超聲加工技術在數（shù）控（kòng）加工工（gōng）程材料中的應用

本文主要（yào）從工業應用需求的角度介紹（shào）超聲波加工（gōng）技術的發（fā）展概況、研究現狀及未來發展趨勢。超聲波加工技術是一種針對難加工材料(硬脆材料、複（fù）合材料、難加（jiā）工金屬材料等)的特種加工技術。)，在（zài）航空航（háng）天、汽車（chē）、半導（dǎo）體、3C、醫療等領（lǐng）域（yù）具有廣闊（kuò）的應用前景。超聲加（jiā）工（gōng）技術可以利用超聲振動能（néng）量實現難加工材料的精確去除。近年來，在國內外多（duō）所高校、科研院所和企業的（de）共同努力下，超聲波加工技術發展迅（xùn）速（sù），在多種難加工材料（liào）的（de）精密加工場景中實現了大量典（diǎn）型應用。超聲波加工技術作為先（xiān）進製（zhì）造技術中特種加工（gōng）技術的代表，將為製造業水平（píng）的（de）提高提供重要支撐。

1前言

近年來，先（xiān）進工程材料在（zài）航空航天、汽車、半導體、3C、醫療等製造領域不（bú）斷湧（yǒng）現，如鈦合（hé）金（jīn）、高（gāo）溫合金（jīn）、工程陶瓷（cí）、陶瓷基複合材料和蜂窩複（fù）合材料等。這些材料具有優良的使用性能，但可加工性較差，是典型的難加工材料[1]。當采用傳統的機械製造技術對這些材料進行（háng）精密（mì）加工時，會遇到一定的瓶頸。一種新的（de）製造技術——超聲波加工（gōng），越來越受到人們的重視並得到廣泛應用。

超聲（shēng）加（jiā）工技術是一種通過超聲振動能量實現難（nán）加工材料精密去除的技術。該技術通過一係列結構的傳遞和轉換，將超（chāo）聲振（zhèn）動能量聚焦在刀具的工（gōng）作區域，從而形成被切削材料的衝擊去除效果，進一（yī）步改善許多難加工材（cái）料的可加工性。該技術在加工過程中具有許多優點，如:降低切削力和（hé）切削熱、刀具磨（mó）損和（hé）毛刺、優化切屑形狀、改善表（biǎo）麵質量、減（jiǎn）少亞表麵損傷和提高加工效率等。(由於超聲波工具、材料（liào）、工藝等不同，各加工工序的具體改善效果也不同。) [2-6].超聲加工技術是在功率超聲技術基礎上發展（zhǎn）起來的特種加工技術，本質上是一種物理去（qù）除過（guò）程，不涉及（jí）材料性（xìng）能的改（gǎi）變。隨著市場需求的（de）不斷增加，超聲波加（jiā）工技術的商業化標（biāo）準化體係已成為當前（qián）市場需求的焦點。相關的超聲波加工技術已（yǐ）經開始走出實驗室，應用於許多典型難加工材料的精密加工，如（rú）光學玻璃、藍寶石（shí）、陶瓷、氧（yǎng）化鋁陶瓷、鈦合金、高溫合金、碳纖維複合材料和鋁基碳化矽複合材料[7-12]。應用領域和典型案例如圖1所示。近年來，難加工材（cái）料（liào）在我國的廣（guǎng）泛（fàn）應用，帶來（lái）了對超聲波加（jiā）工技術更多的應用需求，促進了該技術的市場（chǎng）化。許多科研機構和（hé）製造企業已經開始了超聲波（bō）加工技術的（de）工業化應用。

2超聲波加工技術的發（fā）展現狀

"工欲善其事（shì），必先利其器."超聲波加工技術是精密加工（gōng）難加工材料的利器。在大多數切削領域，超聲波加工更準確的名稱（chēng）應該是“超聲（shēng）波（bō）輔助精密加工”，即（jí）在傳統切削（xuē）技術上輔助超聲（shēng）波振（zhèn）動，以達到特殊的材料去除效果。但在某些特殊情況下，超聲（shēng）振動也會成（chéng）為主要甚至唯一的切（qiē）削動力。這種超聲波加（jiā）工技術可以（yǐ）直接稱為超聲波加工，例如:醫學領域常用的用於切骨的超聲刀[13]；超聲波匕首廣泛應用於航空蜂窩材料零件的加工，可以實現高效綠色加工（gōng）[14]。

