許超，袁信滿，關(guān)艷英，莊百亮，查慧婷，龔濤，王健健，張翔宇，馬原，趙學(xué)奇

1. 清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院先進(jìn)制造學(xué)部 廣東深圳 518055

2. 深圳市青鼎裝備有限公司 廣東深圳 518100

3. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 四川成都 610031

4. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 陜西西安 710089

5. 中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)江蘇分院有限公司 江蘇常州 213164

6. 廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 福建廈門(mén) 361024

7. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院超聲技術(shù)研究所 廣東深圳 518055

8. 清華大學(xué)機(jī)械工程系 北京 100084

1 序言

近年來(lái)，先進(jìn)工程材料在航空航天、汽車(chē)、半導(dǎo)體、3C和醫(yī)療等制造業(yè)領(lǐng)域中不斷涌現(xiàn)，如鈦合金、高溫合金、工程陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料以及蜂窩復(fù)合材料等，這些材料具有優(yōu)異的使用性能，然而機(jī)械加工性能很差，屬于典型的難加工材料[1]。在使用傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)對(duì)這些材料進(jìn)行精密加工時(shí)遇到了一定的瓶頸，一種新型的制造工藝技術(shù)——超聲加工技術(shù)，即Ultrasonic Machining（UM），受到越來(lái)越多的關(guān)注并得到大量的應(yīng)用。

超聲加工技術(shù)是一種通過(guò)超聲波振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)難加工材料精密去除的工藝技術(shù)，該技術(shù)是將超聲波振動(dòng)能量通過(guò)一系列結(jié)構(gòu)的傳播和變換聚焦在刀具的工作區(qū)域，從而形成被切削材料的沖擊去除效果，進(jìn)而可以提高眾多難加工材料的可加工性能。該技術(shù)在加工過(guò)程中具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如：降低切削力和減少切削熱、減小刀具磨損和崩邊毛刺、優(yōu)化切屑形態(tài)、提高表面質(zhì)量、降低亞表面損傷以及提高加工效率等（每個(gè)加工工藝具體的改善效果因超聲刀具、材料、工藝等的不同而存在一定的差別）[2-6]。超聲加工技術(shù)是一種基于功率超聲技術(shù)發(fā)展起來(lái)的特種加工技術(shù)，它本質(zhì)上是一個(gè)物理去除過(guò)程，不涉及材料性質(zhì)的改變。隨著市場(chǎng)化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，超聲加工技術(shù)中商用標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)也成為了目前市場(chǎng)需求的重點(diǎn)，相關(guān)的超聲加工技術(shù)開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室，在眾多典型難加工材料的精密加工中得到應(yīng)用，如：光學(xué)玻璃、藍(lán)寶石、陶瓷、氧化鋁陶瓷、鈦合金、高溫合金、碳纖維復(fù)合材料以及鋁基碳化硅復(fù)合材料等[7-12]，其應(yīng)用領(lǐng)域及典型案例如圖1所示。近幾年，國(guó)內(nèi)難加工材料的大量應(yīng)用，帶來(lái)了較多的超聲加工技術(shù)應(yīng)用需求，促使了該技術(shù)的市場(chǎng)化，多家科研機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)紛紛開(kāi)始進(jìn)行超聲加工技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

圖1 超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域及典型案例

2 超聲加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

“工欲善其事，必先利其器”，超聲加工技術(shù)是針對(duì)難加工材料精密加工的利器。在大多數(shù)切削加工領(lǐng)域，超聲加工更確切的名稱應(yīng)該為“超聲輔助精密加工”，即在傳統(tǒng)切削加工技術(shù)上輔助超聲振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)特殊的材料去除效果。但在某些特殊情況下，超聲振動(dòng)也會(huì)成為主要的甚至唯一的切削動(dòng)力，這類(lèi)超聲加工技術(shù)可直接稱之為超聲加工，例如：在醫(yī)療領(lǐng)域常使用的超聲手術(shù)刀，用于骨骼切割[13]；在航空蜂窩材料的零件加工過(guò)程中大量使用的超聲匕首刀，可實(shí)現(xiàn)高效、綠色加工[14]。

