趙 波

(河南理工大學，河南 焦作 454003)

河南理工大學精密與特種加工技術(shù)團隊始建于1992年，2008年入選河南省先進制造技術(shù)創(chuàng)新科研團隊。團隊現(xiàn)有科研人員28(包括5名教授，15名副教授，1名工程師，27名博士)。主要研究方向為硬脆材料、復合材料、難加工金屬材料的高效精密加工技術(shù)與裝備、數(shù)字化制造技術(shù)與理論、刀具表面涂層技術(shù)及裝備、生物制造及3D打印技術(shù)等。團隊在高速切削、重型裝備基礎(chǔ)理論與開發(fā)、煤礦機械等方面也有研究，并獲得了多項原創(chuàng)性成果。團隊在國內(nèi)外學術(shù)刊物及學術(shù)會議發(fā)表論文500余篇(其中SCI檢索120余篇，EI收錄218篇)，出版專著7部。承擔863、國家自然科學基金重點項目等國家級項目20余項、省部級項目17項，研究成果獲省部級科技進步獎一等獎1項，二等獎5項，國家技術(shù)市場金橋獎1項。完成了具有單向和多維振動的超聲加工中心、超聲立式珩磨，超聲珩鉸、超聲橢圓車削、超聲微孔鉆削、超聲拋光、超聲非圓曲面研磨、超聲切割裝備以及超聲毛化、超聲鋸切、超聲拉伸等20余種超聲加工系列裝備，獲授權(quán)發(fā)明專利80余項，其中40余項科研成果獲得轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)讓經(jīng)費1 200余萬元。研發(fā)的超聲刀柄系列已大批量應用到3C產(chǎn)品加工；研發(fā)的泥漿泵工程陶瓷缸套，超聲珩磨和車削裝備系列等已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益達12.5億元。

超聲波由于所具有的優(yōu)良特性目前已廣泛應用于測量、清洗、育種、醫(yī)療、材料成型、機械加工等領(lǐng)域。特別是隨著新材料的發(fā)展和航空航天高性能構(gòu)件的高效精密制造需要，超聲加工技術(shù)作為一種新興的加工方法受到國內(nèi)外研究者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，成為高效精密制造領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。

1 超聲振動加工系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

超聲振動加工系統(tǒng)主要由超聲振動系統(tǒng)和電能無線傳輸系統(tǒng)組成：超聲振動系統(tǒng)主要由超聲電源、超聲換能器、變幅桿以及工具頭組成；電能無線傳輸系統(tǒng)主要由固定于機床主軸端的發(fā)射盤和固定于刀柄上的接受盤構(gòu)成，兩盤相對形成一個特定的感應器完成電能的無線傳輸。目前國內(nèi)外學者對超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計方法、工作方式、振動維數(shù)和振動方式及其應用等進行了大量研究，并取得了一定的進展。

1.1 超聲換能器研究

超聲換能器主要有由2種，分別是PZT壓電換能器和磁致伸縮換能器。到目前為止，PZT壓電換能器由于響應快、聲電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢被機械加工領(lǐng)域廣泛應用。

壓電換能器目前主要研究新型大功率壓電材料，壓電晶體片疊堆的組合方式、鑲拼形式、幾何形狀以及片數(shù)等對換能器的功率容量、機電轉(zhuǎn)換效率、系統(tǒng)固有頻率的影響等。磁致伸縮換能器由于對溫度敏感、頻率低、振幅小的特點，使用時需要水套冷卻等機構(gòu)，導致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜而應用較少。目前研究主要集中在大功率超磁致伸縮材料上，如CU18A磁致伸縮換能器工作頻率可以達到12～15 kHz，振幅達6～10 μm；北京交大研制的超磁致伸縮材料可在不用變幅桿的條件下?lián)Q能器直接輸出10 μm以上的振幅。

此外，由于使用時換能器需要和變幅桿匹配，一般只有一個共振頻率，如想改換頻率就需要更換新的換能器和變幅桿，為工業(yè)應用帶來諸多不便。因此，在換能器研究方面，復頻換能器及純扭轉(zhuǎn)振動換能器也是目前研究的重點。

1.2 變幅桿的研究

變幅桿是振動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。換能器端部輸出的振幅太小，不能滿足加工需要，因此需要將振幅通過變幅桿放大。目前常用的單一方向振動變幅桿有指數(shù)型、圓錐型、階梯型、懸鏈線型等單一曲線的變幅桿。復合型變幅桿、多級放大變幅桿以及適應于特定場合特殊要求的變幅桿等均是研究的熱點。不同曲線型的縱-扭復合振動變幅桿，徑-扭復合振動變幅桿，雙彎曲振動變幅桿，橢圓振動變幅桿等二維振動變幅桿，由于在應用中顯示出優(yōu)良效果，也成為研究的重點。

