張德遠，黃志勇，張翔宇

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，仿生與微納系統(tǒng)研究所，北京生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191）

超聲振動加工是在普通加工的刀具或工件上施加超聲頻微米級振動而發(fā)展出來的一種高性能斷續(xù)切削方法，其材料去除機理不同于連續(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、進給方向振動、切削深度方向振動，刀具相對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加工，刀具相對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，由于超聲加工帶來的良好切削效果，高速超聲加工切削難加工材料時的切削速度甚至數(shù)倍高于普通加工。

超聲加工利用超聲波的機械效應、空化效應、熱效應實現(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、減少毛刺和提高加工質量等優(yōu)勢。超聲波結合車削、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，已廣泛應用于機械制造、生醫(yī)制造、微納制造等行業(yè)。

1 超聲加工應用行業(yè)

1.1 機械制造行業(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車削、銑削和鉆削。一維傳統(tǒng)超聲振動切削和二維橢圓超聲振動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，無法進行高速加工。針對這一難題，北京航空航天大學的張德遠團隊[1]首先提出了高速超聲振動切削（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理以及仿生原型[6]等方面進一步發(fā)展了HUVC方法，從表面質量和殘余應力[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車削。張翔宇等[10-11]針對HUVC過程分別研制了刀具-工件熱電偶測溫系統(tǒng)和超聲頻率脈沖切削力測量系統(tǒng)。香港理工大學的Sandy等[12]研究了Ti-6A1-4V合金超聲振動超精密車削。北京信息科技大學的張勤儉等[13]對超聲振動車削Inconel 718的表面粗糙度、表面形貌和切屑形狀進行了理論和實驗研究。

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。東北大學的朱立達等[20-22]研究超聲振動輔助銑削Ti-6Al-4V的刀具-工件接觸比模型、最小量潤滑、刀具磨損機理，其結果表明：超聲振動輔助銑削在降低切削力、提高加工表面質量、抑制毛刺和優(yōu)化切屑形成等方面具有明顯的技術優(yōu)勢。

圖1 高速超聲銑削方法原理圖

對于難加工合金的超聲振動鉆削（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、鉆孔時的優(yōu)異表面完整性、增強的刀具切削能力和延長的刀具壽命。李哲等[25]首次提出超聲振動锪孔技術，并首次對Ti6Al4V超聲振動锪孔的表面質量和刀具壽命進行了研究，其結果表明：與普通锪孔相比，超聲振動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]進行Inconel 718超聲振動鉆削斷屑機理研究。

近年來，張德遠團隊在碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）和CFRP/Ti疊層超聲振動套孔、鉸孔、銑磨、鉆孔及锪孔方面進行了系統(tǒng)研究。李哲等[27-28]進行了CFRP超聲振動套磨鉆孔（ultrasonic vibration core drilling，UVCD）高效排屑機理研究和無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]還進行了CFRP小孔旋轉超聲振動銑磨的鉆孔載荷與孔質量的實驗研究（圖3），并將旋轉超聲振動鉸孔作為CFRP/Ti疊層孔精加工的一種新方法進行了相關研究[33-34]。邵振宇等[35-36]進行了CFRP旋轉超聲振動鉆孔的研究，首次在干鉆條件下將旋轉超聲振動鉆孔應用于CFRP/Ti疊層的單次鉆孔。上海交通大學的陳明等[37-38]進行了超聲振動銑削和超聲振動磨削Cf/SiC復合材料加工表面質量的研究。

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、化學穩(wěn)定性高等優(yōu)異的電、化學、物理性能，在電子、光學等產業(yè)得到廣泛應用，由于這些材料脆性大、硬度高，加工過程中極易產生崩邊、裂紋和損傷，難以得到理想的加工表面，刀具磨損嚴重，加工效率低。超聲振動加工硬脆材料，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。