早在20世紀20年代，美國、日本、德（dé）國和蘇聯的科學家（jiā）就開始了振動加工（gōng）的基礎（chǔ）研究。早期的研究主要（yào）集中在改善切削條件以實現斷屑，其主要應用是在超聲車削領域。這一階段的主要特點是低（dī）頻振動加（jiā）工，其頻（pín）率與目前的超聲波頻率(15kHz以上)大不相同[15]。進入21世紀後，機床製造（zào）商德馬（mǎ）吉森精機推出了商用（yòng）超聲波加工機，成為較早將超聲波加（jiā）工（gōng）技術商業化的企業。

2000年前後，由於難加工材料的（de）種類層出不窮（qióng），國內各高校和科研院所掀起了研究超聲波加（jiā）工技術的熱潮。清華大學、上海交通大學（xué）、北京航空航天大學、華中科技大學、天津大學、哈爾（ěr）濱工（gōng）業大學、南京航空航天大學、大連理工大學、河南理工大學等開展了大量的基礎研究和應用開發，涉及超聲加工（gōng）技術中的設備設計、控製技術、超聲加工係統和超聲技術。

超聲波加工技（jì）術從開始到2000年左右經曆了萌芽階段，然後經過近20年的快速發展（zhǎn）。在過去的五年（nián）中，難加工（gōng）材料的快速廣泛應用（yòng）加速了超聲波（bō）加工技術的商業化發展。目前，國內外超聲加工設備、超聲振動控製和技術的技（jì）術逐漸（jiàn）成熟，也（yě）促進（jìn）了（le）人們對超聲加（jiā）工技術的基本要求、工作機理、工藝特點和應用領域的（de）深（shēn）入了解。與此同時，越來越多的大學和研究（jiū）所從事超聲加工技術的研究，超聲加工的應用領域也越來越廣泛。

3超聲波加工技術的基本原理

目前，國內外對超（chāo）聲波加工技（jì）術的認識還在發展（zhǎn）中，還缺乏統一的標準和規範。常規超聲加工係統主要包括超聲驅動控製器、超聲發射器、換能器、變（biàn）幅杆、夾緊結構和刀具，如圖2所示。本文將從超聲波加工係統的分類、典型的超聲波加工係統結構（gòu）、超聲波驅動控製技術和超聲波技術等方麵（miàn）介紹超（chāo）聲波加工技術的（de）特點（diǎn）。

3.1超聲波處理係統的分類

根據超聲振動（dòng）的形式，可分為一維超聲加（jiā）工、二維超聲加工和（hé）三維（wéi）超聲加工。振動形式包（bāo）括縱向(軸（zhóu）向)超（chāo）聲振動加工、扭轉超聲振動（dòng）加工、橢圓超聲振動加工和複合超聲振動加工，其中複合超聲振動涉及不同超（chāo）聲（shēng）振動形式的組合[18]。

根據超聲振動材料，可分為電致伸縮超聲加工和磁致伸（shēn）縮超聲加工。目（mù）前常用的電致伸縮超聲加工主要是基於壓電陶瓷的起振原理，通過施加電壓驅（qū）動實現超（chāo）聲振動。其結構簡單，技術（shù）成熟，但振動功率有限，更適合輕載切削。磁致伸縮是基於磁致伸（shēn）縮或超磁致伸縮材料的磁場驅動（dòng）原理。其振（zhèn）動功（gōng）率容（róng）量大（dà），但結構（gòu）複雜，更適合重（chóng）負荷切削條件[19]。

按能量傳輸方式可分為有線能量傳（chuán）輸超聲加工和（hé）無線（xiàn）能量傳輸超聲加工。有線傳能超聲加工常（cháng）用於無（wú）旋轉（zhuǎn）運動或低轉速的加（jiā）工，如刷子。無線能量傳輸（shū）超聲波加工一般用於旋轉超聲（shēng）波加工(RUM)。無（wú）線能（néng）量傳輸的實現（xiàn）基於鬆耦（ǒu）合非接觸方式，分（fèn）為全耦合超聲加工和部分耦合超聲加工。就目前的技術發展而言，考慮到機床的自動換刀，部分（fèn）耦合的無線能量傳輸方式是目（mù）前（qián）最適應（yīng）的方式。

