許 磊 李鵬南 邱新義 牛秋林 李常平

(湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201)

·綜述·

基于WPT技術的超聲輔助加工系統(tǒng)研究進展

許 磊 李鵬南 邱新義 牛秋林 李常平

(湖南科技大學機電工程學院，湘潭 411201)

文摘對超聲輔助加工技術及WPT技術進行了分析歸納，總結了國內外目前有關WPT超聲輔助加工系統(tǒng)的研究成果，提出共振式無線電能傳輸技術可能是超聲輔助加工領域一種更為靈活、更為理想的供電模式的想法。

超聲輔助加工，WPT，先進材料，難加工

0 引言

一代材料一代革命，先進材料憑借著其自身優(yōu)異的性能在21世紀這個高新科技時代占據(jù)著極其重要的地位，改變著我們的世界，但同時也給材料的加工帶來了極大的挑戰(zhàn)。先進材料的難加工問題一直是國內外學者關注的熱點問題，也是難點問題。目前幾種典型先進材料的加工性能主要如下：

(1)硬脆性材料脆性高、斷裂韌性低，材料的彈性極限與強度非常接近，因此加工難度很大，加工既不同于一般的高脆性材料(金剛石)的純斷裂過程，更不同于金屬材料的塑性剪切過程，加工稍有不當，便會引起工件表面組織的破壞[1-3]；

(2)碳纖維復合材料硬度高強度大，導熱性差，加工時切削溫度高，刀具磨損嚴重，加工質量差效率低，易產生分層和撕裂等缺陷，且切屑多為粉塵,容易影響加工和污染環(huán)境,危害人的健康[4-7]；

(3)鈦合金塑性低硬度大，彈性模量小，剛性差，加工易變形，回彈性高，單位面積切削力大；導熱性差，切削溫度高，化學活性大，冷硬現(xiàn)象嚴重，刀具易磨損[8-13]；

(4)高溫合金極低的熱傳導性，切削溫度高，切削力大，變形量大，加工硬化嚴重，刀具磨損嚴重[14-15]。

為了解決先進材料的難加工問題，各種先進復合技術成為國內外學者的主要研究方向之一，而超聲輔助加工技術已被大量實驗證明是難加工材料領域一種行之有效的先進加工技術，開發(fā)基于WPT技術的超聲輔助加工系統(tǒng)更成為國內外學者研究的熱點。本文主要對WPT技術及其在超聲輔助加工領域的應用進行歸納研究并從中尋求新的突破點。

1 超聲輔助加工技術及其應用

超聲輔助加工技術(UAM)是傳統(tǒng)加工與超聲加工(USM)復合形成的一種新的加工技術,具有切削力小、改善切屑流、縮短斷屑避免積瘤、減少切削熱、加工表面損傷層小、刀具磨損小等特點，被廣泛應用于加工硬脆材料、復合材料等難加工材料。超聲輔助加工技術在傳統(tǒng)機械切除過程中引入了超聲振動使得加工過程除了機械切削作用外還有高頻微撞擊作用和空化作用，改變了工件和刀具間的接觸狀態(tài)和作用機制，減小了兩者間的作用時間，增強了切削去除作用，進而改善了加工質量[16]。

近年來,研究人員已經在超聲輔助加工領域做了大量的工作，對一系列難加工材料進行了超聲輔助切削實驗，例如：KADIVAR等[17]對Al/SiCp金屬基復合材料進行了超聲輔助鉆削實驗；PUJANA等[18]對Ti6Al4V工件樣品的鉆孔施加超聲振動來對比研究相對常規(guī)鉆孔時的切削力、鉆尖溫度變化；BAGHLANI等[19]設計了一種特殊的喇叭，用于對鉆頭施加旋轉和振動，用于在深度/直徑比為10的Inconel 738LC上進行深鉆探測試；PHADNIS等[20]使用超聲輔助鉆削的先進鉆孔技術證明了其相對于常規(guī)鉆孔的若干優(yōu)點，包括減小切削力；W.L.CONG等[21]使用可變進給率(CFRP的高進給率和Ti的低進給率)對CFRP/Ti疊層板進行超聲輔助加工技術研究。

