張德遠(yuǎn)，彭振龍，耿大喜，姜興剛，劉逸航，周澤華，尹曉明

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

超聲振動(dòng)切削在刀具或工件上附加頻率 （通常認(rèn)為>16kHz）、振幅、方向可控的振動(dòng)，使加工過(guò)程變?yōu)殚g斷、瞬間、往復(fù)的微觀斷續(xù)切削過(guò)程。超聲振動(dòng)切削的材料去除機(jī)理不同于連續(xù)切削的普通加工。超聲振動(dòng)加工過(guò)程中切削區(qū)被周期性打開，使得連續(xù)切削變成了斷續(xù)切削 （脈沖切削）模式，進(jìn)而可以獲得更小的平均切削力和切削溫度。至今，超聲振動(dòng)切削方法已經(jīng)發(fā)展出了多種加工形式。按照振動(dòng)軌跡可將超聲振動(dòng)切削分為3 類：一維振動(dòng)切削、二維振動(dòng)切削和三維振動(dòng)切削。相比普通加工方法，超聲振動(dòng)切削利用分離切削、超聲沖擊、超聲空化等效應(yīng)，具有降低切削熱、降低切削力、提高刀具壽命、抑制顫振、抑制黏結(jié)、減少毛刺、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、珩磨等發(fā)展了一系列超聲加工方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天制造、3C 制造、生物醫(yī)學(xué)制造、微納制造等行業(yè)。

近年來(lái)，雖然我國(guó)工業(yè)制造水平不斷升級(jí)，但以飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的高端航空產(chǎn)品仍然是我國(guó)制造業(yè)亟待突破的瓶頸。同時(shí)，以鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料為代表的先進(jìn)材料由于在比強(qiáng)度、斷裂抗性、耐腐蝕等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在高端航空產(chǎn)品中所占比重不斷提升。例如，高溫合金結(jié)構(gòu)件約占新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量的50%[1]；美國(guó)第四代飛機(jī)F22機(jī)體中鈦合金使用量已達(dá)41%，波音787 上15%的鈦合金用量打破了客機(jī)歷史最高紀(jì)錄。鈦合金、高溫合金和復(fù)合材料屬于典型的難加工材料，其高效低損傷加工始終是航空制造業(yè)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。特別是在難加工合金方面，使用高速切削技術(shù)是提高加工效率和加工質(zhì)量的有效途徑，但當(dāng)前高速切削技術(shù)在難加工合金應(yīng)用中會(huì)引起切削溫度過(guò)高、刀具磨損快、表面質(zhì)量差等問(wèn)題。對(duì)于以上問(wèn)題，一方面可以使用先進(jìn)的耐高溫刀具材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)耐溫；另一方面可以使用先進(jìn)冷卻方法和斷續(xù)切削方式來(lái)主動(dòng)降溫。在刀具材料和先進(jìn)冷卻技術(shù)方面，當(dāng)前已經(jīng)達(dá)到了行業(yè)極限，如何將超聲振動(dòng)切削的高頻斷續(xù)切削方式這一有效手段應(yīng)用到難加工合金等難加工材料高速切削上一直是超聲加工領(lǐng)域的難題和技術(shù)瓶頸。當(dāng)前，超聲振動(dòng)切削普遍存在臨界切削速度問(wèn)題，即其降力效果在很低切削線速度下才能實(shí)現(xiàn)，一旦切削線速度超過(guò)超聲振動(dòng)速度，降力效果就會(huì)逐漸消失。因此，傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削技術(shù)很難滿足當(dāng)前航空航天制造領(lǐng)域高效低損傷的行業(yè)要求，這對(duì)超聲振動(dòng)切削速度和加工質(zhì)量提出了更高要求。如何實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切削技術(shù)的高速化是當(dāng)前超聲加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本文對(duì)此前沿技術(shù)突破和研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)的提出