按工藝類型可分為:超聲波銑削、超聲波車（chē）削、超（chāo）聲波鑽孔（kǒng）、超聲波磨削、超聲波拋（pāo）光、超聲波切割和超聲波淬火(硬化)。每種技術對超聲波（bō）能量和振動形式都有特殊的要求。

按零件的加工精度可分為:精密超聲（shēng）波加工和超精密超聲波加工[20-21]。它們之間的主要區別在於每單位切削去（qù）除的材料量。一般（bān）精度要求< 1μ m的去（qù）除（chú）被認為是超精密超聲加工，橢圓超聲加工比較（jiào）典型，更適合微納切削。

按切削（xuē）速度可分為傳（chuán）統超聲波加工和高速超聲波加工。高速超聲波加工一般是指線速（sù）度為400m/min的超聲波加工。

3.2典型超（chāo）聲（shēng）波加工機床的結構

典型的超聲波加工機床結構如圖3所示，主要包括超聲波驅動控製器、無線功率傳（chuán）輸模塊、超（chāo）聲波刀架、刀具、數控係統和機床本體，其中超聲波驅動控製器包括超聲波（bō）發生器、超聲波功率放大器、超聲波反饋檢測和超聲波控（kòng）製器。超聲（shēng）波發射器和超聲波接收器構成無線電力傳輸模塊。超聲（shēng）刀柄是超聲加工係統的主要功能部件（jiàn），一般由超（chāo）聲接收器、換能器（qì）、變幅杆等組成。超聲波（bō）加工（gōng）係統和（hé）機床本身的數控係統需（xū）要保持一定（dìng）的通信控製能力，以保證整個（gè）加工過程的順利進行。

3.3超聲波加工係統（tǒng）的驅動控製技術

超聲加工係統的驅動控（kòng）製技術是實現超聲加工技術優勢的靈魂，而（ér）控製器的性能是體現超聲加工性（xìng）能的（de）關鍵（jiàn）。在實（shí）際加工過程中，有許多參數需要超聲波驅動（dòng）控製器來控製。除了最基本、最重要的超聲頻率和功率外，超聲加工係統的（de）頻率分辨率、響應速度和（hé）振幅波動對加工過程也起著關鍵作用。許多（duō）控製參（cān）數共（gòng）同決定了超聲加工係統的極限切削能力，是決定材料加工是否有效（xiào）的關鍵，也是研究超聲加工過程的技術（shù）條件。

在實際（jì）加工過程中，刀具進出材料的切削過程是一個典型的強時變負載過程（chéng），即切削力在極短的時間內發生很大的變化，而在這個（gè）過程中，超聲（shēng）加工係統的阻抗特（tè）性和控製係統的電氣特性都會發（fā）生很大（dà）的變化。所以在這個過程中保證振幅的穩定是非常重要的。超（chāo）聲波控製器頻率的分辨率（lǜ）和（hé）精度以及係統的響應速（sù）度是這（zhè）一過程中的關鍵參數。圖4示出了在典型的超聲波（bō）切割過程中係統的狀態特性的變化（huà）。

從（cóng）圖4可以看出，當刀具開始進入（rù）加工（gōng）狀態（tài）時，加工過程中的切削（xuē）力瞬間增大。這時，為了保證切（qiē）割過程中超聲波振（zhèn）幅的穩定，係統會調整內部控製參數(如頻（pín）率、功率等。)使振幅在加工（gōng）過程中處於穩定（dìng）狀態。當刀具切割加（jiā）工材料時（shí），也會發生類似的過程。

在（zài）超聲加工過程中（zhōng），負載和溫度的變化會導致係統特性發生很大的變化。快（kuài）速頻率跟蹤是實現高效超聲加工的關鍵。常見（jiàn）的方法有（yǒu）最大電流法、鎖相（xiàng）環法和（hé）最（zuì）大功率法。此外，超聲功率的自適應控（kòng）製技術也是超聲加工的重要組成部分，其目標是解決外加載荷後（hòu）振（zhèn）幅受到抑製，刀具無法完成有（yǒu）效切削的問題。這些測試都需要超聲加工係統實現對超聲致動器實時狀態的反饋檢測，因此超聲振動（dòng）的反饋檢測也是實現穩定超（chāo）聲加（jiā）工的重要一環。如今，在這個過程中（zhōng）已經應用（yòng）了許（xǔ）多先進的算法（fǎ）。常見的算法有PID、模糊算法、人工神經網絡（luò）等。該算法的核心是識別加工過程中的狀態，從而保證加工過程的魯棒性。