目前在超聲加工以及超聲強化中應用較多的是雙彎曲、縱-扭復合、徑-扭復合橢圓振動變幅桿。此外相對于幅頻換能器，研究復頻變幅桿也是目前本領(lǐng)域關(guān)注的重點。

2 超聲加工技術(shù)的應用

2.1 難加工材料的加工

難加工材料如硬脆材料、復合材料、高溫合金等，由于性能特殊，傳統(tǒng)的加工方法難以勝任。目前常采用的加工方法有超聲加工及超聲復合加工等，如超聲車、銑、磨、珩、鉆、鉸、拉、研、拋、擠壓等，和超聲-激光復合、超聲-電火花復合、超聲-高速復合、超聲-ELID(電解在線修整)復合等。

研究的重點集中在這些復合加工的高效高精度切削機理，切削參數(shù)、超聲參數(shù)與表面完整性、表面抗疲勞性等形性之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，研究這些超聲復合方法及其加工參數(shù)對被加工表面與亞表面損傷的影響，以及對加工表面的形性進行預測和主動控制。

2.2 弱剛性零件的加工

超聲加工的切削力小，在薄壁零件及一些弱剛性零件加工中有獨特優(yōu)勢。常見的加工對象有小深孔，微小細長軸，薄殼類零件(壁厚小于2 mm)等。

在航空航天領(lǐng)域，采用超聲復合磨削碳化硅顆粒增強復合材料(SiCp/Al)時，刀具耐用度可以提高3倍以上，同時在零件的入口、中間邊緣以及出口處可以有效地抑制崩邊和裂紋擴展。采用超聲橢圓振動銑削加工鈦合金、金屬間化合物等制成的薄壁結(jié)構(gòu)，切削力可以下降70%，形位精度可以提高40%以上。加工高速軸承上的直徑小于1 mm的孔，同樣條件下超聲加工可以一次完成17個孔，普通加工最多可以加工2個孔，耐用度可以達到普通加工的8～9倍。采用大振幅超聲切割蜂窩材料，由于超聲的巨大能量，在刀刃與材料接觸的瞬間，很容易將材料分子間的結(jié)合鍵直接切斷，使切割表面幾乎沒有拔絲、碎屑或毛刺現(xiàn)象。

2.3 超聲表面光整強化

將超聲振動與常規(guī)的光整加工相復合，可以完成精密零件的超聲表面強化。超聲表面強化分為超聲噴丸強化和超聲擠壓強化。

超聲噴丸強化是依靠大功率超聲作為驅(qū)動能量對表面進行噴丸，多用于焊接件的強化，如用超聲噴丸強化技術(shù)處理氧化鋁氧化鋯陶瓷，使其表面產(chǎn)生較高的殘余壓應力，大大提高了材料的抗斷裂性能。學界還發(fā)現(xiàn)超聲噴丸可以有效矯正焊接結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)變形。

超聲擠壓強化是通過在工具頭施加預壓力和高頻縱向振動沖擊工件表面，熨平工件表面的微觀峰谷，使其產(chǎn)生塑性變形強化而形成殘余壓應力，從而提高零件的抗疲勞性。超聲強化可以比普通擠壓強化的次數(shù)(最多2次)多數(shù)倍，同時平均擠壓力小、壓應力深度大，表面層硬度明顯高于常規(guī)擠壓的，不僅表層/亞表層的晶粒均勻細化程度好，且表面粗糙度比常規(guī)的可提高一個級別。如河南理工大學采用超聲擠壓強化高強齒輪，使齒輪的抗彎曲疲勞性能提高了7～8倍。

近些年來，隨著抗疲勞制造技術(shù)的提出，超聲強化已成為許多高性能零件制造的一種新方法。目前在超聲強化技術(shù)研究方面，高性能零部件的多維超聲振動復合強化技術(shù)成為本領(lǐng)域研究的重點。

2.4 超聲加工表面的微結(jié)構(gòu)及其性能研究

超聲加工中刀具的高頻振動，會在被加工表面留下典型的微結(jié)構(gòu)。超聲加工工表面的研究方向之一就是研究這些微結(jié)構(gòu)的形狀、幾何特征與加工參數(shù)之間的關(guān)系及表征，以及微結(jié)構(gòu)的潤濕性、摩擦特性和生物學特性。山東大學和河南理工大學完成了典型超聲加工表面的一些前期研究，建立了超聲加工參數(shù)與表面微結(jié)構(gòu)特征的預測模型，取得了部分有益的研究結(jié)果。