大連理工大學的康仁科等進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驗中發(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)產生的裂紋交匯而成[41]。朱立達[42]等在超聲振動輔助磨削ZrO2陶瓷的磨削力建模與實驗研究中發(fā)現(xiàn)，超聲振動磨削的磨削力與普通磨削的磨削力相比顯著降低。清華大學的馮平法等[43]研究了旋轉超聲鉆削脆性材料的臨界切削力，以表征超聲機床的最大加工能力，并建立了光學K9玻璃旋轉超聲銑削亞表面損傷預測模型[44]。北京理工大學的梁志強等[45]研究了橢圓超聲振動微切削M平面藍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量優(yōu)于常規(guī)切割槽。華僑大學的沈劍云等[46]進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量（圖4）。東北大學的于天彪等[47]從表面質量和材料去除率方面研究超聲振動對單晶硅拋光的影響，超聲振動能有效提高材料去除率，快速獲得較好的表面質量（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（圖6），發(fā)現(xiàn)超聲振動疊加會使磨粒運動速度的值和方向發(fā)生變化，從而導致切削角度的變化，進而影響研磨性能，其實驗結果表明：超聲輔助振動有助于提高材料去除率、平滑切向力波形、降低平均切向力、提高表面質量。中北大學的祝錫晶等[49]研究了超聲對磨削液空化 氣泡產生和控制的影響，為空化氣泡控制提供了一種理論預測方法（圖7）。趙波等[50]進行了納米復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，適用于納米復合材料的鏡面加工。

圖6 超聲輔助研磨實驗裝置[48]

圖7 超聲振動珩磨工作原理圖[49]

超聲波除了與車、銑、鉆、磨等最常見的機械加工方法結合外，也結合了其他能場而形成了多樣化的加工方法。超聲焊接利用超聲頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓情況下使兩個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摩擦產生的熱量實現(xiàn)同種或異種金屬材料間物理連接，產生三維結構。為解決零件制備中仍然存在非均質微結構、內部空洞和大孔隙等問題，基于超聲振動在材料熔化和凝固過程中的作用，超聲輔助激光增材制造得到了發(fā)展。超聲振動滾壓、擠壓強化在普通滾壓、擠壓強化基礎上，附加超聲振動，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，使零件表面產生殘余壓應力，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），將超聲振動切削應用于抗疲勞制造領域，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 切擠一體實驗裝置示意圖[51]

1.2 生物醫(yī)學制造行業(yè)

超聲在生物醫(yī)學制造行業(yè)得到了廣泛的應用，除了超聲手術刀外，還包括生物醫(yī)學材料的超聲磨削加工、超聲銑削加工、超聲表面光整加工等，比如對口腔醫(yī)學領域中植入材料的加工[52]（圖9）。本文主要介紹超聲手術刀在超聲外科手術中的應用。超聲手術刀包括軟組織超聲切割止血刀、超聲骨切割手術刀/鉆、高強度聚焦超聲刀、白內障超聲乳化刀、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

軟組織超聲切割對象主要有肌肉、脂肪、內臟等。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）。超聲波振動系統(tǒng)在切割速度方向上向電極提供超聲波振動，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的刀頭使與其接觸的組織細胞內的水分汽化、蛋白質的氫鏈斷裂；細胞崩解后重新融合，組織被凝固后切開，刀頭通過振動破壞與其接觸的膠原蛋白結構，使蛋白凝固，進而封閉血管止血，有減少縫合次數(shù)、縮短手術時間、降低術后風險的優(yōu)點。

圖10 超聲切割系統(tǒng)示意圖[53]

為解決目前超聲手術刀所存在的組織粘連和熱損傷帶來的術后愈合引發(fā)手術事故的問題，姚光等[53-55]提出了一種新型超聲手術刀切割系統(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帶來的機械作用使組織加速去除，試驗證實超聲振動高頻電刀的組織粘附量減少約80%，無黑色的焦痂組織，切口齊整，熱損傷面積減小約50%。此外，為提高超聲手術刀的靈活性，突破其在體內外科手術中的應用限制，設計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，揭示了切葉蟻產生振動的機理，可為仿生振動發(fā)生器的發(fā)展提供理論指導。

圖11 電極表面粘附組織[54]

廣東工業(yè)大學的王成勇等[57]綜述了手術刀片在切割軟生物組織方面的國內外研究進展。天津大學的史超陽[58]等提出了一種縱扭振動模式的超聲刀以提高止血能力。工作模式的改變擴大了遠端刀片的垂直運動分量，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直桿超聲手術刀具有限的自由度的問題，天津大學王樹新等[59]提出了一種最小化壓電換能器的新穎設計，該設計可以集成在多自由度機器人的遠端。

1.2.2 超聲骨切削

組織的超聲振動輔助切削技術，除過軟組織超聲切割外，還有硬組織超聲切削，切削對象主要是各個部位的骨組織。類似于機械加工，外科手術對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際應用最多的超聲骨切削方法。傳統(tǒng)骨科手術工具難以滿足精準切割的要求，在臨床使用中極易對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單、切削精度高、對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。切削過程利用了超聲波的空化效應、機械效應、止血效應和熱效應，骨組織切割主要是靠空化效應和機械效應。超聲切骨仍存在刀具壽命短、切削機理不完善等問題。山東大學的劉子豪等[60]進行了超聲骨刀的設計與仿真研究。廣東工業(yè)大學的王成勇等[61]對壓電外科與傳統(tǒng)工具進行骨科手術進行了比較回顧。

