張德遠(yuǎn)，黃志勇，張翔宇

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，仿生與微納系統(tǒng)研究所，北京生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191）

超聲振動(dòng)加工是在普通加工的刀具或工件上施加超聲頻微米級(jí)振動(dòng)而發(fā)展出來(lái)的一種高性能斷續(xù)切削方法，其材料去除機(jī)理不同于連續(xù)切削的普通加工。至今，超聲加工方法已發(fā)展出多種加工模式，按照振動(dòng)軌跡可分為一維超聲加工、二維超聲加工、三維超聲加工三類。其中，一維超聲加工存在三種模式，即切削速度方向振動(dòng)、進(jìn)給方向振動(dòng)、切削深度方向振動(dòng)，刀具相對(duì)于工件的理論軌跡為正弦曲線；二維超聲加工為橢圓超聲振動(dòng)加工，刀具相對(duì)于工件的理論軌跡為平面橢圓曲線；三維超聲加工的刀具軌跡為空間橢圓曲線。按照是否存在臨界切削速度，超聲加工又可分為高速超聲加工和傳統(tǒng)低速超聲加工。高速超聲加工突破了臨界切削速度限制，由于超聲加工帶來(lái)的良好切削效果，高速超聲加工切削難加工材料時(shí)的切削速度甚至數(shù)倍高于普通加工。

超聲加工利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)加工目的，相比于普通加工方法具有降低切削熱、降低切削力、提高刀具壽命、抑制顫振、抑制粘結(jié)、減少毛刺和提高加工質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。超聲波結(jié)合車削、銑削、鉆削、磨削、鉸削、鋸削、拋光、研磨、珩磨、電解、焊接、增材制造、擠壓、滾壓等發(fā)展了一系列的超聲加工方法，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、生醫(yī)制造、微納制造等行業(yè)。

1 超聲加工應(yīng)用行業(yè)

1.1 機(jī)械制造行業(yè)

1.1.1 航空制造業(yè)難加工材料

難加工合金的超聲加工方法主要有超聲振動(dòng)車削、銑削和鉆削。一維傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削和二維橢圓超聲振動(dòng)切削所具有的臨界切削速度，將超聲加工的良好效果限制在較低的切削速度下，無(wú)法進(jìn)行高速加工。針對(duì)這一難題，北京航空航天大學(xué)的張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)[1]首先提出了高速超聲振動(dòng)切削（highspeed ultrasonic vibration cutting，HUVC）方法，以3~6倍于常規(guī)車削（conventional cutting，CC）的切削速度實(shí)現(xiàn)了鈦合金和鎳基高溫合金等[2]難加工材料的高速超聲振動(dòng)加工，并從加工表面形貌建模分析[3]、分離效果[4]、瞬態(tài)切削力解析模型[5]、降低切削力和切削熱的機(jī)理以及仿生原型[6]等方面進(jìn)一步發(fā)展了HUVC方法，從表面質(zhì)量和殘余應(yīng)力[7]、刀具性能[8]和高壓冷卻[9]等方面研究了Ti-6A1-4V合金的高速超聲振動(dòng)車削。張翔宇等[10-11]針對(duì)HUVC過(guò)程分別研制了刀具-工件熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)和超聲頻率脈沖切削力測(cè)量系統(tǒng)。香港理工大學(xué)的Sandy等[12]研究了Ti-6A1-4V合金超聲振動(dòng)超精密車削。北京信息科技大學(xué)的張勤儉等[13]對(duì)超聲振動(dòng)車削Inconel 718的表面粗糙度、表面形貌和切屑形狀進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。

在鈦合金精銑中，通常采用的切削速度約為80 m/min，這極大地限制了加工效率。劉佳佳等[14-15]提出了高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓銑削 （high-speed rotary ultrasonic elliptical vibration-assisted machining，HRUEM）方法（圖1），數(shù)倍地提高了銑削速度和刀具壽命。韓雄等[16]研究了HRUEM的分離特性對(duì)切削力、切屑和表面形貌的影響。張明亮等[17-19]研究了HRUEM加工Ti-6Al-4V的表面質(zhì)量，在將高壓冷卻方法引入HRUEM后顯著降低了切削溫度，成倍提高了材料去除量和刀具壽命。東北大學(xué)的朱立達(dá)等[20-22]研究超聲振動(dòng)輔助銑削Ti-6Al-4V的刀具-工件接觸比模型、最小量潤(rùn)滑、刀具磨損機(jī)理，其結(jié)果表明：超聲振動(dòng)輔助銑削在降低切削力、提高加工表面質(zhì)量、抑制毛刺和優(yōu)化切屑形成等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖1 高速超聲銑削方法原理圖