早在20世紀(jì)20年代，美國(guó)、日本、德國(guó)以及蘇聯(lián)的科學(xué)家便開(kāi)始振動(dòng)加工的基礎(chǔ)研究，而早期研究主要集中在通過(guò)改善切削條件實(shí)現(xiàn)材料斷屑等方面，主要應(yīng)用也是在超聲車(chē)削領(lǐng)域，該階段主要的特點(diǎn)是低頻率振動(dòng)加工，其頻率和現(xiàn)在的超聲頻率（15kHz以上）有著較大的差別[15]。進(jìn)入21世紀(jì)后，機(jī)床制造商德馬吉森精機(jī)推出了商業(yè)化超聲加工機(jī)床整機(jī)，成為了較早將超聲加工技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化的企業(yè)。

2000年前后，由于各式各樣難加工材料層出不窮，因此國(guó)內(nèi)各個(gè)高校、研究院所掀起了研究超聲加工技術(shù)的熱潮，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)以及河南理工大學(xué)等高校開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，涉及超聲加工技術(shù)中的裝備設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、超聲加工系統(tǒng)和超聲工藝等各個(gè)方面[16-17]。

超聲加工技術(shù)經(jīng)歷了從起步到2000年左右的萌芽階段，再經(jīng)過(guò)近20余年的快速發(fā)展階段，近5年以來(lái)，難加工材料的快速大量應(yīng)用加速了超聲加工技術(shù)的商用化發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外在超聲加工裝備、超聲振動(dòng)控制、工藝等方面的技術(shù)逐步成熟，也推動(dòng)了人們對(duì)超聲加工技術(shù)的基本要求、工作機(jī)理、工藝特性以及應(yīng)用領(lǐng)域的深入理解。與此同時(shí)，開(kāi)展超聲加工技術(shù)研究的高校和研究院所越來(lái)越多，涉及的超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。

3 超聲加工技術(shù)基本原理

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于超聲加工技術(shù)的理解仍在不斷發(fā)展過(guò)程中，尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。常規(guī)超聲加工系統(tǒng)主要包含超聲驅(qū)動(dòng)控制器、超聲發(fā)射器、換能器、變幅桿、夾持結(jié)構(gòu)和刀具等，如圖2所示。本文將從超聲加工系統(tǒng)的分類(lèi)、典型超聲加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、超聲驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)和超聲工藝技術(shù)等方面介紹超聲加工技術(shù)的特點(diǎn)。

圖2 超聲加工系統(tǒng)主要部件

3.1 超聲加工系統(tǒng)分類(lèi)

按照超聲振動(dòng)形式可分為：一維超聲加工、二維超聲加工及三維超聲加工等。振動(dòng)形式包括：縱（軸）向超聲振動(dòng)加工、扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)加工、橢圓超聲振動(dòng)加工以及復(fù)合超聲振動(dòng)加工，其中復(fù)合超聲振動(dòng)又涉及不同超聲振動(dòng)形態(tài)的復(fù)合[18]。

按照超聲起振材料可分為：電致伸縮式超聲加工和磁致伸縮式超聲加工。目前常用的電致伸縮式超聲加工主要是基于壓電陶瓷的起振原理，通過(guò)施加電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟，但振動(dòng)功率有限，比較適合輕載荷切削工況；磁致伸縮式是基于磁致伸縮或超磁致伸縮材料的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)原理，其振動(dòng)功率容量大，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，比較適合重載荷切削工況[19]。

按照能量傳輸方式可分為：有線能量傳輸式超聲加工和無(wú)線能量傳輸式超聲加工。有線能量傳輸式超聲加工常用于無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者采用電刷等低轉(zhuǎn)速的加工中；無(wú)線能量傳輸式超聲加工一般使用在旋轉(zhuǎn)超聲加工（Rotary Ultrasonic Machining，RUM）中，無(wú)線能量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)是基于松耦合非接觸方法，又可以分為全耦合式超聲加工、部分耦合式超聲加工。就目前技術(shù)發(fā)展來(lái)看，考慮到機(jī)床自動(dòng)換刀問(wèn)題，部分耦合式的無(wú)線能量傳輸方式是目前適應(yīng)性最強(qiáng)的方式。