振動(dòng)切削方法自20世紀(jì)50年代日本學(xué)者隈部純一郎提出之后，在降低切削力、延長(zhǎng)刀具壽命和改善表面質(zhì)量等方面得到了試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。超聲振動(dòng)切削技術(shù)最早為一維振動(dòng)模式，而后在20世紀(jì)90年代由日本學(xué)者社本英二在國(guó)際上首次提出了橢圓超聲振動(dòng)切削技術(shù)。橢圓超聲振動(dòng)切削由于刀具切出時(shí)摩擦力方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，最多可使切深抗力降低至普通切削的2%[3]。另外，橢圓超聲振動(dòng)切削還具有很好的微細(xì)切削能力，可以實(shí)現(xiàn)硬脆性材料的精密微細(xì)切削。然而，以上超聲振動(dòng)切削方法存在切削速度限制，其優(yōu)勢(shì)都是在低速精細(xì)切削的條件下獲得的。隨著切削速度增加，這些優(yōu)勢(shì)都隨之減弱直至消失。因此，需要探索新的超聲振動(dòng)模式，以便從根源上擺脫傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削理論的束縛，從而實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)切削技術(shù)的高速化應(yīng)用。

近年來(lái)，北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)課題組提出了高速波動(dòng)式切削這一新型振動(dòng)切削方法，為難加工材料的高效低損傷加工開辟了可行的技術(shù)途徑，其與一維超聲振動(dòng)切削技術(shù)和橢圓超聲振動(dòng)切削技術(shù)的對(duì)比如圖1所示[4]（其中，v、f和ap分別表示切削速度、進(jìn)給量和切深；F和A分別表示振動(dòng)頻率和振幅）。不同于一維超聲振動(dòng)切削和橢圓超聲振動(dòng)切削中存在的切削速度方向振動(dòng)，高速波動(dòng)式切削創(chuàng)造性地將切削振動(dòng)方向變?yōu)榇怪庇谇邢魉俣确较?。此舉可以突破前兩者的切削速度限制，進(jìn)而極大地提升超聲振動(dòng)切削的切削速度和分離效果。

圖1 3 種振動(dòng)切削模式對(duì)比示意圖[4]Fig.1 Comparison diagram of three vibration cutting modes[4]

工件旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間由機(jī)床轉(zhuǎn)速n決定，超聲振動(dòng)一個(gè)周期的時(shí)間由超聲振動(dòng)的頻率F決定。以上兩個(gè)時(shí)間量沒(méi)有特定數(shù)值關(guān)系，因此在高速波動(dòng)式切削中切削當(dāng)前轉(zhuǎn)和前一轉(zhuǎn)的刀具軌跡存在位置差異。通常以相位差來(lái)確定兩個(gè)周期性變化的物理量之間的位置差異。在高速波動(dòng)式切削的情況下，相位角ψ用于描述當(dāng)前圈軌跡和前一圈軌跡之間的相位差。

定義高速波動(dòng)式切削的頻轉(zhuǎn)比Λ為

那么，相位角ψ可表示為

式中，中括號(hào)[]表示高斯取整函數(shù)。其物理含義解釋如下：超聲頻率一般高于20kHz，n/60 表示工件旋轉(zhuǎn)頻率且一般在100Hz 以下，因此兩者并不總是可以整除。當(dāng)恰好能夠整除時(shí)，說(shuō)明在初相位 （或者波峰及波谷）處相鄰轉(zhuǎn)軌跡對(duì)應(yīng)的角度相同，也稱零相位差。當(dāng)不能整除時(shí)，頻轉(zhuǎn)比由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，小數(shù)部分確定了相鄰兩轉(zhuǎn)的位置關(guān)系，并且由小數(shù)部分可計(jì)算得出相位角。

如圖2所示[4]，為實(shí)現(xiàn)高速波動(dòng)式切削的斷續(xù)切削，需要使刀具切削軌跡相交，這對(duì)進(jìn)給量和相位差提出了參數(shù)選擇的區(qū)間范圍，也被稱為高速波動(dòng)式切削的分離條件。

圖2 高速波動(dòng)式切削的分離條件[4]Fig.2 Separation conditions of high-speed ultrasonic vibration cutting[4]

文獻(xiàn)[4–5]詳細(xì)推導(dǎo)了高速波動(dòng)式切削過(guò)程的分離條件，具體表示為

對(duì)于傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削，其切削速度受到臨界切削速度（即2πFA）的限制。然而，式（3）表明，高速波動(dòng)式切削突破了臨界切削速度的限制，因此在任意切削速度下仍然可以實(shí)現(xiàn)斷續(xù)切削。同時(shí)，由于振動(dòng)特性的引入，高速波動(dòng)式切削在高切削速度下仍然具有良好的切削工藝效果，如較低的切削力、較高的切削穩(wěn)定性、較小的刀具磨損和較好的表面質(zhì)量等。這些工藝優(yōu)勢(shì)使得振動(dòng)切削的應(yīng)用范圍得到極大拓展，從工藝方法上來(lái)說(shuō)，其從最早提出的車削工藝逐漸發(fā)展成銑削、鉆削、磨削等多種加工工藝。下文主要從車削、銑削、制孔3 方面對(duì)高速波動(dòng)式切削的工程應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2 高速波動(dòng)式車削技術(shù)進(jìn)展