對(duì)于難加工合金的超聲振動(dòng)鉆削（rotary ultrasonic-assisted drilling，RUAD），李哲等[23-24]研究了RUAD加工鈦合金出口毛刺形成機(jī)理，在RUAD中獲得了優(yōu)異的切屑破碎性和切屑排出的去除效果、鉆孔時(shí)的優(yōu)異表面完整性、增強(qiáng)的刀具切削能力和延長(zhǎng)的刀具壽命。李哲等[25]首次提出超聲振動(dòng)锪孔技術(shù)，并首次對(duì)Ti6Al4V超聲振動(dòng)锪孔的表面質(zhì)量和刀具壽命進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明：與普通锪孔相比，超聲振動(dòng)锪孔的切削力最大值徑向力、切向力、軸向力分別降低了56.5%、35.2%、20.6%，此外，扭矩最大值降低了12.8%、锪孔表面粗糙度降低了41.2%~42.3%、锪孔鉆頭的刀具壽命提高了3倍，從而有效地抑制了锪孔加工的切削顫振，獲得了良好的锪孔表面完整性。鄒平等[26]進(jìn)行Inconel 718超聲振動(dòng)鉆削斷屑機(jī)理研究。

近年來(lái)，張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）和CFRP/Ti疊層超聲振動(dòng)套孔、鉸孔、銑磨、鉆孔及锪孔方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。李哲等[27-28]進(jìn)行了CFRP超聲振動(dòng)套磨鉆孔（ultrasonic vibration core drilling，UVCD）高效排屑機(jī)理研究和無(wú)冷卻條件下切屑和料芯的去除分析。 耿大喜等[29-30]研究了UVCD加工CFRP中切削溫度及其對(duì)加工性能的影響和分層的形成與抑制（圖2）。耿大喜等[31-32]還進(jìn)行了CFRP小孔旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑磨的鉆孔載荷與孔質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究（圖3），并將旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉸孔作為CFRP/Ti疊層孔精加工的一種新方法進(jìn)行了相關(guān)研究[33-34]。邵振宇等[35-36]進(jìn)行了CFRP旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆孔的研究，首次在干鉆條件下將旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆孔應(yīng)用于CFRP/Ti疊層的單次鉆孔。上海交通大學(xué)的陳明等[37-38]進(jìn)行了超聲振動(dòng)銑削和超聲振動(dòng)磨削Cf/SiC復(fù)合材料加工表面質(zhì)量的研究。

圖2 套孔原理圖[30]

圖3 超聲銑磨原理圖[31]

1.1.2 3C行業(yè)硬脆材料

以光學(xué)晶體、特種陶瓷為代表的硬脆材料，具有密度低、硬度高、比模量大、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)異的電、化學(xué)、物理性能，在電子、光學(xué)等產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用，由于這些材料脆性大、硬度高，加工過(guò)程中極易產(chǎn)生崩邊、裂紋和損傷，難以得到理想的加工表面，刀具磨損嚴(yán)重，加工效率低。超聲振動(dòng)加工硬脆材料，可以降低切削力，提高材料去除效率、表面完整性和加工精度。

大連理工大學(xué)的康仁科等進(jìn)行了超聲輔助單晶粒磨削RB-SiC的研究[39]，從能量角度分析了超聲輔助劃痕RB-SiC中材料去除行為[40]，在超聲輔助磨削RB-SiC損傷形成與材料去除的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)材料的去除主要是由大SiC顆粒和硅基體與小SiC顆粒的混合區(qū)產(chǎn)生的裂紋交匯而成[41]。朱立達(dá)[42]等在超聲振動(dòng)輔助磨削ZrO2陶瓷的磨削力建模與實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，超聲振動(dòng)磨削的磨削力與普通磨削的磨削力相比顯著降低。清華大學(xué)的馮平法等[43]研究了旋轉(zhuǎn)超聲鉆削脆性材料的臨界切削力，以表征超聲機(jī)床的最大加工能力，并建立了光學(xué)K9玻璃旋轉(zhuǎn)超聲銑削亞表面損傷預(yù)測(cè)模型[44]。北京理工大學(xué)的梁志強(qiáng)等[45]研究了橢圓超聲振動(dòng)微切削M平面藍(lán)寶石表層缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)超聲輔助切割槽的亞表面質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)切割槽。華僑大學(xué)的沈劍云等[46]進(jìn)行了超聲輔助鋸切單晶硅的研究，超聲輔助鋸切的切削力比常規(guī)鋸切工藝小得多，可減小崩邊尺寸并提高加工表面的質(zhì)量（圖4）。東北大學(xué)的于天彪等[47]從表面質(zhì)量和材料去除率方面研究超聲振動(dòng)對(duì)單晶硅拋光的影響，超聲振動(dòng)能有效提高材料去除率，快速獲得較好的表面質(zhì)量（圖5）。

圖4 超聲輔助鋸切原理圖[46]

圖5 超聲輔助拋光原理圖[47]

河南理工大學(xué)的趙波等[48]提出了一種適用于工程陶瓷圓柱形零件的超聲輔助固定磨粒研磨新技術(shù)（圖6），發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)疊加會(huì)使磨粒運(yùn)動(dòng)速度的值和方向發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削角度的變化，進(jìn)而影響研磨性能，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲輔助振動(dòng)有助于提高材料去除率、平滑切向力波形、降低平均切向力、提高表面質(zhì)量。中北大學(xué)的祝錫晶等[49]研究了超聲對(duì)磨削液空化 氣泡產(chǎn)生和控制的影響，為空化氣泡控制提供了一種理論預(yù)測(cè)方法（圖7）。趙波等[50]進(jìn)行了納米復(fù)合陶瓷在超聲輔助電解加工中的材料去除率的研究，發(fā)現(xiàn)與電解修整磨削相比，超聲輔助電解修整磨削可提高韌性加工效果，適用于納米復(fù)合材料的鏡面加工。