超聲骨鉆可改善普通骨鉆帶來的骨組織損傷、孔的形位偏差大（孔直徑偏大、孔不圓、孔位的偏離）、排屑困難、表面質量差、過大的力和扭矩導致的鉆頭折斷等問題，在外科骨切削手術中得到積極關注和應用。山東理工大學[62]提出一種新的超聲振動輔助鉆孔方法，顯著提高鉆孔精度，可減少骨和周圍軟組織的損傷（圖12）。天津理工大學的李向軍等[63]采用超聲振動輔助三尖鉆對皮質骨鉆孔，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

高強度聚焦超聲刀利用聚焦在生物組織內的高強度超聲產生的熱效應殺死聚焦處組織的腫瘤細胞，而聚焦區(qū)域以外的組織無顯著損傷，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主要適用于組織器官的良性與惡性實體腫瘤治療。超吸刀的刀頭為圓管，在手術時通過圓管向切口噴注液體，利用刀頭振動剝落并乳化組織微粒，再經負壓吸除而切除病變的組織。白內障超聲乳化刀是超吸刀的典型應用。美國在1967年首次將超吸刀運用于摘除白內障手術。白內障超聲乳化刀通過微切口深入眼睛內，利用超聲波對組織的碎裂效應和空化效應,將白內障乳化后吸出，該方法比傳統(tǒng)方法的手術時間短、出血少、切口小、手術控制更好、并發(fā)癥減少、安全性提高、術后恢復快。

1.3 微納制造行業(yè)

1.3.1 微結構的制造

北京航空航天大學蔣永剛等[64]采用超聲振動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量的極薄的碳化硅傳感器膜片。因具有靈活性、經濟性、高效率和高精度，超聲振動加工在自潔面、衍射光柵、減摩擦面等方面具有廣泛的應用前景。對于微結構功能表面，表面織構的產生可被認為是具有特定形狀的刀具與工件相互作用的結果。山東大學的張建華等[65]提出了一種一維超聲振動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微觀形貌的影響（圖13）。朱立達等[66]研究了超聲振動銑削Ti-6Al-4V時微織構表面產生機理和摩擦學性能。

圖13 在不同點觀察到的實驗微織構表面[65]

1.3.2 功率超聲微納連接技術

功率超聲微納連接技術被開發(fā)以滿足電子制造與封裝行業(yè)對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，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。引線鍵合包括球形鍵合和楔形鍵合[67]兩種廣泛應用的技術（圖14）。超聲引線鍵合工藝包括預變形和超聲激活、摩擦、超聲軟化、相互擴散四個階段。超聲復合釬焊在連接金屬之間添加了中間層釬料，進一步增加了焊接接頭的可靠性，超聲復合釬焊在電子制造領域的應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。

圖14 超聲楔形鍵合工藝示意圖[67]

2 超聲加工的標志性進展

2.1 加工模式

超聲振動切削技術最早由日本宇都宮大學的隈部淳一郎教授在1950年提出，振動形式如圖15a所示，刀尖振動的方向平行于切削速度方向，因此又稱其為一維超聲振動切削。橢圓超聲振動切削由日本學者MORIWAKI于1995年提出，其振動方向包含平行于切削速度和切削深度方向的兩個分量，如圖15b，因此切削機理不同于一維超聲振動切削。從刀具運動的角度來說，由于刀具存在平行于切削深度方向的振動，在一個振動周期的切削過程里，刀具存在切入和切出過程，該過程引起了切深和刀具前后角的動態(tài)變化。張德遠等[1]提出了高速超聲振動切削（HUVC）方法,如圖15c，突破了傳統(tǒng)超聲振動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用。

圖15 不同模式超聲振動加工對比示意圖[1]