以外圓車削為例，普通車削和高速波動(dòng)式車削的示意圖如圖3所示。當(dāng)車削圓柱形工件時(shí)，機(jī)床主軸帶動(dòng)的工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，普通車削和高速波動(dòng)式車削呈現(xiàn)出不同的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在普通車削中，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由機(jī)床溜板箱提供，在其與主運(yùn)動(dòng)的同時(shí)作用下，通過(guò)刀具去除多余工件材料并獲得已加工表面。高速波動(dòng)式車削過(guò)程中對(duì)切削刀具施加具有微米級(jí)振幅的超聲頻振動(dòng) （頻率一般高于20kHz），因而高速波動(dòng)式車削過(guò)程中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不同于普通車削過(guò)程中的線性進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。高速波動(dòng)式車削過(guò)程中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由兩種運(yùn)動(dòng)合成：機(jī)床溜板箱提供的線性進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（與普通車削過(guò)程的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相同）和軸向的高頻超聲振動(dòng)。

圖3 普通車削和高速波動(dòng)式車削原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of ordinary turning and high-speed ultrasonic vibration turning

自高速波動(dòng)式切削提出之后，在鈦合金[4–9]、高溫合金[10–11]、淬硬鋼[12]以及復(fù)合材料等難加工材料的高質(zhì)高效加工上得到了應(yīng)用。Sui 等[4]首先對(duì)鈦合金Ti–6Al–4V 開展了高速車削試驗(yàn)，研究表明，相比于普通車削，高速波動(dòng)式車削可以有效降低切削力、表面粗糙度Ra、刀具磨損率，并提高刀具的耐用度。在普通冷卻條件下，與普通車削相比，高速波動(dòng)式車削的刀具壽命最高可提升3 倍。同時(shí)，占空比是影響刀具壽命的重要因素，占空比越小，空切時(shí)間越長(zhǎng)，刀具冷卻和休息越充分，高速波動(dòng)式車削的工藝效果越好。高速波動(dòng)式車削由于提高了刀具壽命，因此在同等刀具壽命下，可以在更大的切削速度下進(jìn)行加工，有效提高材料去除率；但隨著切削速度的不斷升高，高速波動(dòng)式車削的等效速度提升緩慢，材料去除率增幅變緩，優(yōu)勢(shì)逐漸減小。

Lu 等[6]在高速切削鈦合金Ti–6Al–4V 時(shí)發(fā)現(xiàn)，與普通車削相比，高速波動(dòng)式車削可擴(kuò)大硬質(zhì)合金刀具在加工鈦合金時(shí)的應(yīng)用范圍。通過(guò)高速切削時(shí)工件與刀具的高頻分離以及高壓流體進(jìn)入切削區(qū)域，高速波動(dòng)式車削能夠降低切削力和切削熱，從而有效延長(zhǎng)刀具壽命。在高壓冷卻條件下，與普通車削相比，高速波動(dòng)式車削的切削溫度顯著降低，最高降溫幅度可達(dá)到55%，如圖4所示（其中CC、HUVC 和P分別表示普通車削、高速波動(dòng)式車削和切削液壓力）[6]。高壓冷卻下高速切削鈦合金的刀具壽命結(jié)果說(shuō)明，超聲振動(dòng)分離和高壓冷卻可顯著提高刀具壽命，在20MPa 切削液壓力、400m/min 切削速度時(shí)，高速波動(dòng)式車削相比普通車削能提升7 倍左右的刀具壽命，如圖5所示[6]；刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果顯示，高速波動(dòng)式車削在高壓冷卻條件下可顯著減小刀具熱磨損 （包括黏結(jié)和擴(kuò)散磨損），但速度升到500m/min時(shí)刀具因沖擊過(guò)大會(huì)出現(xiàn)微崩刃而失去精密切削能力。

圖4 加工鈦合金時(shí)的切削溫度對(duì)比[6]Fig.4 Comparison of cutting temperature when machining titanium alloy[6]

圖5 高壓冷卻條件下刀具后刀面磨損量對(duì)比[6]Fig.5 Comparison of tool flank wear under high pressure cooling[6]