超聲輔助加工技術已被大量實驗證明是難加工材料領域一種有效的先進加工技術，被廣泛應用于航空航天、精密儀器、光學醫(yī)療等諸多領域，比如渦輪葉片、發(fā)動機機軸、發(fā)動機缸體、葉輪胚體和輪輞等的超聲輔助車削加工，飛機翼盒、蒙皮、精密軸承保持環(huán)、激光陀螺儀腔體的超聲輔助磨削制孔加工，棱鏡光學表面、陶瓷牙冠和關節(jié)球的超聲輔助磨削加工[22]。

2 無線電能傳輸技術(WPT)及其應用

無線電能傳輸技術(WPT)是一種憑借空間電磁場、微波等介質進行電能傳輸?shù)男滦凸╇娔Ｊ?，最早由“交流電之父”特斯拉提出并進行了大量實驗研究[23]。將無線電能傳輸技術普及到生活中的各個領域一直是人們的一個追求，從特斯拉開啟這個無線傳能的大門后，人們投入了大量的精力致力于這一領域的研究，但進展緩慢。在2007年MIT的研究團隊終于取得了突破性的進展，發(fā)現(xiàn)了一種全新的無線供電模式—非輻射電磁能諧振隧道效應，稱作“WiTricity”技術，也稱為磁共振感應耦合技術，大大提高了電能傳輸?shù)木嚯x和效率，使WPT技術重新成為國內外學者研究的熱點[24]。

根據(jù)傳輸原理將WPT技術主要分為5類：電磁感應式(MCI-WPT)、電磁共振式(MCR-WPT)、微波輻射式、超聲波式、激光式。其中電磁感應式由于結構簡單、技術最為成熟得到最廣泛的應用，目前多用于交通運輸、電子設備、生物醫(yī)學等領域，但也存在著傳輸距離短(厘米級)、位置要求嚴格的缺點；電磁共振式傳輸距離相對較遠(米級)，無嚴格的方向性，能量損失小，但易出現(xiàn)頻率失諧導致功率效率急劇減小，目前主要用于家電、汽車、醫(yī)療器械及一些特殊工業(yè)應用等領域；微波輻射式能量損耗小，適合遠程傳輸，但功率較小(一般不高于100 mW)，多應用于一些特殊領域，如空間太陽能電站、低軌道和同步軌道衛(wèi)星、高空飛行器或無人飛機等；超聲波式和激光式方向性強，能量易于集中，但損耗相對較大，技術不夠成熟，多用于醫(yī)療器械和航空領域[25-31]。

施藥藥劑：22.4%螺蟲乙酯懸浮劑，拜耳股份公司（推薦在蘋果上的使用劑量3000倍～4000倍稀釋液，安全間隔期為21 d）。

3 基于WPT技術的超聲輔助加工系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的超聲輔助加工系統(tǒng)大多采用碳刷-導電滑環(huán)的方式進行電能傳輸，這種供電方式憑借其成本低、結構簡單、使用方便等優(yōu)勢在超聲電能傳輸領域得到了廣泛的應用。但碳刷-導電滑環(huán)的供電方式同時也存在著碳刷磨損快、發(fā)熱量大、容易積碳打火、限制主軸轉速、無法實現(xiàn)自動換刀等諸多弊端，這些弊端嚴重影響了超聲輔助加工系統(tǒng)的推廣和應用。而無線電能傳輸技術的出現(xiàn)使這一問題有了新的解決思路，開發(fā)基于WPT技術的超聲輔助加工系統(tǒng)成為國內外學者研究的熱點。