按照工藝種類(lèi)可分為：超聲銑削加工、超聲車(chē)削加工、超聲鉆孔加工、超聲磨削加工、超聲拋光加工、超聲切割加工和超聲硬化（強(qiáng)化），每種工藝對(duì)超聲能量的大小和振動(dòng)形式都有著特殊的要求。

按照零件加工精度可分為：精密超聲加工和超精密超聲加工[20-21]，二者主要區(qū)別在于單位切削的材料去除量，一般把精度要求＜1μm的去除認(rèn)為是超精密超聲加工，比較典型的是橢圓超聲加工，比較適合微納切削。

按加工切削速度可分為：傳統(tǒng)超聲加工和高速超聲加工。高速超聲加工一般是指線速度達(dá)到400m/min的超聲加工。

3.2 典型超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

典型超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括超聲驅(qū)動(dòng)控制器、無(wú)線電能傳輸模塊、超聲刀柄、刀具、數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床本體等，其中超聲驅(qū)動(dòng)控制器包括超聲波發(fā)生器、超聲波功率放大器、超聲反饋檢測(cè)和超聲控制器等部分。超聲波發(fā)射器與超聲波接收器統(tǒng)一構(gòu)成了無(wú)線電能傳輸模塊。超聲刀柄是超聲加工系統(tǒng)的主要功能部件，一般由超聲波接收器、換能器、變幅桿等組成。超聲加工系統(tǒng)與機(jī)床自身數(shù)控系統(tǒng)需保持一定的通信控制能力，保證整個(gè)加工過(guò)程的順利進(jìn)行。

圖3 典型超聲加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

3.3 超聲加工系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

超聲加工系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超聲加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)的靈魂，控制器的性能更是反映超聲加工性能的關(guān)鍵。在實(shí)際加工過(guò)程中，超聲驅(qū)動(dòng)控制器需要控制的參數(shù)非常多，除最基礎(chǔ)也是最重要的超聲頻率和功率外，超聲加工系統(tǒng)的頻率分辨率、響應(yīng)速度、振幅波動(dòng)性等也在加工過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，眾多控制參數(shù)共同決定了超聲加工系統(tǒng)的極限切削能力，這些參數(shù)是決定材料加工是否有效的關(guān)鍵，也是研究超聲加工工藝的技術(shù)條件。

實(shí)際加工過(guò)程中，刀具切入、切出材料過(guò)程是一個(gè)典型的強(qiáng)時(shí)變負(fù)載過(guò)程，即：在極短時(shí)間內(nèi)切削力變化巨大，這個(gè)過(guò)程中超聲加工系統(tǒng)的阻抗特性、控制系統(tǒng)中的電學(xué)特性都將發(fā)生較大的突變。因此，保證這個(gè)過(guò)程中振幅的穩(wěn)定至關(guān)重要，超聲控制器頻率的分辨率和精度、系統(tǒng)響應(yīng)速度是該過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。圖4所示為一個(gè)典型超聲切削加工過(guò)程中系統(tǒng)表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)特征的變化情況。

從圖4可以看出：當(dāng)?shù)毒唛_(kāi)始進(jìn)入加工狀態(tài)時(shí)，加工過(guò)程中的切削力瞬間增加，此時(shí)為了保證切削過(guò)程中超聲振幅的穩(wěn)定性，系統(tǒng)會(huì)調(diào)整內(nèi)部的控制參數(shù)（如頻率、功率等），使得加工過(guò)程中振幅處于穩(wěn)定狀態(tài)。相似的過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)在刀具切出被加工材料的時(shí)刻。

