作為一種特種加工工藝，超聲加工在工業(yè)界和學(xué)術(shù)領(lǐng)域得到越來越多的重視，本文系統(tǒng)介紹了超聲加工技術(shù)近年來在航空制造、3C制造、抗疲勞制造和生醫(yī)制造等領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，其中重點(diǎn)介紹了高速超聲切削這一新興超聲加工技術(shù)在難加工合金的工藝優(yōu)勢及其應(yīng)用前景，同時(shí)還對超聲加工技術(shù)在這些領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

超聲振動(dòng)加工的原理是給刀具或工件施加微米級超聲頻率的振動(dòng)，并控制其振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度及振動(dòng)方向，使加工工具和工件會(huì)產(chǎn)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(dòng)加工技術(shù)已在航空領(lǐng)域難加工材料切削、3C產(chǎn)品脆性材料加工、抗疲勞表面強(qiáng)化和生物活體組織微創(chuàng)手術(shù)等加工領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。超聲振動(dòng)加工技術(shù)憑借其*的加工優(yōu)勢，已影響到整個(gè)機(jī)械加工領(lǐng)域并滲透到一些交叉領(lǐng)域，成為機(jī)械加工領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。

 航空制造領(lǐng)域應(yīng)用研究 

一、難加工合金高速超聲切削

傳統(tǒng)縱向超聲振動(dòng)切削方法（圖1a）和橢圓超聲振動(dòng)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(dòng)臨界切削速度限制，只能應(yīng)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(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)提出了高速超聲切削（HUVC）方法，在切削運(yùn)動(dòng)參照系下，通過復(fù)合遠(yuǎn)高于超聲振動(dòng)臨界分離速度的切削運(yùn)動(dòng)與橫向超聲振動(dòng)，使刀具相對于加工表面運(yùn)動(dòng)且呈“短接觸、長分離”的波動(dòng)式運(yùn)動(dòng)軌跡（圖1c），是在切削速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削的臨界速度的情況下，仍可在一定條件下實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了高速切削，又在微觀上實(shí)現(xiàn)了斷續(xù)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(dòng)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(shù)突破，可將鈦合金穩(wěn)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(dòng)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(shù)匹配、相位差控制等方式來獲得更穩(wěn)定的切削過程和更好的加工效果，具有廣泛的應(yīng)用前景。

當(dāng)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(jī)理有待進(jìn)一步揭示。未來，高速超聲切削工藝將結(jié)合先進(jìn)冷卻方式，有望實(shí)現(xiàn)高溫合金等難加工合金的高速切削。

二、復(fù)合材料超聲加工

由于碳纖維增強(qiáng)/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有常規(guī)金屬*的物理力學(xué)性能，新型客機(jī)、戰(zhàn)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)對其大量采用。比如，波音 787 的CFRP用量占比已達(dá)約50%，空客A350的CFRP占比將達(dá)到62%，F(xiàn)-22戰(zhàn)機(jī)的CFRP占比也達(dá)到35%。然而，CFRP屬于典型的難加工材料，主要表現(xiàn)在脆性大、碳纖維硬度大、抗撞擊能力差和導(dǎo)熱能力差等。此外，CFRP的各向異性、層間結(jié)合強(qiáng)度低，使其在加工中易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，會(huì)嚴(yán)重影響已加工零件的力學(xué)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(jié)或電鍍金剛石刀具對CFRP進(jìn)行制孔加工。國外早開展此項(xiàng)工作的是堪薩斯州立大學(xué)的Pei.Z.J教授，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)采用高頻小振幅的超聲輔助套孔加工能夠有效降低復(fù)材出口分層的缺陷，這與低頻大振幅產(chǎn)生的效果大不相同，除此之外，相較于傳統(tǒng)的套孔工藝，輔以超聲軸向振動(dòng)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(fù)材孔出口易產(chǎn)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(shí)發(fā)熱嚴(yán)重的問題的有效方法。

此外，日本學(xué)者Yagishita曾用硬質(zhì)合金涂層群鉆對CFRP進(jìn)行了超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輔助鉆削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輔以超聲扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的鉆削能減少孔內(nèi)壁劃傷的發(fā)生，提高了孔內(nèi)壁的表面質(zhì)量，同時(shí)可以將刀具壽命提高5倍。然而這種效果只在低轉(zhuǎn)速鉆削的條件下表現(xiàn)明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)輔以超聲加工作用會(huì)失效，這是由于當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速達(dá)到臨界條件時(shí)，刀具與工件不再發(fā)生周期性分離，此時(shí)的切削不再是斷續(xù)切削，超聲效果會(huì)失效。