圖6 超聲輔助研磨實(shí)驗(yàn)裝置[48]

圖7 超聲振動(dòng)珩磨工作原理圖[49]

超聲波除了與車、銑、鉆、磨等最常見(jiàn)的機(jī)械加工方法結(jié)合外，也結(jié)合了其他能場(chǎng)而形成了多樣化的加工方法。超聲焊接利用超聲頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓情況下使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波增材制造是一種新型的固態(tài)自由成形制造工藝，利用超聲在金屬層之間振動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)同種或異種金屬材料間物理連接，產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)。為解決零件制備中仍然存在非均質(zhì)微結(jié)構(gòu)、內(nèi)部空洞和大孔隙等問(wèn)題，基于超聲振動(dòng)在材料熔化和凝固過(guò)程中的作用，超聲輔助激光增材制造得到了發(fā)展。超聲振動(dòng)滾壓、擠壓強(qiáng)化在普通滾壓、擠壓強(qiáng)化基礎(chǔ)上，附加超聲振動(dòng)，使工件表面發(fā)生冷作硬化，降低零件表面粗糙度，消除表面微觀缺陷，提高零件表面硬度，使零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高零件的使用壽命。李勛等[51]首次提出了切擠一體的超聲噴丸切削方法（圖8），將超聲振動(dòng)切削應(yīng)用于抗疲勞制造領(lǐng)域，超聲噴丸切削Ti-6Al-4V試件的平均疲勞壽命是常規(guī)切削試件的10.4倍。

圖8 切擠一體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[51]

1.2 生物醫(yī)學(xué)制造行業(yè)

超聲在生物醫(yī)學(xué)制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，除了超聲手術(shù)刀外，還包括生物醫(yī)學(xué)材料的超聲磨削加工、超聲銑削加工、超聲表面光整加工等，比如對(duì)口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中植入材料的加工[52]（圖9）。本文主要介紹超聲手術(shù)刀在超聲外科手術(shù)中的應(yīng)用。超聲手術(shù)刀包括軟組織超聲切割止血刀、超聲骨切割手術(shù)刀/鉆、高強(qiáng)度聚焦超聲刀、白內(nèi)障超聲乳化刀、超聲吸引器等。

圖9 超聲骨刀不同工作頭

1.2.1 超聲切割軟組織

軟組織超聲切割對(duì)象主要有肌肉、脂肪、內(nèi)臟等。超聲切割系統(tǒng)包括超聲波系統(tǒng)和高頻電外科系統(tǒng)[53]（圖10）。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)在切割速度方向上向電極提供超聲波振動(dòng)，而高頻電外科系統(tǒng)向電極輸入高頻電流。軟組織超聲切割止血刀是利用超聲頻振動(dòng)的刀頭使與其接觸的組織細(xì)胞內(nèi)的水分汽化、蛋白質(zhì)的氫鏈斷裂；細(xì)胞崩解后重新融合，組織被凝固后切開(kāi)，刀頭通過(guò)振動(dòng)破壞與其接觸的膠原蛋白結(jié)構(gòu)，使蛋白凝固，進(jìn)而封閉血管止血，有減少縫合次數(shù)、縮短手術(shù)時(shí)間、降低術(shù)后風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

圖10 超聲切割系統(tǒng)示意圖[53]

為解決目前超聲手術(shù)刀所存在的組織粘連和熱損傷帶來(lái)的術(shù)后愈合引發(fā)手術(shù)事故的問(wèn)題，姚光等[53-55]提出了一種新型超聲手術(shù)刀切割系統(tǒng)，以最大限度地減少熱損傷和組織粘連（圖11），從而提高切割性能，其研究中提出超聲振動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械作用使組織加速去除，試驗(yàn)證實(shí)超聲振動(dòng)高頻電刀的組織粘附量減少約80%，無(wú)黑色的焦痂組織，切口齊整，熱損傷面積減小約50%。此外，為提高超聲手術(shù)刀的靈活性，突破其在體內(nèi)外科手術(shù)中的應(yīng)用限制，設(shè)計(jì)帶有彎曲刀桿的超聲刀，姚光等[56]還研究了新的仿生激振方式，揭示了切葉蟻產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)理，可為仿生振動(dòng)發(fā)生器的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

圖11 電極表面粘附組織[54]

廣東工業(yè)大學(xué)的王成勇等[57]綜述了手術(shù)刀片在切割軟生物組織方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。天津大學(xué)的史超陽(yáng)[58]等提出了一種縱扭振動(dòng)模式的超聲刀以提高止血能力。工作模式的改變擴(kuò)大了遠(yuǎn)端刀片的垂直運(yùn)動(dòng)分量，以有效地將能量輻射到解剖的組織中，使得血管可以接收足夠的能量以被密封。為了解決目前剛性長(zhǎng)直桿超聲手術(shù)刀具有限的自由度的問(wèn)題，天津大學(xué)王樹(shù)新等[59]提出了一種最小化壓電換能器的新穎設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以集成在多自由度機(jī)器人的遠(yuǎn)端。