一維傳統(tǒng)超聲振動切削方法的臨界切削速度定義為：

式中：vc為切削速度；vt為刀具的振動速度；f為進給量；A為超聲振動單邊振幅。

水平速比HSR（horizontal speed ratio）[68]為：

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

高速超聲振動切削實現(xiàn)分離的臨界條件為：

式中：φ為相鄰兩轉切削軌跡的相位差。

傳統(tǒng)超聲振動切削的分離條件由頻率、振幅、切削速度3個參數(shù)共同決定，而高速超聲振動切削分離條件由進給量、振幅、相鄰兩轉切削軌跡的相位差3個參數(shù)共同決定。張德遠團隊在提出高速超聲振動切削方法之后，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理及仿生原型[6]等方面進一步發(fā)展了高速超聲振動切削，從切削力[14-15]、切屑特征、刀具磨損、表面形貌[16]、表面質量[17-18]、冷卻方式[19]等方面研究了高速超聲振動銑削。未來，鉆削有望實現(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，尤其是對超聲加工的實際應用起決定性作用。在旋轉超聲加工中，能量通過松散耦合變壓器（loosely coupled transformer，LCT）傳遞到配備有旋轉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床主軸上并可與主軸一起旋轉。由于LCT的初級鐵芯和次級鐵芯之間存在氣隙，導致漏電感增加，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償系統(tǒng)的簡化結構，以克服在LCT的漏電感補償和換能器電容補償期間外部補償元件占據(jù)有限的刀柄空間的缺點，當換能器為自補償時，LCT能量轉移效率高達92.0%。

圖16 無接觸能量傳遞和振動系統(tǒng)示意圖[69]

施加在夾心式換能器上的預緊力矩存在一個合適的范圍，姜興剛等[70]提出了一種確定夾心式換能器最佳預緊力的方法，可通過確定最小共振電阻來確定最佳預緊力。換能器需額外的電感來匹配其固有電容，使換能器處于諧振狀態(tài)，姜興剛等[71]提出了壓機械共振區(qū)超聲換能器阻抗匹配理論。超聲振動系統(tǒng)的振動特性對超聲加工的穩(wěn)定性和加工效果起著重要的作用。趙波等[72]研究了熱機械載荷對超聲振動系統(tǒng)振動特性的影響（圖17）。祝錫晶等[73]研究了時效對功率超聲換能器用壓電陶瓷諧振頻率的影響。除過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動。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超聲機床，用于硬脆材料的加工。

圖17 負載對超聲振動系統(tǒng)的影響[72]

2.2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在超聲加工過程中對電源輸出和超聲刀柄起調控匹配的作用，以實現(xiàn)相位控制、頻率跟蹤、功率控制等目的，更好地滿足實際超聲加工過程中的變化情況對電源供給的需求，充分利用超聲加工的優(yōu)勢。與軸向高速超聲振動切削（刀具沿進給方向振動）相比，徑向高速超聲振動切削的刀具垂直于加工表面振動，當切削深度小于振幅時，刀具可完全與工件分離，在加工難加工材料時具有提高刀具壽命的潛在優(yōu)勢，進一步提高精加工的加工效率。張德遠等[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導致的表面粗糙度增加。超聲換能器工作時，溫升引起換能器的等效電容和介電常數(shù)的變化導致?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[76]采用鎖相環(huán)原理跟蹤系統(tǒng)頻率，頻率跟蹤精度可達92.86%。河南科技大學的丁喆等[77]提出了一種DDS與模糊控制相結合的新型混合控制策略，具有頻率跟蹤快速準確的優(yōu)點。

2.3 應用

2.3.1 航空制造高質高效

超聲振動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量，尤其是高速超聲振動切削（HUVC）。HUVC加工Ti-6A1-4V時，與常規(guī)車削（CC）相比，在最佳條件下的刀具壽命延長300%、切削效率明顯提高90%、切削力約顯著降低50%[1]。當HUVC與先進冷卻技術結合后，進一步提高加工能力，比如在HUVC加工Ti-6A1-4V時使用20 MPa的高壓冷卻液（high-pressure coolant，HPC），當切削速度為400 m/min時，刀具壽命可達到CC時的6.3倍（圖18）；在切削速度為300 m/min時，降溫速率最高約達55%[9]（圖19）。HUVC加工Ti-6Al-4V時還有切削-擠壓現(xiàn)象，即后刀面干涉作用。與CC時相比，其表面殘余應力向壓縮應力轉變[7]（圖20）。HUVC提高了涂層硬質合金刀具切削Inconel 718的能力，與CC時相比，通過顯著降低刀具磨損可使刀具壽命延長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，采用高速旋轉超聲橢圓銑削（HRUEM）加工Ti-6Al-4V時，HPC增至20 MPa，在切削速度為80 m/min時的切削溫度降低了24.1%、刀具壽命可延長6.6倍，在切削速度為160 m/min時的刀具壽命可延長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時于亞表面獲得了強烈塑性變形，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，表面壓縮殘余應力會隨著振幅的減小而減小，而在高切削速度（160 m/min）時則相反（圖22）；此時，亞表面的變形層厚度和表面顯微硬度均會隨著振幅增大而增大，當切削速度增至160 m/min，硬化效果逐漸減弱（圖23）。