另一方面，利用多維超聲振動切削力小的特點，基于單點金剛石車床，將超聲振動附加在刀具上，與快刀伺服或慢刀伺服加工相配合，采用微端銑、微鑿切的方法，完成對光學器件表面微織構(gòu)陣列的刻劃，也是目前利用超聲加工研究表面微織構(gòu)應用的熱點。如日本東京大學利用橢圓超聲車削裝置加工光學零件、微透/反射鏡陣列，集成成像和顯示系統(tǒng)，研究光場相機和裸眼3D電視等；華中科技大學、集美大學等也對表面微織構(gòu)的刻劃進行了研究，并取得了較好的結(jié)果。

2.5 超聲在生物制造領(lǐng)域的應用

超聲骨鉆與超聲骨刀是超聲骨切削領(lǐng)域中應用研究最多的2個方面。

手術(shù)中使用常規(guī)骨鉆易導致分層、微裂紋及高溫，嚴重影響手術(shù)植入部位附近的細胞再生，不利于骨愈合，甚至會造成骨突破和壞死。超聲骨鉆可以通過控制頻率，解決皮質(zhì)骨鉆孔的分層問題；通過提高轉(zhuǎn)速和降低進給的方式，減少裂紋數(shù)量和裂紋尺寸；通過改變振幅等參數(shù)，減少鉆骨術(shù)中產(chǎn)生的應力，降低手術(shù)溫升，改善骨表面性能，減小骨損傷。目前該方面的研究主要集中在鉆削生物骨質(zhì)材料的力模型和熱損傷預測等。日本東京大學開展的二維橢圓超聲振動鋸切骨質(zhì)試驗表明：通過提高振動頻率、振幅和鋸切速度可以有效減少鋸切力和切削溫度，極大減少骨損傷。

超聲骨刀主要利用超聲空化、高強度聚焦、機械碎裂效應等原理，研究如何減少手術(shù)時間、控制術(shù)后引流、降低出血和疼痛等。目前軟組織的超聲切割也是研究的熱點，主要集中在建立高頻電刀切割組織的熱損傷模型，如何抑制術(shù)中出血、減少組織損傷、避免術(shù)后并發(fā)癥等方面。

2.6 其他應用

除上述應用外，超聲加工在機械熱加工領(lǐng)域和3D打印領(lǐng)域的應用同樣廣泛，如超聲焊接、超聲攪拌、超聲擠壓成型、血管打印、金屬零件打印等。

超聲焊接是利用超聲波的熱效應，通過聲能和熱能的相互轉(zhuǎn)換，將材料融化連接；超聲攪拌可使輕質(zhì)合金在凝固時的組織晶粒細化均勻，提高材料的強度；超聲擠壓成型主要用于有色金屬的溫擠壓等工藝，通過超聲振動減少材料的變形抗力，增強其塑性變形能力，并使材料組織晶粒細化，提高尺寸精度和表面質(zhì)量。

在3D金屬零件打印方面，超聲可改善零件材料的鑄態(tài)特點。通過定向超聲振動改變金屬打印中的材料流向，減少材料的微裂紋、氣孔和疏松、晶粒粗大等缺陷，提高被打印零件的性能。超聲3D打印研究不僅集中在熱導率較低的TC4、TA15鈦合金、高溫合金等材料上，對于熱導率較高的銅合金和鋁合金等材料的研究也十分活躍，研究的重點在于打印后的零件成形尺寸精度和零件的機械性能改善等方面。應用于醫(yī)學領(lǐng)域的血管支架超聲3D打印也是研究的重要內(nèi)容。

3 超聲加工技術(shù)的發(fā)展方向

超聲加工以獨特的優(yōu)勢成為近年來快速發(fā)展的一種特種加工技術(shù)。首先，超聲不受被加工材料特性的限制，加工中也不會使材料產(chǎn)生化學變化。此外，超聲加工的切削力小、切削熱少及空化效應等，不僅適用于弱剛性零件的加工，且會因高頻熨壓作用而在工件表面產(chǎn)生殘余壓應力，實現(xiàn)表面組織的納米化并改善其硬化程度，提高材料的疲勞強度。超聲加工也適用于對復雜三維結(jié)構(gòu)的高效精密超精密加工。目前超聲加工技術(shù)的應用領(lǐng)域已非常廣泛，如半導體、高速列車、汽車制造、光學器件、醫(yī)療工業(yè)、民用食品等領(lǐng)域；隨著空間領(lǐng)域和國防領(lǐng)域等尖端技術(shù)材料的發(fā)展，超聲加工已成為精密超精密制造領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