Peng 等[10]開展了高溫合金Inconel的高速切削試驗(yàn)，結(jié)果表明，在切削速度為80～240m/min 的范圍內(nèi)，高速波動(dòng)式車削的刀具切削長(zhǎng)度最高是普通車削的刀具切削長(zhǎng)度的2.5倍 （圖6）。在相同的切削速度下，高速波動(dòng)式車削在切削液壓力為5MPa時(shí)的刀具切削長(zhǎng)度比普通車削過(guò)程在切削液壓力為20MPa 時(shí)的刀具切削長(zhǎng)度要高；這說(shuō)明通過(guò)使用高速波動(dòng)式車削，可有效減小切削系統(tǒng)對(duì)高壓冷卻裝置的要求和依賴。對(duì)高溫合金進(jìn)行精加工時(shí)，相比于普通車削，高速波動(dòng)式車削具有更低的切削力、更小的切屑尺寸、更低的切削溫度、更低的表面粗糙度Ra。切削力和切削溫度最大可分別降低32.59%和20.9%（切削溫度如圖7所示[10]）。同時(shí)，在同等刀具耐用度的前提下，高速波動(dòng)式車削相比于普通車削可以使用更高的切削速度。例如，相比于切削速度為80m/min 的普通車削，在保證切削長(zhǎng)度相同的前提下，高速波動(dòng)式車削可使用240m/min的切削速度進(jìn)行加工，從而使加工時(shí)間縮短至原來(lái)的1/3，加工效率提升3 倍。

圖6 普通切削和波動(dòng)切削過(guò)程中切削速度和切削液壓力對(duì)刀具壽命的影響[10]Fig.6 Effect of cutting speed and fluid pressure on tool life in ordinary cutting and high-speed ultrasonic vibration cutting[10]

圖7 切削溫度隨切削速度和進(jìn)給量的變化[10]Fig.7 Variation of cutting temperature with cutting speed and feed rate[10]

同時(shí)，Peng 等[13]使用高速波動(dòng)式切削首次加工出厚度僅為0.6mm的鈦合金薄壁筒。圖8[14]比較了普通切削和高速波動(dòng)式切削獲得鈦合金薄壁筒的表面粗糙度。當(dāng)薄壁筒厚度減小時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差使普通切削和高速波動(dòng)式切削獲得的表面粗糙度增加。普通切削加工獲得的表面粗糙度隨著壁厚的減小而迅速增加，高速波動(dòng)式切削加工獲得的表面粗糙度隨著壁厚從2mm 減小到0.6mm 時(shí)增加較為緩慢。在相同壁厚時(shí)，高速波動(dòng)式切削加工獲得的表面粗糙度Ra比普通切削加工降低了11.7%～20.4%。與普通切削相比，應(yīng)用高速波動(dòng)式切削加工鈦合金薄壁筒可獲得更低的表面粗糙度、更小的切削力、更高的加工精度、更穩(wěn)定的切削過(guò)程等[14]。

圖8 加工鈦合金薄壁筒工件獲得的表面粗糙度[14]Fig.8 Surface roughness obtained by machining titanium alloy thin-walled cylinder[14]

綜上所述，高速波動(dòng)式切削提出之后，在鈦合金、高溫合金、淬硬鋼等方面得到了有效應(yīng)用。其取得的高效低損傷加工效能可歸因于以下兩點(diǎn)： （1）在難加工材料特有的綜合性能限制了切削速度和切削效率的前提下，高速超聲波動(dòng)式切削可在較高切削速度下對(duì)難加工材料進(jìn)行切削，同時(shí)保證了刀具耐用度；（2）相比于普通切削，高速超聲波動(dòng)式切削獲得了較低的表面粗糙度，因而為難加工材料的低損傷加工提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 高速波動(dòng)式銑削技術(shù)進(jìn)展

傳統(tǒng)超聲縱振銑削、超聲縱扭復(fù)合橢圓振動(dòng)銑削都屬于低速超聲振動(dòng)銑削范疇，因此在航空制造領(lǐng)域很難滿足高效加工的行業(yè)要求。北京航空航天大學(xué)提出的高速波動(dòng)式銑削方法是將超聲橢圓振動(dòng)加載在刀具橫向平面內(nèi)，對(duì)于側(cè)銑加工來(lái)說(shuō)，在XOY平面內(nèi)附加超聲頻率為f的二維橢圓振動(dòng)，設(shè)定初始時(shí)刻二維振動(dòng)中振幅較大的振動(dòng)方向與Y軸重合，振幅較小的方向與X軸重合，并且振動(dòng)的起始點(diǎn)位于長(zhǎng)軸最高位置處，二維振動(dòng)的方向沿順時(shí)針?lè)较?，即與刀具回轉(zhuǎn)的方向一致。當(dāng)切削速度滿足v>max（2πaf，2πbf）時(shí)，其材料去除過(guò)程如圖9所示[15]，切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡為波動(dòng)式振切軌跡。