1.2.2 超聲骨切削

組織的超聲振動(dòng)輔助切削技術(shù)，除過(guò)軟組織超聲切割外，還有硬組織超聲切削，切削對(duì)象主要是各個(gè)部位的骨組織。類似于機(jī)械加工，外科手術(shù)對(duì)骨組織的切削方法主要有銑、切、鉆和磨等。超聲骨刀和超聲骨鉆是實(shí)際應(yīng)用最多的超聲骨切削方法。傳統(tǒng)骨科手術(shù)工具難以滿足精準(zhǔn)切割的要求，在臨床使用中極易對(duì)骨組織造成熱損傷和力損傷，造成二次傷害。超聲骨刀具有操作簡(jiǎn)單、切削精度高、對(duì)骨周邊的組織損傷小、能夠有效止血、軟硬組織選擇性切削等特性。切削過(guò)程利用了超聲波的空化效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、止血效應(yīng)和熱效應(yīng)，骨組織切割主要是靠空化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。超聲切骨仍存在刀具壽命短、切削機(jī)理不完善等問(wèn)題。山東大學(xué)的劉子豪等[60]進(jìn)行了超聲骨刀的設(shè)計(jì)與仿真研究。廣東工業(yè)大學(xué)的王成勇等[61]對(duì)壓電外科與傳統(tǒng)工具進(jìn)行骨科手術(shù)進(jìn)行了比較回顧。

超聲骨鉆可改善普通骨鉆帶來(lái)的骨組織損傷、孔的形位偏差大（孔直徑偏大、孔不圓、孔位的偏離）、排屑困難、表面質(zhì)量差、過(guò)大的力和扭矩導(dǎo)致的鉆頭折斷等問(wèn)題，在外科骨切削手術(shù)中得到積極關(guān)注和應(yīng)用。山東理工大學(xué)[62]提出一種新的超聲振動(dòng)輔助鉆孔方法，顯著提高鉆孔精度，可減少骨和周圍軟組織的損傷（圖12）。天津理工大學(xué)的李向軍等[63]采用超聲振動(dòng)輔助三尖鉆對(duì)皮質(zhì)骨鉆孔，與醫(yī)用麻花鉆鉆孔相比，其推力、鉆孔溫度和表面粗糙度值大幅度降低，鉆孔直徑精度大幅度提高。

圖12 電極表面粘附組織[62]

1.2.3 其他超聲刀

高強(qiáng)度聚焦超聲刀利用聚焦在生物組織內(nèi)的高強(qiáng)度超聲產(chǎn)生的熱效應(yīng)殺死聚焦處組織的腫瘤細(xì)胞，而聚焦區(qū)域以外的組織無(wú)顯著損傷，凝固壞死的組織可逐漸被吸收或瘢痕化。這種腫瘤的局部治療新技術(shù)主要適用于組織器官的良性與惡性實(shí)體腫瘤治療。超吸刀的刀頭為圓管，在手術(shù)時(shí)通過(guò)圓管向切口噴注液體，利用刀頭振動(dòng)剝落并乳化組織微粒，再經(jīng)負(fù)壓吸除而切除病變的組織。白內(nèi)障超聲乳化刀是超吸刀的典型應(yīng)用。美國(guó)在1967年首次將超吸刀運(yùn)用于摘除白內(nèi)障手術(shù)。白內(nèi)障超聲乳化刀通過(guò)微切口深入眼睛內(nèi)，利用超聲波對(duì)組織的碎裂效應(yīng)和空化效應(yīng),將白內(nèi)障乳化后吸出，該方法比傳統(tǒng)方法的手術(shù)時(shí)間短、出血少、切口小、手術(shù)控制更好、并發(fā)癥減少、安全性提高、術(shù)后恢復(fù)快。

1.3 微納制造行業(yè)

1.3.1 微結(jié)構(gòu)的制造

北京航空航天大學(xué)蔣永剛等[64]采用超聲振動(dòng)研磨法制造了壓力傳感器用碳化硅薄膜，與常規(guī)研磨相比，超聲振動(dòng)研磨的軸向磨削力降低了60%~70%，軸向研磨力更穩(wěn)定、表面粗糙度值更低，可獲得具有令人滿意的表面質(zhì)量的極薄的碳化硅傳感器膜片。因具有靈活性、經(jīng)濟(jì)性、高效率和高精度，超聲振動(dòng)加工在自潔面、衍射光柵、減摩擦面等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于微結(jié)構(gòu)功能表面，表面織構(gòu)的產(chǎn)生可被認(rèn)為是具有特定形狀的刀具與工件相互作用的結(jié)果。山東大學(xué)的張建華等[65]提出了一種一維超聲振動(dòng)車削表面紋理化方法，使用了不同后角和刀尖圓弧半徑的聚晶金剛石刀具，研究了刀具幾何形狀對(duì)微觀形貌的影響（圖13）。朱立達(dá)等[66]研究了超聲振動(dòng)銑削Ti-6Al-4V時(shí)微織構(gòu)表面產(chǎn)生機(jī)理和摩擦學(xué)性能。

圖13 在不同點(diǎn)觀察到的實(shí)驗(yàn)微織構(gòu)表面[65]

1.3.2 功率超聲微納連接技術(shù)