圖4 超聲加工系統(tǒng)狀態(tài)特征變化情況

超聲加工過(guò)程中，負(fù)載、溫度的變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)特性在加工過(guò)程中發(fā)生較大的變化，頻率快速追蹤是實(shí)現(xiàn)有效超聲加工的關(guān)鍵所在，常見(jiàn)的方法有最大電流法、鎖相環(huán)法、最大功率法等。此外，超聲功率自適應(yīng)控制技術(shù)也是超聲加工的重要構(gòu)成部分，其目標(biāo)是解決超聲加工過(guò)程中刀具由于受外載后振幅被抑制而無(wú)法完成有效切削的問(wèn)題。這些檢測(cè)都需要超聲加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲執(zhí)行部件實(shí)時(shí)狀態(tài)的反饋檢測(cè)，因此，超聲振動(dòng)的反饋檢測(cè)也是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定超聲加工的重要構(gòu)成部分?，F(xiàn)在眾多先進(jìn)算法在該過(guò)程中得到應(yīng)用，常見(jiàn)的算法包括PID、模糊算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，算法的核心是對(duì)加工過(guò)程中狀態(tài)的識(shí)別，從而保證加工過(guò)程的魯棒性。

4 超聲加工技術(shù)的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

針對(duì)不同特性的被加工材料，超聲加工的材料去除機(jī)理以及達(dá)到的效果有較大的區(qū)別。典型的難加工材料可分為硬脆性材料、復(fù)合材料和難加工金屬類(lèi)材料。硬脆性材料主要包括玻璃、陶瓷、鎢鋼以及陶瓷基材料等，該類(lèi)材料常采用金剛石刀具進(jìn)行加工，加工過(guò)程中主要需要考慮被加工材料的硬度以及超聲加工過(guò)程中如何降低切削力、提高加工質(zhì)量等問(wèn)題。復(fù)合材料主要包括碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料以及蜂窩類(lèi)弱剛度復(fù)合材料，該類(lèi)材料的加工主要需要根據(jù)材料特性選擇合適的超聲振動(dòng)形式及超聲振幅，以實(shí)現(xiàn)減小切削力、減緩刀具磨削的目的。難加工金屬類(lèi)材料主要包括鈦合金、高溫合金和高強(qiáng)鋼等具有一定韌性的金屬材料，該類(lèi)材料的加工主要需要解決粘刀問(wèn)題，以及降低切削溫度、減緩刀具磨損，其超聲振動(dòng)要求和硬脆性材料有著較大的區(qū)別，一般使用扭振或者縱扭方式進(jìn)行且對(duì)振幅的要求比較大，實(shí)現(xiàn)材料的完全斷續(xù)切削和切削區(qū)的高效冷卻潤(rùn)滑是金屬類(lèi)材料最理想的加工情況。

不同材料在超聲加工過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的主要工藝特性如下。

（1）硬脆材料 玻璃、陶瓷（氧化鋁、氧化鋯、碳化硅和氮化硅）、陶瓷基材料以及微晶玻璃等具有高硬度、易脆性的材料，主要加工難點(diǎn)在于加工表面損傷大、刀具耗損嚴(yán)重且加工效率低。采用超聲加工后有利于改善切削狀態(tài)，從而提高刀具壽命、提升表面質(zhì)量并提高加工效率。超聲加工和普通加工半導(dǎo)體碳化硅（SiC）時(shí)的平均切削力對(duì)比如圖5所示。

圖5 超聲加工和普通加工碳化硅時(shí)平均切削力對(duì)比

（2）復(fù)合材料 以碳纖維、芳綸纖維等為增強(qiáng)相的復(fù)合材料在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)表面損傷、撕裂分層、加工效率低以及刀具磨損快等問(wèn)題。采用超聲加工后刀具的切削能力將大大增強(qiáng)，毛刺減少、刀具壽命延長(zhǎng)。超聲加工航空蜂窩材料如圖6所示。

圖6 超聲加工航空蜂窩材料

（3）難加工金屬材料 鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋼等具有一定韌性的金屬材料在加工時(shí)加工溫度高，容易出現(xiàn)粘刀、刀具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。采用超聲加工后有利于減小切削力、降低切削溫度、改善切屑形態(tài)、減小粘刀現(xiàn)象以及延長(zhǎng)刀具壽命。鈦合金超聲加工和普通加工時(shí)刀具磨損情況對(duì)比如圖7所示。