圖9 高速波動(dòng)式銑削原理示意圖[15]Fig.9 Diagram of high-speed wave-motion ultrasonic milling principle[15]

在波動(dòng)式側(cè)銑削過(guò)程中，材料的去除過(guò)程由當(dāng)前刀齒刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡與前面多個(gè)刀齒刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡已形成的表面輪廓間的相互關(guān)系決定，如圖10 所示[15]，切削單元由多個(gè)刀齒的運(yùn)動(dòng)軌跡線包絡(luò)而成，加工過(guò)程中的瞬時(shí)切削厚度為當(dāng)前刀齒刀尖位置P與已形成的輪廓和的交點(diǎn)K之間的距離。Liu 等[15]定義了振動(dòng)周期延遲系數(shù)K為定量描述波動(dòng)式銑削工藝分離程度的參量。振動(dòng)周期延遲系數(shù)K=0.25 時(shí)分離型波動(dòng)式銑削切削和普通銑削條件下生成的切屑如圖11 所示[15]，切屑寬度相比普通切屑的寬度明顯變窄，約為30μm。振動(dòng)周期延遲系數(shù)K=0.25所對(duì)應(yīng)的波動(dòng)式銑削過(guò)程中獲得較窄的針狀切屑表明波動(dòng)式銑削在合理的參數(shù)匹配條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高速分離斷續(xù)加工，其良好的斷屑和排屑性能使得切削加工過(guò)程中的切屑熱能夠被及時(shí)帶走而不傳遞給刀具，對(duì)于切削溫度的降低有重要影響。

圖10 高速波動(dòng)式側(cè)銑削厚度模型[15]Fig.10 Cutting thickness model of high-speed wave-motion ultrasonic side milling[15]

圖11 高速波動(dòng)式側(cè)銑和普通側(cè)銑切屑形貌對(duì)比[15]Fig.11 Chip morphology comparison of high-speed wave-motion ultrasonic side milling and ordinary milling[15]

Zhang 等[16]研究了不同的冷卻液壓力和切削速度下波動(dòng)式銑削和普通銑削刀具后刀面磨損規(guī)律，如圖12 所示。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用高壓冷卻時(shí)，兩種方法的后刀面磨損變化速率是完全不同的。在80m/min 的切削速度和5MPa 的高壓冷卻條件下，波動(dòng)式銑削與普通銑削的刀具壽命比約為5.5。當(dāng)冷卻液壓力增加到20MPa時(shí)，刀具壽命比將進(jìn)一步擴(kuò)展到6.9。在高切削速度 （120m/min 和160m/min）下也觀察到類似趨勢(shì)。盡管隨著切削速度的增加波動(dòng)式分離切削模式帶來(lái)的出色冷卻和潤(rùn)滑效果被削弱，波動(dòng)式銑削仍然可以在相當(dāng)?shù)毒吣陀枚鹊那疤嵯?，提高一倍以上切削線速度。

圖12 冷卻壓力和切削速度對(duì)刀具后刀面磨損影響[16]Fig.12 Influence of cooling pressure and cutting speed on tool flank wear[16]

Zhang 等[17–18]研究了高速波動(dòng)切削對(duì)鈦合金Ti–6Al–4V 端銑加工表面顯微組織的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)高速波動(dòng)式銑削加工后，加工表面展現(xiàn)出均勻的山脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，并且表面未發(fā)現(xiàn)明顯的加工損傷。相比普通銑削加工，高速波動(dòng)式銑削的加工表面顯微硬化率由21.22%提高至33.84%。另外，高速波動(dòng)式銑削的加工亞表面出現(xiàn)了更為明顯的塑性變形，晶粒結(jié)構(gòu)更為微細(xì) （圖13[17]，其中左側(cè)為TEM 圖像，右側(cè)為相應(yīng)SEAD 模式下的連續(xù)衍射環(huán)），這將對(duì)零部件抗疲勞性能提升存在積極作用。