功率超聲微納連接技術(shù)被開(kāi)發(fā)以滿足電子制造與封裝行業(yè)對(duì)新材料與新工藝的迫切需求，特別是解決高功率、高服役溫度、高可靠性、高集成度等新型電子器件的連接難題。幾十年來(lái)，超聲引線鍵合一直是微電子封裝工業(yè)中的主要互連技術(shù)。引線鍵合包括球形鍵合和楔形鍵合[67]兩種廣泛應(yīng)用的技術(shù)（圖14）。超聲引線鍵合工藝包括預(yù)變形和超聲激活、摩擦、超聲軟化、相互擴(kuò)散四個(gè)階段。超聲復(fù)合釬焊在連接金屬之間添加了中間層釬料，進(jìn)一步增加了焊接接頭的可靠性，超聲復(fù)合釬焊在電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用包括低溫超聲釬焊、中溫超聲釬焊和高溫超聲釬焊。超聲納米連接以金屬納米顆粒為基體，具有低互連工藝溫度和高服役溫度，克服了傳統(tǒng)釬焊無(wú)法滿足芯片低溫互連高溫服役的難題，有望成為下一代高功率電子封裝的核心技術(shù)。

圖14 超聲楔形鍵合工藝示意圖[67]

2 超聲加工的標(biāo)志性進(jìn)展

2.1 加工模式

超聲振動(dòng)切削技術(shù)最早由日本宇都宮大學(xué)的隈部淳一郎教授在1950年提出，振動(dòng)形式如圖15a所示，刀尖振動(dòng)的方向平行于切削速度方向，因此又稱其為一維超聲振動(dòng)切削。橢圓超聲振動(dòng)切削由日本學(xué)者M(jìn)ORIWAKI于1995年提出，其振動(dòng)方向包含平行于切削速度和切削深度方向的兩個(gè)分量，如圖15b，因此切削機(jī)理不同于一維超聲振動(dòng)切削。從刀具運(yùn)動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，由于刀具存在平行于切削深度方向的振動(dòng)，在一個(gè)振動(dòng)周期的切削過(guò)程里，刀具存在切入和切出過(guò)程，該過(guò)程引起了切深和刀具前后角的動(dòng)態(tài)變化。張德遠(yuǎn)等[1]提出了高速超聲振動(dòng)切削（HUVC）方法,如圖15c，突破了傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削的臨界切削速度，在鈦合金、鎳基高溫合金等難加工材料上得到很好的應(yīng)用。

圖15 不同模式超聲振動(dòng)加工對(duì)比示意圖[1]

一維傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削方法的臨界切削速度定義為：

式中：vc為切削速度；vt為刀具的振動(dòng)速度；f為進(jìn)給量；A為超聲振動(dòng)單邊振幅。

水平速比HSR（horizontal speed ratio）[68]為：

當(dāng)HSR＜1時(shí)，為斷續(xù)切削過(guò)程，刀具與工件周期性地分離；當(dāng)HSR≥1時(shí)，為連續(xù)切削過(guò)程，刀具與工件不再分離。二維橢圓超聲振動(dòng)切削HSR的定義與一維傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削中給出的相同。對(duì)于一維傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削和二維橢圓超聲振動(dòng)切削，超聲振動(dòng)加工所帶來(lái)的各種優(yōu)點(diǎn)，隨著HSR的增大逐漸減弱，當(dāng)HSR超過(guò)1之后效果消失。

高速超聲振動(dòng)切削實(shí)現(xiàn)分離的臨界條件為：

式中：φ為相鄰兩轉(zhuǎn)切削軌跡的相位差。

傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削的分離條件由頻率、振幅、切削速度3個(gè)參數(shù)共同決定，而高速超聲振動(dòng)切削分離條件由進(jìn)給量、振幅、相鄰兩轉(zhuǎn)切削軌跡的相位差3個(gè)參數(shù)共同決定。張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)在提出高速超聲振動(dòng)切削方法之后，從加工表面形貌建模分析[3]、分離效果[4]、瞬態(tài)切削力解析模型[5]、降低切削力和切削熱的機(jī)理及仿生原型[6]等方面進(jìn)一步發(fā)展了高速超聲振動(dòng)切削，從切削力[14-15]、切屑特征、刀具磨損、表面形貌[16]、表面質(zhì)量[17-18]、冷卻方式[19]等方面研究了高速超聲振動(dòng)銑削。未來(lái)，鉆削有望實(shí)現(xiàn)高速超聲加工。

2.2 裝備

2.2.1 超聲刀柄

超聲刀柄和與之匹配的超聲換能器是超聲加工系統(tǒng)的重要組成部分，尤其是對(duì)超聲加工的實(shí)際應(yīng)用起決定性作用。在旋轉(zhuǎn)超聲加工中，能量通過(guò)松散耦合變壓器（loosely coupled transformer，LCT）傳遞到配備有旋轉(zhuǎn)超聲刀柄的超聲換能器。如圖16所示，LCT的主要部分固定在靜止的機(jī)架上，與LCT的第二部分緊固的換能器安裝在刀柄底部，整體以可拆卸的方式安裝在機(jī)床主軸上并可與主軸一起旋轉(zhuǎn)。由于LCT的初級(jí)鐵芯和次級(jí)鐵芯之間存在氣隙，導(dǎo)致漏電感增加，磁化電感降低，降低了能量傳遞能力和效率。姜興剛等[69]提出了一種稱為自補(bǔ)償系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以克服在LCT的漏電感補(bǔ)償和換能器電容補(bǔ)償期間外部補(bǔ)償元件占據(jù)有限的刀柄空間的缺點(diǎn)，當(dāng)換能器為自補(bǔ)償時(shí)，LCT能量轉(zhuǎn)移效率高達(dá)92.0%。