圖7 超聲加工和普通加工鈦合金時(shí)刀具磨損對(duì)比

5 超聲加工技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，超聲加工技術(shù)處于快速發(fā)展階段，各類(lèi)新材料的使用為超聲加工提供了有力的應(yīng)用基礎(chǔ)，超聲加工技術(shù)也成為了這類(lèi)材料精密加工的有力武器。未來(lái)，超聲加工技術(shù)將在全行業(yè)的推動(dòng)下得到快速發(fā)展，同時(shí)，以下研究方向或?qū)⒊蔀槲磥?lái)科學(xué)研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。

5.1 先進(jìn)的超聲復(fù)合能量場(chǎng)工藝技術(shù)

多維超聲加工技術(shù)將獲得更多的應(yīng)用，與之配套的控制技術(shù)、工藝技術(shù)將會(huì)是未來(lái)的研究重點(diǎn)。此外，超聲與激光、等離子體等多種工藝的復(fù)合技術(shù)是未來(lái)超聲加工發(fā)展的重要方向，不同能量場(chǎng)將在難加工材料加工過(guò)程中發(fā)揮各自獨(dú)特的作用，使加工變得更加容易。

5.2 快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制算法及控制系統(tǒng)

實(shí)際切削加工過(guò)程與靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程存在較大區(qū)別，不同的材料、刀具和切削用量都將對(duì)加工過(guò)程中切削力、切削溫度以及系統(tǒng)阻抗特性造成較大的影響，尤其是強(qiáng)時(shí)變負(fù)載作用下，很容易造成超聲加工系統(tǒng)失穩(wěn)。通過(guò)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制算法保證超聲加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高效、精密加工的關(guān)鍵，未來(lái)更多的控制算法將引入到超聲加工過(guò)程中。

5.3 超聲加工的高速、高效化

傳統(tǒng)精密加工中存在著加工質(zhì)量和加工效率難以兼具的難題，尤其是航空航天領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，為保證其加工質(zhì)量，加工效率通常較低。而超聲加工在針對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的難加工材料，如鈦合金、高溫合金以及碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加工時(shí)，其特有的斷續(xù)分離模式能夠?qū)崿F(xiàn)切削區(qū)在切削過(guò)程中周期性的打開(kāi)，從而提高加工過(guò)程中的冷卻潤(rùn)滑作用，通過(guò)切削區(qū)的降力、降溫作用實(shí)現(xiàn)切削速度的提升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效兼具的精密加工。

5.4 超聲加工標(biāo)準(zhǔn)化體系制定

工藝能力是超聲加工技術(shù)優(yōu)勢(shì)的直觀體現(xiàn)，充分、深刻理解工藝能力有助于充分發(fā)揮超聲的作用。隨著技術(shù)研究的深入，更多針對(duì)超聲加工的專用刀具、治具以及與之配套的工藝參數(shù)將逐漸涌現(xiàn)，超聲加工的能力也將逐漸得到充分發(fā)揮。然而，迄今為止，超聲加工技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，“欲知平直，則必準(zhǔn)繩；欲知方圓，則必規(guī)矩”，加快行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定有助于消除技術(shù)壁壘，促進(jìn)超聲加工技術(shù)的推廣應(yīng)用和行業(yè)發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

值得一提的是，超聲加工技術(shù)不是針對(duì)難加工材料的萬(wàn)能加工技術(shù)，不同的超聲加工類(lèi)型也存在自身的適應(yīng)性和局限性，只有熟悉超聲加工技術(shù)的特點(diǎn)并了解工藝需求，才能把該技術(shù)運(yùn)用好。

超聲加工技術(shù)是一種新型的具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)制造技術(shù)，是制造強(qiáng)國(guó)的重要技術(shù)支撐。隨著難加工材料的大量使用，超聲加工技術(shù)將得到快速應(yīng)用和發(fā)展，未來(lái)超聲加工技術(shù)將解決更多難加工材料的精密加工難題。