圖13 鈦合金銑削表面顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比 [17]Fig.13 Surface microstructure comparison of titanium alloy milling[17]

Liu[15]和劉佳佳[19]等開展了高速波動(dòng)式銑削鈦合金Ti–6Al–4V 表面完整性研究，從加工表面形貌、表面粗糙度、表層材料微觀組織變化、表層殘余應(yīng)力分布以及表層加工硬化分析了高速波動(dòng)式銑削參數(shù)對(duì)鈦合金表面完整性的影響規(guī)律及作用機(jī)理，采用白光干涉儀對(duì)加工表面形貌進(jìn)行觀察并獲得表面粗糙度信息，通過(guò)合理匹配切削用量和振動(dòng)參數(shù)可以顯著降低高速波動(dòng)式銑削加工表面粗糙度值。高速波動(dòng)式銑削鈦合金表面的均勻性優(yōu)于普通銑削加工表面，表面缺陷明顯減少；參數(shù)匹配對(duì)高速波動(dòng)式銑削加工表層顯微組織變形影響顯著。高速波動(dòng)式銑削在低速、小進(jìn)給條件下獲得的表面層顯微組織變形顯著，晶粒細(xì)化明顯；在高速、大進(jìn)給條件下獲得的表面層顯微組織變形較??；高速波動(dòng)式銑削相比普通銑削能夠在加工表面上獲得較大殘余壓應(yīng)力，刀具切削刃后刀面對(duì)加工表面強(qiáng)烈的擠光作用及犁切造成的加工表面二次塑性變形是高速波動(dòng)銑削表面獲得殘余壓應(yīng)力的主要原因，證實(shí)高速波動(dòng)式銑削是一項(xiàng)抗疲勞制造技術(shù)。隨著切削速度、進(jìn)給量的提高，高速波動(dòng)式銑削獲得的鈦合金表面加工硬化減小，這有助于刀具壽命的提升。

4 高速波動(dòng)式制孔技術(shù)進(jìn)展

傳統(tǒng)制孔過(guò)程中切削空間封閉，冷卻液無(wú)法進(jìn)入切削空間，且排屑困難，使得制孔時(shí)軸向力和切削溫度較大。這一問(wèn)題在難加工材料制孔時(shí)主要體現(xiàn)為刀具擴(kuò)散磨損速度快，工件變形大，孔徑偏差、圓度誤差、出口毛刺均較為嚴(yán)重。并且難加工材料制孔過(guò)程中產(chǎn)生連續(xù)切屑，在排出過(guò)程中會(huì)劃傷孔表面，降低表面加工質(zhì)量。

邵振宇[20]在理論分析了超聲振動(dòng)鉆削過(guò)程中慮及刀具切削刃鈍圓半徑的切削刃真實(shí)切削狀態(tài)后，將切削刃從中心到外緣分為小波長(zhǎng)、中波長(zhǎng)和大波長(zhǎng)切削狀態(tài)，進(jìn)而提出了高速波動(dòng)式鉆削方法，其原理圖如圖14 所示，研究了基于實(shí)際切削狀態(tài)模型的高速波動(dòng)式鉆削的分離、斷屑、刀具磨損機(jī)理。

圖14 高速波動(dòng)式鉆削原理圖[20]Fig.14 Diagram of high-speed wave-motion ultrasonic drilling principle[20]

邵振宇等[21]利用高速波動(dòng)式鉆削進(jìn)行鈦合金鉆削試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比普通鉆削，高速波動(dòng)式鉆削使軸向鉆削力降低了19.07%～20.09%，同時(shí)扭矩也降低了31.66%～34.3%。此外，由于超聲分離式斷續(xù)切削，孔入口處的切屑（圖15[21]）表現(xiàn)為Ⅰ區(qū)斷續(xù)扇形單元切屑和較短的細(xì)絲狀切屑，隨著鉆削深度增加，切屑變?yōu)棰髤^(qū)短帶狀單元切屑，不會(huì)產(chǎn)生切屑纏繞。普通鉆削則是連續(xù)切削過(guò)程，切屑為連續(xù)長(zhǎng)帶狀，易纏繞刀具、劃傷孔表面，如圖16 所示[21]。

圖15 高速波動(dòng)式鉆削的鈦合金切屑形態(tài)[21]Fig.15 Chip morphology of titanium alloy in high-speed ultrasonic vibration drilling[21]

圖16 普通鉆削的鈦合金切屑形態(tài)[21]Fig.16 Chip morphology of titanium alloy in conventional drilling[21]