3.1 超聲振動加工系統(tǒng)的研究

電源是超聲加工的關(guān)鍵部件。目前電源的研究主要集中在電源的智能化上，如使超聲加工系統(tǒng)具有學習功能及自適應功能；研究電源與振動加工系統(tǒng)的自動匹配，加工過程中隨負載和環(huán)境條件變化的精確自動跟蹤，以及適應加工需求的恒定振幅等。

換能器研究主要集中在大功率與大振幅換能器上。除高性能換能器晶片材料外，復頻換能器也是近年來研究的重點。此外，大倍數(shù)變幅桿、復合變幅桿和復頻變幅桿及其設(shè)計方法也是研究的重點。

研究復雜聲學系統(tǒng)設(shè)計的新理論新方法，如非均質(zhì)材料非對稱結(jié)構(gòu)的聲學系統(tǒng)的設(shè)計原理，振動方式多次轉(zhuǎn)換的復雜聲學系統(tǒng)設(shè)計方法等。此外，為保證超聲系統(tǒng)聲能高效傳輸，研究其制造方法及裝配技術(shù)等也是關(guān)鍵問題，如聲學系統(tǒng)節(jié)點連接技術(shù)與理論等。

超聲系統(tǒng)能否成功應用于生產(chǎn)實際，其穩(wěn)定性是決定因素。超聲系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究包括：換能器的穩(wěn)定性，電源的穩(wěn)定性，無線傳輸系統(tǒng)與聲學系統(tǒng)的適配性以工作穩(wěn)定性等。目前超聲系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性研究是聲學系統(tǒng)研究領(lǐng)域的重點問題之一。

3.2 超聲加工應用技術(shù)方面

目前超聲加工應用技術(shù)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在超聲復合加工技術(shù)上，諸如超聲高速復合加工，超聲電火花復合加工，超聲激光復合加工，超聲-ELID超精密加工，超聲磁力復合研磨拋光，超聲電解復合加工，超聲微細加工等等，復合的目的就是解決難加工材料的精密高效問題，特別是解決難加工材料表面亞表面損傷機制及形性預測預控等。因此超聲復合加工技術(shù)的精密高效將成為近一個時期的重點研究方向。

在表面微結(jié)構(gòu)的生物學特性，摩擦磨損特性研究方面，研究超聲加工參數(shù)與微結(jié)構(gòu)性能之間的規(guī)律和生物學特性及其應用，是超聲加工表面應用研究的另一個方面，而利用多維超聲復合加工光學元器件的特殊微織構(gòu)，研究其加工參數(shù)與微結(jié)構(gòu)性能之間的規(guī)律及應用效果等是近些年研究的熱點。

在超聲醫(yī)療方面，研究超聲在手術(shù)器械中的應用及超聲參數(shù)對醫(yī)療效果的影響也是近年來的研究熱點和方向。而超聲增材制造、焊接微塑形成形等新型工藝同樣具備諸多優(yōu)勢，將會成為未來研究發(fā)展的潮流，得到更加廣泛的應用。

特別是近年來隨著新材料的出現(xiàn)和國防航空航天等尖端技術(shù)的發(fā)展需求，采用多維超聲復合對典型難加工材料納米表面的加工方法和技術(shù)進行研究，仍將成為精密超精密領(lǐng)域研究的一個主要方向。

4 本期論文點評

《硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望》

丁 凱，等；第5頁

硬脆材料超聲輔助磨削是超聲加工領(lǐng)域近二十年來一直研究的熱點。作者在閱讀大量文獻的基礎(chǔ)上，對硬脆材料的超聲輔助磨削技術(shù)現(xiàn)狀進行了詳細的總結(jié)。首先對不同超聲振動條件下的硬脆材料超聲輔助磨削加工機理及特性進行了概括；在此基礎(chǔ)上，對硬脆材料超聲振動輔助作用下的延性域磨削機理、超聲輔助磨削時振動參數(shù)與磨削工藝參數(shù)的匹配性進行綜述；最后展望了硬脆材料超聲輔助磨削技術(shù)的發(fā)展。