近年，北京航空航天大學(xué)在CFRP橢圓超聲振動(dòng)套孔、鉸孔方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究（圖2）。張德遠(yuǎn)教授課題組采用無冷卻條件對CFRP超聲橢圓振動(dòng)套孔、鉸孔工藝進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明超聲橢圓振動(dòng)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(dòng)磨套孔時(shí)的切削溫度，通過建立溫度-速度函數(shù)表明在橢圓超聲振動(dòng)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(dòng)套孔可獲得更好的孔表面質(zhì)量。

圖2   橢圓超聲振動(dòng)套孔、鉸孔方法示意圖

橢圓超聲振動(dòng)加工技術(shù)在對CFRP進(jìn)行孔加工時(shí)存在一定的優(yōu)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(dòng)換能器的振動(dòng)理論研究尚不深入，裝置設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)該工藝大規(guī)模應(yīng)用，需對超聲橢圓振動(dòng)制孔工藝系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

 3C制造領(lǐng)域應(yīng)用研究 

一、脆性材料旋轉(zhuǎn)超聲加工

旋轉(zhuǎn)超聲加工（RUM）在脆性材料加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，該加工方式由普通磨削和超聲振動(dòng)復(fù)合而成，是一種針對硬脆材料加工技術(shù)難題的特種加工工藝。旋轉(zhuǎn)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(huì)在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿刀具軸線作微米級超聲頻振動(dòng)，可有效降低切削力、殘余應(yīng)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(zhuǎn)超聲鋸切藍(lán)寶石的效果圖可明顯看出，引入超聲振動(dòng)后，減少了塑性去除比例，不再出現(xiàn)大塊剝落。

圖3   超聲振動(dòng)對鋸切藍(lán)寶石表面形貌的影響

旋轉(zhuǎn)超聲加工包含三種加工形式：鉆孔、端面銑削和側(cè)面銑削，其材料去除機(jī)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(dòng)的作用下產(chǎn)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(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，進(jìn)行大量研究，總結(jié)出旋轉(zhuǎn)超聲加工的諸多優(yōu)勢。

圖4   旋轉(zhuǎn)超聲加工磨料運(yùn)動(dòng)軌跡和材料去除機(jī)理

在降低切削力方面，旋轉(zhuǎn)超聲加工時(shí)磨粒與工件有周期性的高頻分離，切削區(qū)域被打開，切削液可進(jìn)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(zhuǎn)超聲加工切削力的降低機(jī)理，研究學(xué)者以理論建模及調(diào)整工藝參數(shù)等方式進(jìn)行了大量研究。華僑大學(xué)朱旭等利用旋轉(zhuǎn)超聲加工鋸切藍(lán)寶石之后發(fā)現(xiàn)，徑向切削力相比普通鋸切下降50%~80%，軸向力下降35%~50%。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)超聲加工是否可降低表面粗糙度尚無定論。研究學(xué)者通過建立表面粗糙度預(yù)測模型或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證等方式得出的研究結(jié)果更多地支持旋轉(zhuǎn)超聲加工在側(cè)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(zhuǎn)速、降低切削深度和進(jìn)給量并匹配合適的超聲參數(shù)的方式降低表面粗糙度。

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

二、超聲拋光

超聲振動(dòng)拋光的原理是對工件或變幅桿施加超聲振動(dòng)，使磨料懸浮液中的磨粒與工件產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到?jīng)_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(xué)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(dòng)，發(fā)現(xiàn)橫向超聲振動(dòng)以攪動(dòng)懸浮液的形式作用于硅片，提高拋光均勻性。許文虎等進(jìn)行了有無超聲拋光藍(lán)寶石的對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)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(dòng)拋光藍(lán)寶石表面

超聲振動(dòng)輔助拋光在機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、磁流變拋光、離子束拋光等多個(gè)拋光類別均有應(yīng)用，并取得了一定的改善效果。然而，當(dāng)前超聲拋光過程中的材料去除機(jī)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(jī)制尚未揭示，因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)基本理論的研究。