邵振宇等[22]還對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）孔進(jìn)行高速波動(dòng)式鉆削，發(fā)現(xiàn)高速波動(dòng)式鉆削的切削力和扭矩相比普通鉆削分別降低41.46%～46.32% 和41.61%～48.94%，且有效抑制了CFRP 孔出入口及孔壁分層撕裂、纖維損失等缺陷，極大地改善了CFRP 的制孔質(zhì)量，如圖17 所示。

圖17 鉆削CFRP 孔壁形貌對(duì)比[22]Fig.17 Comparison of drilling CFRP hole wall morphology[22]

高速波動(dòng)式鉆削同樣在CFRP/Ti疊層材料鉆削中取得了成功應(yīng)用[23]。在CFRP/Ti 疊層材料一步鉆孔中，高速波動(dòng)式鉆削在疊層界面處出現(xiàn)了切削溫度下降的現(xiàn)象，且在鈦合金層鉆削階段，高速波動(dòng)式鉆削的切削溫度均低于普通鉆削，如圖18所示[23]。同時(shí)，高速波動(dòng)式鉆削還有效減少了CFRP 層孔出口處由于界面溫度過(guò)高引起的分層缺陷。此外，高速波動(dòng)式鉆削相比普通鉆削將CFRP 層的平均軸向力降低了41.2% ～46.8%，鈦合金層的平均軸向力降低了15.2%～26.1%，鉆頭磨損也得到了有效改善[24]。

圖18 CFRP/Ti 疊層鉆削溫度變化曲線[23]Fig.18 Drilling temperature variation curve of CFRP/Ti stack[23]

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蒙皮是新一代戰(zhàn)機(jī)和寬體民機(jī)的結(jié)構(gòu)特征之一。磨鉆加工是利用空心磨削刀具將待加工孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工的一種方法，具有軸向推力小、復(fù)材孔出口損傷小的優(yōu)點(diǎn)。然而，普通磨鉆加工存在排屑路徑長(zhǎng)、易堵屑的問(wèn)題。為此，Liu 等[25]和Geng 等[26–27]提出了一種波動(dòng)式磨削 （RUEM）方法，如圖19 所示[25]，在波動(dòng)式磨削過(guò)程中，金剛石鉆頭端部在垂直于刀具軸的平面 （XY平面）內(nèi)以微小橢圓軌跡振動(dòng)，而橢圓振動(dòng)是由兩組正交壓電陶瓷片激發(fā)的兩個(gè)彎曲振動(dòng)疊加而成。一方面，該方法橫向振動(dòng)模式增大了刀具側(cè)面排屑空間，增強(qiáng)了刀具排屑能力，避免了刀具切屑黏結(jié)[27–30]。另一方面，該方法通過(guò)分離切削模式可顯著降低切削力和切削溫度，進(jìn)而降低孔出口分層損傷和提高孔表面加工質(zhì)量。此外，波動(dòng)式磨削技術(shù)也可應(yīng)用于復(fù)合材料切邊，具有提高毛邊去除能力、降低刀具磨損的工藝效果[31–32]。

圖19 波動(dòng)式磨削示意圖[25]Fig.19 Diagram of wave-motion grinding principle[25]

Geng 等[33]將橫向橢圓振動(dòng)引入鉸孔工藝提出了波動(dòng)式鉸孔方法，該方法將傳統(tǒng)超聲振動(dòng)制孔中縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪庇诳妆砻娴某曊駝?dòng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，波動(dòng)式鉸孔可顯著降低切削力，提高復(fù)材/鈦合金疊層孔徑精度和復(fù)材/鈦合金孔徑階差，降低了孔表面粗糙度和加工損傷。在此基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)波動(dòng)式鉸孔方法不但可以提高加工精度還能大幅提高亞表面塑性變形層的厚度、表面與亞表面的顯微硬度和殘余壓應(yīng)力，如圖20 所示[34]。因此，波動(dòng)式鉸孔方法是一種精強(qiáng)一體化制孔新方法，通過(guò)切擠一體化工藝可以實(shí)現(xiàn)緊固孔在精加工過(guò)程中同時(shí)兼顧孔強(qiáng)化效能，不額外單獨(dú)增加孔冷擠壓工序即可實(shí)現(xiàn)精密強(qiáng)化一步的新型精加工工藝。