論文提出了超聲輔助磨削技術(shù)需要加強的研究方面，其認識比較到位：超聲振動系統(tǒng)穩(wěn)定性及超聲輔助磨削過程中振動振幅的實時測量和動態(tài)監(jiān)測問題；基于磨粒運動軌跡要求設(shè)計相應的砂輪工作層磨粒排布方式，研制適應超聲磨削的砂輪問題；由于硬脆材料磨削時的脆-延轉(zhuǎn)變機理存在2種截然不同的觀點，因此需要進一步深入研究硬脆材料的超聲無損傷和少損傷磨削機理。這對硬脆材料超聲磨削理論及其工程化應用具有指導意義。

論文對超聲磨削中力熱耦合的作用機理及相應效果論述不足。

《超聲振動輔助ELID復合內(nèi)圓磨削系統(tǒng)中大負載變幅器的設(shè)計及應用》

賈曉鳳，等；第15頁

ELID磨削是由日本大森整教授提出的采用固結(jié)砂輪進行超精密磨削加工的新方法，通過電解使砂輪在磨削過程中實時修整保持磨粒鋒銳實現(xiàn)納米表面加工。為了進一步探索提高ELID磨削質(zhì)量和效率的途徑，作者針對陶瓷內(nèi)孔加工提出了超聲ELID復合磨削方法。

為解決超聲ELID復合內(nèi)圓磨削的聲學系統(tǒng)設(shè)計問題，研究了狹小空間內(nèi)弱剛性大負載變幅器的設(shè)計理論及優(yōu)化方法，獲得了滿足幾何尺寸、應力及振動頻率和振幅要求的變幅器，通過超聲ELID復合磨削與單一ELID內(nèi)圓磨削實驗比較，獲得了同樣條件下表面粗糙度降低44.2%、工件三維形貌更加平整、砂輪表面狀況獲得改善等結(jié)果。所提出的內(nèi)圓超聲ELID復合磨削系統(tǒng)的設(shè)計方法具有重要的參考價值。

盡管給出了磨削表面的粗糙度結(jié)果，但對砂輪表面在磨削過程中復合修銳的形貌、修整效果及磨削效率的研究較少，給人以實驗不充分的感覺。

《基于旋轉(zhuǎn)超聲振動的氧化鋯陶瓷小孔磨削加工質(zhì)量研究》

王宗偉，等；第24頁

陶瓷小深孔加工一直是一個較難的工藝問題，常規(guī)的加工刀具耐用度低，孔容易走偏，且表面粗糙度較差。作者在DMG Ultrasonic70-5型超聲振動精密加工中心上，采用直徑為1.0 mm的鎳基電鍍金剛石刀具磨頭，對陶瓷材料小孔進行了磨削試驗研究。

作者分析了磨粒在縱向振動下的磨削時的運動軌跡，以及在本試驗條件下磨粒切削時滿足的分離條件；研究了主軸轉(zhuǎn)速、超聲功率以及進給速度對小孔表面粗糙度的影響規(guī)律。研究結(jié)果對于電鍍金剛石磨頭加工硬脆材料小孔的工程應用均有較大參考價值。

研究中的聲學參數(shù)對粗糙度的影響考慮較少，僅考慮了功率百分比，此外陶瓷小深孔超聲加工的孔的精度、偏斜度等亦應進行深入研究。

《金剛石磨粒超聲振動刻劃BK7玻璃的亞表面損傷研究》

王 洋，等；第29頁

光學元器件的精密超精加工，表面和亞表面損傷問題一直是該研究領(lǐng)域關(guān)注的重點。作者針對光學玻璃磨削加工中出現(xiàn)的亞表面損傷嚴重等問題，提出采用超聲振動輔助加工方法對BK7玻璃進行刻劃試驗，以研究光學玻璃超聲加工時的亞表面損傷機理。

作者建立了BK7玻璃材料的本構(gòu)模型，模擬分析了超聲振動對BK7玻璃刻劃過程中材料去除機理的影響規(guī)律，設(shè)計了超聲振動刻劃實驗，研究了超聲振動功率、刻劃速度和刻劃深度對亞表面裂紋的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：超聲刻劃相比于普通刻劃，亞表面裂紋深度最大下降了24.4%，隨著刻劃速度的增大，刻劃后溝槽底部的亞表面裂紋最大深度逐漸增大，隨著溝槽截取深度的增大，亞表面裂紋最大深度整體上呈逐漸上升的趨勢并出現(xiàn)明顯的分級情況。研究結(jié)論，對于光學玻璃的超聲加工表面亞表面損傷研究具有重要的參考價值。

文章對超聲頻率及刻劃溫度對亞表面損傷的影響研究不足，此外給出亞表面損傷的照片也不夠典型。