué)查慧婷等[25]通過(guò)超聲輔助劃痕試驗(yàn)，分析高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲銑磨加工的材料去除機(jī)理。在超聲振動(dòng)的作用下，材料中鋁基體發(fā)生塑性變形，其表面得到夯實(shí);SiC增強(qiáng)相被錘擊成細(xì)小的顆粒而發(fā)生脫落，形成凹陷。材料加工的缺陷大多產(chǎn)生于SiC顆粒的去除過(guò)程中，因此SiC顆粒的去除方式對(duì)加工表面的質(zhì)量起著決定性的作用。

2.3 旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工

工件在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工時(shí)，超聲波發(fā)生器輸出高頻電振蕩信號(hào)，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，變幅桿將換能器的振動(dòng)放大后傳至工具磨頭，在砂輪的軸線與切線方向上施加一定振幅的超聲頻振動(dòng)，通過(guò)工具磨頭上的磨粒對(duì)工件進(jìn)行磨削加工，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)超聲磨削加工

旋轉(zhuǎn)振動(dòng)磨削的周期往復(fù)作用及切削速度增大、作用時(shí)間縮短等運(yùn)動(dòng)特性，使得表面質(zhì)量和加工精度得以提高。從工件的動(dòng)態(tài)位移情況來(lái)看，在旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)磨削中，表面粗糙度有所降低，工件振動(dòng)系統(tǒng)的剛性有所提高，這也有助于提高加工表面質(zhì)量和精度。

天津大學(xué)宮虎等[26]運(yùn)用超聲輔助磨削技術(shù)加工陶瓷人工髖關(guān)節(jié)球，并指出在刀具轉(zhuǎn)速為3000r/min、工件轉(zhuǎn)速為2 011r/min的加工條件下，面粗糙度平均值為96nm，線粗糙度平均值為56nm。當(dāng)陶瓷球轉(zhuǎn)速和砂輪轉(zhuǎn)速互為質(zhì)數(shù)時(shí)，球面表面的紋理分布更加均勻，這為加工參數(shù)的優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

針對(duì)陶瓷材料小孔加工質(zhì)量較差以及加工成本較高等問(wèn)題，空軍航空大學(xué)王宗偉等[27]設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)超聲輔助的氧化鋯陶瓷小孔磨削加工工藝，并指出與普通磨削方式相比，在旋轉(zhuǎn)超聲輔助加工條件下，小孔表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力都得到較大改善，當(dāng)超聲功率達(dá)到300W時(shí)，加工后的小孔表面粗糙度下降了52%，加工精度明顯提高。

2.4 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)加工

旋轉(zhuǎn)超聲橢圓加工是在旋轉(zhuǎn)超聲的基礎(chǔ)上改變刀具的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)展出的超聲加工技術(shù)。超聲振動(dòng)下的切削力和表面粗糙度均有所降低。而應(yīng)用三維橢圓超聲振動(dòng)，大量實(shí)驗(yàn)表明可進(jìn)一步降低切削力和表面粗糙度。

旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)加工刀具在切削材料的同時(shí), 在切削平面內(nèi)做橢圓形狀的二維振動(dòng)。橢圓振動(dòng)切削的基本原理如圖6所示，切削周期刀具-工作接觸狀態(tài)示意圖如圖7所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)加工原理圖

圖7 旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)切削周期刀具-工作接觸狀態(tài)示意圖

在單個(gè)切削刃軌跡周期中，t1點(diǎn)時(shí)刀具和工件開(kāi)始接觸切削；t2點(diǎn)時(shí)為刀具切削刃軌跡上的最低點(diǎn)；t3點(diǎn)時(shí)刀具的前刀面和切屑開(kāi)始接觸；t4點(diǎn)時(shí)刀具對(duì)切屑的摩擦力方向變?yōu)榉聪?，t4點(diǎn)后刀具對(duì)于切屑的摩擦力方向和刀具的運(yùn)動(dòng)方向相同，即超聲橢圓振動(dòng)加工的摩擦力反向效應(yīng)，有助于切屑的排出；t5點(diǎn)時(shí)結(jié)束單周期的切削。α為刀具傾角。Rth是理論中的超聲橢圓振動(dòng)引起的表面粗糙度。

從圖7中可知，刀具和工件之間周期性地接觸和分離，在t1～t5時(shí)間點(diǎn)上刀具和工件接觸。與普通切削加工相比, 刀具的超聲橢圓振動(dòng)通過(guò)減小實(shí)際切屑厚度、摩擦力反向效應(yīng)以及變切削角度/速度特性, 可以顯著減小切削力，減少加工缺陷，提高脆性材料的塑脆轉(zhuǎn)變深度，減少刀具的磨損，提高其使用壽命，增強(qiáng)加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性，顯著提高加工效率[11]。曲面旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)切削原理圖如圖8所示。

圖8 曲面旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)切削原理圖

GENG Daxi等[28]指出相對(duì)于取芯鉆孔，旋轉(zhuǎn)超聲橢圓加工(RUEM)方法在50～100μm/r的進(jìn)給速度下，1/2層和2/3層之間的孔出口分層分別減少了5.4%～19.3%和0.7%～8.4%；并對(duì)RUEM中的分層抑制機(jī)理進(jìn)行了充分的分析和驗(yàn)證。可以看出，與其他分層抑制技術(shù)相比，RUEM技術(shù)是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力和應(yīng)用前景的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)鉆孔技術(shù)。

3 旋轉(zhuǎn)超聲加工研究展望

旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)在硬脆材料的加工方面，已經(jīng)展現(xiàn)出刀具壽命長(zhǎng)、加工表面精度高、切削力小等諸多優(yōu)勢(shì)。隨著其相關(guān)技術(shù)研究的日益深入，加工效率已經(jīng)明顯提高，旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)正在向高精度、微細(xì)化、智能化控制等方向發(fā)展, 適用的加工領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。目前需在以下方面對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工進(jìn)行進(jìn)一步的研究：

1)適用材料的開(kāi)發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲加工的材料去除機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但隨著很多新型材料的不斷涌現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超聲加工對(duì)其是否適用以及材料的去除機(jī)理有待研究。比如對(duì)纖維復(fù)合材料的加工，纖維復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)超聲加工的材料去除機(jī)理和對(duì)工件表面產(chǎn)生裂紋、纖維束撕裂、纖維拔出和分層等變形缺陷原因以及防止措施有待進(jìn)一步研究。

2)切削液的影響。在機(jī)械加工中，切削液具有降低切削溫度、潤(rùn)滑等作用，但是不同的切削液或磨料懸浮液對(duì)工藝效果的影響如何？其作用機(jī)理是否相同?所以切削液對(duì)超聲加工工藝的影響有待確定。

3)大功率旋轉(zhuǎn)超聲加工設(shè)備。目前超聲加工設(shè)備的功率相對(duì)較低，難以滿足大功率的生產(chǎn)要求。大功率超聲加工設(shè)備對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的要求更高，換能器的尺寸設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格，換能器固定節(jié)點(diǎn)位置必須更加準(zhǔn)確等都是一個(gè)研究方向。

4)旋轉(zhuǎn)超聲加工與數(shù)控機(jī)床的一體化。旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的一體化即可擴(kuò)展機(jī)床的加工功能，又可以在一定程度上提高加工精度 。

5)旋轉(zhuǎn)超聲橢圓振動(dòng)加工。目前針對(duì)不同形式橢圓振動(dòng)在不同加工方式中的工藝效果和作用機(jī)理研究較少, 同時(shí)多自由度旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)也尚處于起步階段, 故有待進(jìn)一步研究。