圖20 鈦合金緊固孔波動(dòng)式鉸孔孔壁殘余應(yīng)力曲線[34]Fig.20 Residual stress curve of wave-motion reaming hole wall of titanium alloy fastening hole[34]

5 高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

在工程應(yīng)用方面，北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)高速波動(dòng)式超聲加工裝備的生產(chǎn)適用性問(wèn)題，發(fā)明了可互換高效激振技術(shù)與系列化高速波動(dòng)式超聲加工裝備，包括高速波動(dòng)式超聲車床刀柄、銑床刀柄、制孔工具、滾壓刀柄4 大系列，研發(fā)了新一代殲擊機(jī)、艦載機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的連接孔系、傳動(dòng)軸系、作動(dòng)筒系等難加工構(gòu)件高速波動(dòng)式超聲加工裝備，典型裝備如圖21 所示。在裝備應(yīng)用適應(yīng)性研究方面突破的核心技術(shù)包括波動(dòng)式超聲加工系統(tǒng)的高效能量傳輸技術(shù)、可互換高效激振及傳振適應(yīng)性技術(shù)、波動(dòng)式加工表面刀痕精準(zhǔn)振控技術(shù)、抗負(fù)載諧振頻率跟蹤技術(shù)和機(jī)電器件融合縮減技術(shù)等[35–41]。

圖21 高速波動(dòng)式超聲加工典型裝備Fig.21 Typical equipment of high-speed wave-motion ultrasonic machining

6 結(jié)論

本文結(jié)合航空工業(yè)中難加工材料可加工性差、加工質(zhì)量低、刀具磨損快等亟待解決的工程問(wèn)題，以及傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削技術(shù)亟待突破的臨界速度限問(wèn)題，綜述了高速波動(dòng)式超聲加工這一新技術(shù)的研究進(jìn)展?，F(xiàn)有研究進(jìn)展表明，高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)不僅成功突破了傳統(tǒng)超聲振動(dòng)切削的臨界速度限問(wèn)題，而且可以成倍提高現(xiàn)有難加工合金材料的切削線速度，實(shí)現(xiàn)難加工合金構(gòu)件高速精細(xì)加工，進(jìn)而大幅提高材料去除率、降低加工損傷。未來(lái)，面向航空航天應(yīng)用，研究人員還需在以下3 個(gè)方面進(jìn)一步對(duì)高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)開展深入研究。

（1）高速波動(dòng)式加工技術(shù)通過(guò)將傳統(tǒng)切削加工的連續(xù)切削模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贁嗬m(xù)切削模式，實(shí)現(xiàn)了難加工材料特別是難加工合金的高速精細(xì)切削，為航空航天難加工構(gòu)件的高效低損傷加工提供了新的途徑。盡管如此，仍然需要在深入揭示波動(dòng)式切削機(jī)理的基礎(chǔ)上，從先進(jìn)刀具材料及幾何結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻方法、智能控制等方面優(yōu)化工藝條件，進(jìn)一步提升高速波動(dòng)式超聲加工的加工效能。

（2）北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)前期針對(duì)高速波動(dòng)式超聲加工裝備的生產(chǎn)適用性問(wèn)題，突破了系列關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)明了高速波動(dòng)式超聲車、銑、鉆、滾壓刀柄機(jī)床附件、工具及機(jī)器人裝備。然而，針對(duì)當(dāng)前我國(guó)航空航天型號(hào)量產(chǎn)面臨的產(chǎn)能不足的問(wèn)題，亟待進(jìn)一步優(yōu)化高速波動(dòng)式超聲加工裝備，對(duì)裝備的工藝適應(yīng)性開展深入研究，為航空航天型號(hào)量產(chǎn)做好技術(shù)準(zhǔn)備。

（3）高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)通過(guò)高速精細(xì)加工途徑實(shí)現(xiàn)了難加工材料構(gòu)件高效低損傷加工，當(dāng)前研究也發(fā)現(xiàn)波動(dòng)式加工可以通過(guò)工藝參數(shù)和刀具結(jié)構(gòu)的合理匹配實(shí)現(xiàn)加工表面很大的塑性變形和殘余壓應(yīng)力，即精強(qiáng)一體化效果。如何通過(guò)高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)在精加工工序中引入可觀的強(qiáng)化效果，將是高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。精強(qiáng)一體化高速波動(dòng)式超聲加工技術(shù)具有覆蓋面廣、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可成為傳統(tǒng)強(qiáng)化工藝的補(bǔ)充甚至部分替代。