圖16 無(wú)接觸能量傳遞和振動(dòng)系統(tǒng)示意圖[69]

施加在夾心式換能器上的預(yù)緊力矩存在一個(gè)合適的范圍，姜興剛等[70]提出了一種確定夾心式換能器最佳預(yù)緊力的方法，可通過(guò)確定最小共振電阻來(lái)確定最佳預(yù)緊力。換能器需額外的電感來(lái)匹配其固有電容，使換能器處于諧振狀態(tài)，姜興剛等[71]提出了壓機(jī)械共振區(qū)超聲換能器阻抗匹配理論。超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性對(duì)超聲加工的穩(wěn)定性和加工效果起著重要的作用。趙波等[72]研究了熱機(jī)械載荷對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響（圖17）。祝錫晶等[73]研究了時(shí)效對(duì)功率超聲換能器用壓電陶瓷諧振頻率的影響。除過(guò)常用的壓電超聲換能器外，超聲換能器還可由磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)。馮平法等[74]研制了一種大振幅穩(wěn)定輸出的超磁致伸縮旋轉(zhuǎn)超聲機(jī)床，用于硬脆材料的加工。

圖17 負(fù)載對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的影響[72]

2.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在超聲加工過(guò)程中對(duì)電源輸出和超聲刀柄起調(diào)控匹配的作用，以實(shí)現(xiàn)相位控制、頻率跟蹤、功率控制等目的，更好地滿足實(shí)際超聲加工過(guò)程中的變化情況對(duì)電源供給的需求，充分利用超聲加工的優(yōu)勢(shì)。與軸向高速超聲振動(dòng)切削（刀具沿進(jìn)給方向振動(dòng)）相比，徑向高速超聲振動(dòng)切削的刀具垂直于加工表面振動(dòng)，當(dāng)切削深度小于振幅時(shí)，刀具可完全與工件分離，在加工難加工材料時(shí)具有提高刀具壽命的潛在優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高精加工的加工效率。張德遠(yuǎn)等[75]提出了一種相位控制方法，其目的是使凹坑以規(guī)則的方式重疊，以降低徑向刀具振動(dòng)導(dǎo)致的表面粗糙度增加。超聲換能器工作時(shí)，溫升引起換能器的等效電容和介電常數(shù)的變化導(dǎo)致?lián)Q能器的諧振頻率發(fā)生漂移，換能器諧振不穩(wěn)定甚至失諧。為使換能器保持諧振狀態(tài)，超聲電源的輸出電壓頻率必須跟蹤換能器的諧振頻率。上海電力大學(xué)[76]采用鎖相環(huán)原理跟蹤系統(tǒng)頻率，頻率跟蹤精度可達(dá)92.86%。河南科技大學(xué)的丁喆等[77]提出了一種DDS與模糊控制相結(jié)合的新型混合控制策略，具有頻率跟蹤快速準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 應(yīng)用

2.3.1 航空制造高質(zhì)高效

超聲振動(dòng)切削在很大程度上提高了難加工材料的加工能力和加工質(zhì)量，尤其是高速超聲振動(dòng)切削（HUVC）。HUVC加工Ti-6A1-4V時(shí)，與常規(guī)車削（CC）相比，在最佳條件下的刀具壽命延長(zhǎng)300%、切削效率明顯提高90%、切削力約顯著降低50%[1]。當(dāng)HUVC與先進(jìn)冷卻技術(shù)結(jié)合后，進(jìn)一步提高加工能力，比如在HUVC加工Ti-6A1-4V時(shí)使用20 MPa的高壓冷卻液（high-pressure coolant，HPC），當(dāng)切削速度為400 m/min時(shí)，刀具壽命可達(dá)到CC時(shí)的6.3倍（圖18）；在切削速度為300 m/min時(shí)，降溫速率最高約達(dá)55%[9]（圖19）。HUVC加工Ti-6Al-4V時(shí)還有切削-擠壓現(xiàn)象，即后刀面干涉作用。與CC時(shí)相比，其表面殘余應(yīng)力向壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)變[7]（圖20）。HUVC提高了涂層硬質(zhì)合金刀具切削Inconel 718的能力，與CC時(shí)相比，通過(guò)顯著降低刀具磨損可使刀具壽命延長(zhǎng)250%、切削力降低32.59%（圖21）、切削溫度降低約20%。在連續(xù)切削過(guò)程中，可獲得更好的表面粗糙度[2]。若采用HUVC加工薄壁鈦合金筒體[78]，可增加臨界切削厚度，且采用HUVC的直徑誤差不超過(guò)10%，而采用CC法的直徑誤差率為51%、切削力降低40%。以HUVC加工薄壁鈦合金筒體還獲得了更高的加工精度和表面粗糙度。

圖18 在不同的冷卻條件下，HUVC和CC中刀具壽命相對(duì)于切削速度的變化[9]

圖19 切削溫度隨切削速度的變化[9]