微波輻射式能量損耗小，適合遠程傳輸，但功率較小(一般不高于100 mW)，超聲波式和激光式無線電能傳輸技術精度高方向性強但損耗大，傳輸功率和效率都相對較低，技術不夠成熟，多應用于醫(yī)療器械和航空航天領域，對于超聲輔助加工領域，基于電磁感應原理的無線電能傳輸超聲輔助加工系統(tǒng)是應用的主流，電磁感應式無線電能傳輸技術原理簡單，技術也相對成熟，可以有效解決傳統(tǒng)碳刷-導電滑環(huán)方式帶來的諸多弊端，是國內外研究學者和制造商目前比較熱衷的第一選擇。

3.1基于感應式WPT技術的超聲輔助加工系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2004年美國KAUF等[32]根據(jù)電磁感應原理設計了一種用于鉆孔的無線電能傳輸超聲輔助加工裝置，如圖1所示，利用同軸徑向分布的兩個感應線圈進行無線電能傳輸；2008年日本久保田治等[33]設計了一種超聲波加工主軸裝置，該裝置利用同軸軸向分布的發(fā)射線圈和接收線圈之間的電磁感應進行電能的無線傳輸；目前德國DMG MORI公司的部分型號產品(如ULTRASONIC 65/85 monoBLOCK、DMU/DMC duoBLOCK、HSC等)中也采用了相似原理(發(fā)射線圈采用四分之一槽型)進行無線電能的傳輸，如圖2所示[34-36]。

圖1 一種用于鉆孔的無線電能傳輸超聲輔助加工裝置

Fig.1 An WPT ultrasonic assisted machining device for drilling

國內關于WPT超聲輔助加工系統(tǒng)的研究起步較晚，主要集中于各大高校和研究所等科研單位。大連理工大學的黃浩[37]通過對無線電能傳輸系統(tǒng)進行有限元仿真，分析了影響系統(tǒng)傳輸性能的因素及規(guī)律，并搭建傳輸性能測試平臺進行了實驗驗證，見圖3。

河南理工大學的陳曦[38]也對無線電能傳輸系統(tǒng)進行了仿真分析，主要研究了磁芯截面積、磁芯間隙、磁芯軸線偏移偏擺對系統(tǒng)的影響并據(jù)此設計了四分之一槽型無線電能傳輸系統(tǒng)進行實驗，線圈模型如圖4所示，發(fā)現(xiàn)裝配精度對系統(tǒng)傳輸性能有較大影響。

天津大學的董穎懷等[39]設計開發(fā)的集成銑削、磨削、超聲、電火花的復合加工裝置(如圖5所示)和杜鵑[40]開發(fā)的旋轉超聲加工系統(tǒng)(圖6)，其電能傳輸部分均采用了基于電磁感應原理的WPT技術，利用加裝在主軸部分的發(fā)射線圈和刀柄內部的接收線圈進行無線電能傳輸。

3.2MCR-WPT技術的研究現(xiàn)狀

近年來，共振式無線電能傳輸技術(MCR-WPT)逐漸進入人們的視野，共振式無線電能傳輸技術利用頻率相同的兩個共振體之間的強耦合進行能量傳輸，相比于單純的感應式無線電能傳輸技術，共振式無線電能傳輸技術具有無嚴格的方向性限制，對位置要求小，穿透性好；通過非輻射性電磁耦合進行能量傳輸，能量損失小，傳輸距離遠，可實現(xiàn)較高的功率(一般為幾百瓦)和效率并且能實現(xiàn)一對多供電；輻射小，對人體基本沒有危害等優(yōu)勢，越來越受到國內外學者的關注，有關該領域的研究也越來越多[41-43]。

ALANSON P.SAMPLE等人[44-46]對共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的基本原理進行了理論研究，通過建立耦合模方程和電路模型分析了共振式無線電能傳輸?shù)幕咎匦圆⒋罱▽嶒炂脚_進行了驗證；KYRIAKI FOTOPOULOU[47]和陳琛等人[48]分別針對線圈錯位和存在金屬障礙物的情況對共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸性能進行了研究；BENJAMIN L.CANNON等人[49]針對共振式無線電能傳輸系統(tǒng)一源多負載模型進行了理論分析，總結了一源多負載模型傳輸?shù)幕咎匦?。對于提高共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸性能，傅文珍等人[50-55]通過對共振式無線電能傳輸系統(tǒng)電路模型的研究，為系統(tǒng)電路參數(shù)優(yōu)化設計提供了一定的理論基礎；羅斌等人[56-59]通過理論分析和實驗總結了中繼線圈對電能傳輸系統(tǒng)傳輸性能的影響規(guī)律；TAKEHIRO IMURA等[60-63]則對發(fā)射線圈接收線圈進行了優(yōu)化設計，為新型線圈的設計提供了寶貴經驗。