圖22 振幅和切削速度對CM和RUEEM表面殘余應力的影響[18]

圖23 振幅和切削速度對CM和RUEEM表面顯微硬度的影響[18]

在無冷卻條件下，鈦合金八面鉆超聲振動鉆削（RUAD）時[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孔加工質量并延長了刀具壽命。UVCD可抑制CFRP分層，在50~100μm/r進給速率下，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，旋轉超聲振動銑磨 （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疊層旋轉超聲振動單次鉆孔時[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的468.1°C降至超聲加工時的353.4°C，孔直徑精度和孔表面質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K9玻璃、光學BK7玻璃、KDP晶體、水晶、藍寶石、紅寶石、單晶硅、玻璃陶瓷、SiC、ZrO2和Al2O3、Si3N4等多種以光學晶體、特種陶瓷為代表的硬脆材料的加工上得到了良好應用。

超聲振動加工硬脆材料，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程中施加高頻振動，改變了磨料顆粒的運動軌跡，增加了單位時間內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)研磨一樣對材料進行犁劃，而且對材料進行高頻率、高速度的沖擊。

多個研究已證明[41-42，44，46]：超聲振動加工硬脆材料，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生大量微小裂紋而粉末化，實現(xiàn)材料去除只需較小的力。超聲頻率遠大于工藝系統(tǒng)的自然頻率，工藝系統(tǒng)只能對沖擊力的直流成分有足夠響應。超聲振動加工硬脆材料，能否顯著降低加工表面粗糙度值和亞表面損傷目前尚無定論，結論不一致可能與材料、加工參數(shù)、工藝系統(tǒng)等有關。超聲振動加工硬脆材料，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)擴展，使崩邊尺寸變小。在常規(guī)鋸切中，磨粒的切割過程是連續(xù)的，裂紋在切削力的作用下會不斷擴展（圖26）。

圖26 崩邊尺寸與進給速度、線速度的關系[46]

3 結論

（1）超聲加工最早應用于機械制造行業(yè)，目前已結合了多種傳統(tǒng)加工方法，開發(fā)了多種超聲加工模式。研究者對普通合金、難加工合金、復合材料、硬脆材料等眾多材料進行了切削研究，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，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，未來仍需進行大量研究，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，而與加工表面質量相關的表面損傷、白層、塑性變形、加工硬化、殘余應力等參數(shù)的研究很少，超聲加工技術的發(fā)展不僅要提高切削能力，更要實現(xiàn)高質量加工。

（3）大量的工藝實驗已證明，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、減少毛刺和提高加工質量等眾多優(yōu)勢。然而，超聲加工在實際的應用市場上仍缺乏競爭力，大規(guī)模應用仍存在挑戰(zhàn)，其主要原因是缺乏成熟的、產業(yè)化的超聲機床、超聲刀柄、超聲換能器和超聲電源。目前超聲加工的應用一般是在普通機床上采用自行設計的超聲換能器和刀柄，而標準化、批量化、可互換、產業(yè)化的超聲刀柄和超聲換能器對于推動超聲加工技術的發(fā)展和應用更具有里程碑式的意義。

（4）超聲手術刀具有操作簡單、切割精度高、力和熱損傷小、有效止血、抗組織粘結和恢復速度快等優(yōu)點，已逐漸得到醫(yī)務人員的青睞，目前已發(fā)展了多種多樣的微創(chuàng)手術超聲刀具，但是對應的切削機理沒有研究透徹，部分產品的穩(wěn)定性也不夠，特別是很多研究還處于試驗階段，對于產業(yè)化的成熟應用還有很大的努力空間。

（5）開創(chuàng)新的跨學科應用領域，開發(fā)新的超聲復合加工技術。超聲加工從最初的在機械制造領域的應用逐漸擴展到了生醫(yī)制造、微納制造等領域，未來還需要繼續(xù)開拓新的應用領域和行業(yè)。此外，超聲加工技術的發(fā)展常結合現(xiàn)有的加工技術，已從最初的車削、銑削、磨削發(fā)展出了十多種加工方法。如何結合其他能場來開發(fā)新的超聲復合加工技術是一個重要的發(fā)展思路。