圖20 表面殘余應(yīng)力[7]

圖21 切削力和減小率[2]

與采用常規(guī)銑削（CM）相比，采用高速旋轉(zhuǎn)超聲橢圓銑削（HRUEM）加工Ti-6Al-4V時(shí)，HPC增至20 MPa，在切削速度為80 m/min時(shí)的切削溫度降低了24.1%、刀具壽命可延長(zhǎng)6.6倍，在切削速度為160 m/min時(shí)的刀具壽命可延長(zhǎng)2.4倍，新端銑刀的最大材料去除量（material removal volume，MRV)約增加657%[19]。HRUEM為表面完整性的有效控制提供了一種新方法[17-18]，在加工Ti-6Al-4V時(shí)于亞表面獲得了強(qiáng)烈塑性變形，且在加工表面上制造了具有10~100 nm晶粒尺寸的納米晶體層。在低切削速度時(shí)，表面壓縮殘余應(yīng)力會(huì)隨著振幅的減小而減小，而在高切削速度（160 m/min）時(shí)則相反（圖22）；此時(shí)，亞表面的變形層厚度和表面顯微硬度均會(huì)隨著振幅增大而增大，當(dāng)切削速度增至160 m/min，硬化效果逐漸減弱（圖23）。

圖22 振幅和切削速度對(duì)CM和RUEEM表面殘余應(yīng)力的影響[18]

圖23 振幅和切削速度對(duì)CM和RUEEM表面顯微硬度的影響[18]

在無(wú)冷卻條件下，鈦合金八面鉆超聲振動(dòng)鉆削（RUAD）時(shí)[24]，與 常 規(guī) 鉆 削（conventional drilling，CD）相比，其軸向力降低了16.79%~20.2%、扭矩降低了31.5%~33.6%、鉆削孔出口附近的切削溫度降低了18.54%~21.68%、鉆削孔表面粗糙度值降低了24.87%~25.36%、鉆削孔直徑的膨脹系數(shù)增量降低了46.75%~57.63%（圖24）、鉆削孔出口的毛刺高度降低了82.2%~89.18%（圖25）。

圖24 CD和RUAD鉆孔直徑精度比較[24]

圖25 CD和RUAD鉆孔出口毛刺高度的比較[24]

與CFRP的普通套磨鉆孔（CCD）相比，超聲振動(dòng)套磨鉆孔（UVCD）極大地提高了料芯和切屑粉塵的排屑效果，有效地防止了料芯堵刀和切屑粉塵粘刀現(xiàn)象，其鉆削力、切削溫度、孔表面粗糙度值分別降低了12%～20%、16%～24%、33%～39%，明顯改善了CFRP孔加工質(zhì)量并延長(zhǎng)了刀具壽命。UVCD可抑制CFRP分層，在50~100μm/r進(jìn)給速率下，與CCD相比，UVCD在1/2層和2/3層之間能有效降低孔出口分層率，分別降低5.4%~19.3%和0.7%~8.4%[28-29]。與常規(guī)磨削（conventional grinding，CG）相比，旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑磨 （rotary ultrasonic helical machining，RUHM）的軸向力和橫向力最大分別減小了71.3%和61.5%，孔邊緣質(zhì)量和表面完整性均有顯著提高，孔出口分層系數(shù)降低了12.8%~25.7%，孔內(nèi)表面粗糙度值降低了51.9%~53.2%，該方法是一種很有前途的加工小直徑CFRP孔的方法[35]。相較于常規(guī)鉆孔，在CFRP/Ti疊層旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)單次鉆孔時(shí)[40]，CFRP的平均軸向力和扭矩分別降低了41.2%～46.8%、36.2%～48.9%，Ti的軸向力和扭矩分別降低了15.2%～26.1%和21.4%～29.0%，CFRP/Ti界面最高溫度從普通加工時(shí)的468.1°C降至超聲加工時(shí)的353.4°C，孔直徑精度和孔表面質(zhì)量都得到了顯著提高，刀具磨損得到了顯著緩解。在超聲振動(dòng)鉆孔中觀察到窄截面的帶狀Ti碎片和分離的Ti碎片，而在常規(guī)鉆孔中獲得了鋸齒狀的連續(xù)帶狀Ti碎片。

2.3.2 3C應(yīng)用成熟廣泛

超聲加工方法在3C行業(yè)已得到成熟的、廣泛的應(yīng)用，發(fā)展出了超聲輔助磨削、銑削、鉆削、車削、鋸削、拋光、研磨、珩磨以及電解等多種加工方法，在石英玻璃、光學(xué)K9玻璃、光學(xué)BK7玻璃、KDP晶體、水晶、藍(lán)寶石、紅寶石、單晶硅、玻璃陶瓷、SiC、ZrO2和Al2O3、Si3N4等多種以光學(xué)晶體、特種陶瓷為代表的硬脆材料的加工上得到了良好應(yīng)用。