從目前有關MCR-WPT技術領域的相關研究不難看出，MCR-WPT技術尚處于起步階段，相關研究也主要集中于理論建模分析、傳輸基本特性研究、效率優(yōu)化研究、傳輸單元設計研究等基礎理論方面，相關應用也較少。但MCR-WPT技術的前景無疑是廣闊的，相比于目前應用最為廣泛的MCI-WPT技術，MCR-WPT技術最大的優(yōu)勢在于對位置要求低，只要保證發(fā)射線圈和接收線圈在一定范圍內就可以進行能量的高效傳輸，不但提高了電能傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離，還增加了傳輸系統(tǒng)的設計靈活性，因此MCR-WPT技術是以后無線電能傳輸系統(tǒng)的主要研究方向之一。

4 結語

超聲輔助加工技術是難加工材料領域一種行之有效的先進加工技術，基于WPT技術的超聲輔助加工系統(tǒng)更是超聲輔助加工設備的主要發(fā)展方向之一，解決了傳統(tǒng)碳刷-導電滑環(huán)方式供電帶來的諸多弊端。目前基于電磁感應原理的無線電能傳輸超聲輔助加工系統(tǒng)是應用的主流，但仍存在精度要求高、改裝成本高、通用性差等問題。

相比于目前應用最為廣泛的MCI-WPT技術，MCR-WPT技術最大的優(yōu)勢在于對位置要求小，只要保證發(fā)射線圈和接收線圈在一定范圍內就可以進行能量的高效傳輸，不但提高了電能傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離，還增加了傳輸系統(tǒng)的設計靈活性，對于超聲輔助加工領域，共振式無線電能傳輸技術顯然是一種更為靈活、更為理想的供電模式，不用對機床本身進行改裝，并且一套無線電能傳輸系統(tǒng)可以適用于不同型號的傳統(tǒng)鏜銑設備。

目前針對共振式無線電能傳輸技術的研究主要集中于兆赫茲級以上頻率段，超聲加工所需低頻條件下(20～50 kHz,不同領域對于中高低頻的劃分有所區(qū)別，在機械加工領域千赫茲屬高頻段，在電子信息領域千赫茲屬中低頻段，此處歸于電子信息領域進行討論)MCR-WPT技術是否可行，特別是在任意位置是否都可以進行有效傳輸仍有待研究。對于低頻段MCR-WPT技術的傳輸性能研究是共振式無線電能傳輸系統(tǒng)能否大規(guī)模推廣和應用的前提，也是對MCR-WPT技術基礎理論框架的重要補充。

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Research Progress of Ultrasonic Assisted Machining System Based on WPT Technology

XU Lei LI Pengnan QIU Xinyi NIU Qiulin LI Changping

(The Institute of Electromechanical Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201)

In this paper, the characteristics of ultrasonic assisted machining technology and WPT technology are generalized, and the achievements of WPT ultrasonic assisted processing system is also summarized. An idea is proposed that the technology of magnetically-coupled resonant wireless power transfer (MCR-WPT) may be a more flexible and more ideal power supply mode.

Ultrasonic assisted machining, WPT, Advanced materials, Difficult-machining

TG502.3；TB559

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.001

2017-04-14

國家自然科學基金項目(51275168，51605161)，湖南省自然科學基金項目(2015JJ5028)，湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2016B602)

許磊，1992年出生，碩士研究生，主要從事先進制造技術方向的研究。E-mail:18216435633@sina.cn

李鵬南,教授，博士。E-mail:2002lpn@163.com