超聲振動(dòng)加工硬脆材料，可以提高材料去除率（MRR）。超聲輔助磨削ZrO2陶瓷[47]，其MRR高于常規(guī)磨削，主要原因是在磨削過(guò)程中施加高頻振動(dòng)，改變了磨料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加了單位時(shí)間內(nèi)磨料顆粒與物料的接觸次數(shù)，提高了磨料顆粒的銳度，從而提高了MRR。利用超聲霧化液的超聲輔助拋光光學(xué)玻璃透鏡的MRR優(yōu)于一維超聲拋光和普通拋光[79]。超聲輔助珩磨ZTA陶瓷[80]，其MRR比常規(guī)研磨的大得多。超聲研磨中的磨粒不僅像常規(guī)研磨一樣對(duì)材料進(jìn)行犁劃，而且對(duì)材料進(jìn)行高頻率、高速度的沖擊。

多個(gè)研究已證明[41-42，44，46]：超聲振動(dòng)加工硬脆材料，可降低切削力。間歇加工是降低切削力的主要原因：刀具與工件以超聲頻周期性地接觸和分離，改善了冷卻和潤(rùn)滑環(huán)境，有利于降低切削力；磨粒的超聲頻錘擊作用使材料表面產(chǎn)生大量微小裂紋而粉末化，實(shí)現(xiàn)材料去除只需較小的力。超聲頻率遠(yuǎn)大于工藝系統(tǒng)的自然頻率，工藝系統(tǒng)只能對(duì)沖擊力的直流成分有足夠響應(yīng)。超聲振動(dòng)加工硬脆材料，能否顯著降低加工表面粗糙度值和亞表面損傷目前尚無(wú)定論，結(jié)論不一致可能與材料、加工參數(shù)、工藝系統(tǒng)等有關(guān)。超聲振動(dòng)加工硬脆材料，可減小崩邊尺寸。超聲輔助鋸切單晶硅[46]，防止了脆性裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，使崩邊尺寸變小。在常規(guī)鋸切中，磨粒的切割過(guò)程是連續(xù)的，裂紋在切削力的作用下會(huì)不斷擴(kuò)展（圖26）。

圖26 崩邊尺寸與進(jìn)給速度、線速度的關(guān)系[46]

3 結(jié)論

（1）超聲加工最早應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)，目前已結(jié)合了多種傳統(tǒng)加工方法，開(kāi)發(fā)了多種超聲加工模式。研究者對(duì)普通合金、難加工合金、復(fù)合材料、硬脆材料等眾多材料進(jìn)行了切削研究，取得了良好的工藝效果。雖然目前已形成了一定規(guī)模，但發(fā)展還不充分，仍處于試驗(yàn)階段，比如在加工參數(shù)的合理選定方面，還未形成可作為參考的加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，超聲加工的加工能力范圍尚未界定，很多研究中的良好加工效果的取得通常是在特定參數(shù)條件下。因此，未來(lái)仍需進(jìn)行大量研究，特別是要在較寬泛的參數(shù)范圍里探究超聲加工的加工能力。

（2）超聲加工方法加工難加工材料的研究主要集中在切削力、切削熱、表面粗糙度、刀具磨損和刀具壽命等方面，而與加工表面質(zhì)量相關(guān)的表面損傷、白層、塑性變形、加工硬化、殘余應(yīng)力等參數(shù)的研究很少，超聲加工技術(shù)的發(fā)展不僅要提高切削能力，更要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工。

（3）大量的工藝實(shí)驗(yàn)已證明，與普通加工相比，超聲加工具有降低切削熱、降低切削力、提高刀具壽命、抑制顫振、抑制粘結(jié)、減少毛刺和提高加工質(zhì)量等眾多優(yōu)勢(shì)。然而，超聲加工在實(shí)際的應(yīng)用市場(chǎng)上仍缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，大規(guī)模應(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)，其主要原因是缺乏成熟的、產(chǎn)業(yè)化的超聲機(jī)床、超聲刀柄、超聲換能器和超聲電源。目前超聲加工的應(yīng)用一般是在普通機(jī)床上采用自行設(shè)計(jì)的超聲換能器和刀柄，而標(biāo)準(zhǔn)化、批量化、可互換、產(chǎn)業(yè)化的超聲刀柄和超聲換能器對(duì)于推動(dòng)超聲加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用更具有里程碑式的意義。

（4）超聲手術(shù)刀具有操作簡(jiǎn)單、切割精度高、力和熱損傷小、有效止血、抗組織粘結(jié)和恢復(fù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸得到醫(yī)務(wù)人員的青睞，目前已發(fā)展了多種多樣的微創(chuàng)手術(shù)超聲刀具，但是對(duì)應(yīng)的切削機(jī)理沒(méi)有研究透徹，部分產(chǎn)品的穩(wěn)定性也不夠，特別是很多研究還處于試驗(yàn)階段，對(duì)于產(chǎn)業(yè)化的成熟應(yīng)用還有很大的努力空間。

（5）開(kāi)創(chuàng)新的跨學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)新的超聲復(fù)合加工技術(shù)。超聲加工從最初的在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到了生醫(yī)制造、微納制造等領(lǐng)域，未來(lái)還需要繼續(xù)開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域和行業(yè)。此外，超聲加工技術(shù)的發(fā)展常結(jié)合現(xiàn)有的加工技術(shù)，已從最初的車削、銑削、磨削發(fā)展出了十多種加工方法。如何結(jié)合其他能場(chǎng)來(lái)開(kāi)發(fā)新的超聲復(fù)合加工技術(shù)是一個(gè)重要的發(fā)展思路。