4超聲波加工技術的工藝特點及應用

根據被（bèi）加工材料的不同特性（xìng），超聲加工的材料去除機理和達到的效果有（yǒu）很大的不同。典型的難加工材料可分為硬脆材料、複合材料（liào）和難（nán）加工金（jīn）屬材料。硬質材料主要包括玻璃、陶瓷、鎢鋼和陶瓷基材料等。這（zhè）些材（cái）料通常用金剛石工具加工。在加工過程中，需要考慮被加工材料（liào）的硬度，以及超聲波加工時如何降低（dī）切（qiē）削力，提高加工質量。複合材料主要包括碳纖維增強複合材料、芳綸纖維複合材料和蜂窩弱剛度複合（hé）材料。這些材料的（de）加工主（zhǔ）要需要根據材料特性（xìng）選擇合適的超聲振動（dòng）形式和（hé）振幅，以達到（dào）降低切削力、減緩（huǎn）刀具磨削的目的。難加工金屬材料（liào）主要（yào）有鈦合（hé）金、高（gāo）溫合金、高強度鋼等具有一定韌性（xìng）的金屬（shǔ）材料。這類材料的加工主要需要解決粘刀問題，降低切削溫度，減緩刀具磨損。其超聲振動要求與硬脆（cuì）材料有很大不同。一般采用扭轉振（zhèn）動或縱向扭轉，對振幅要求比較大。對金屬材料來說，實現完全（quán）的間歇切削和切削區域的高效冷卻潤滑是最理想的加工情（qíng）況。

不同材料（liào）在超聲波加工過程中的主要工藝特征如下。

(1)硬脆材料，如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氧化鋯（gào）、碳化矽、氮化矽)、陶瓷（cí）基材料以及（jí）硬度高（gāo）、脆性大的微晶玻璃，主要（yào）加工難點是表麵損傷大、刀具磨損嚴重、加工效（xiào）率低。超聲波加工有利於（yú）改善切削（xuē）狀態，從而延長刀具（jù）壽命，改善表麵質量，提高加工效率。半導體碳化矽(SiC)的超聲波加工和傳統加工之間的平均切削力的比較（jiào）如圖5所示。

(2)以碳纖維和芳綸纖維為增強相的複合材料（liào）在加工過程中容（róng）易產生表麵損傷、撕裂（liè）和分層，加工效率低，刀具（jù）磨（mó）損快。超聲波加工後（hòu），刀具的切削能力（lì）將大大增強，毛刺將減少，刀具壽（shòu）命將延長。航空（kōng）蜂窩材料的（de）超聲波處理如圖6所示。

(3)難加工（gōng）金屬材料鈦（tài）合金、高（gāo）溫合金、高強（qiáng）度鋼等具有（yǒu）一定韌（rèn）性的金屬材料，由於加工溫度高，容易出現粘刀、刀具磨損嚴重等問題。超聲波加工（gōng）可以降低（dī）切（qiē）削力（lì），降低切削溫度，改善切屑形態，減少刀具粘著，延長刀具壽命。鈦合金超聲波加工和普通（tōng）加工的刀具磨損比較如圖7所示。

5超聲波加工技術的未來發展趨（qū）勢

目前，超聲加工技術（shù）正處於快速發展階段，各種新材料的使用為超聲加工提供了強大的應用基礎（chǔ），超聲加工（gōng）技術也成為這類材料精密加工的有力武器。未來，超聲波加工技（jì）術將在整個行（háng）業的推（tuī）動下快速發（fā）展。同時，以下研究方向可能成為未來科學研究和工程應用的熱點。

5.1先進（jìn）的超聲波複合能量場技術

多維超聲加工技術將得到更多的應用，與之相匹（pǐ）配的控（kòng）製技術（shù）和加工技術將是今後的研究重點。此外，超聲、激光、等離子體等（děng）技術（shù）的複合技術是未來超（chāo）聲加工的一（yī）個重要方向。不同的能量場會在難加工（gōng）材料的加工（gōng）過程中發揮各自獨特的作用，使加工變得（dé）更加容易（yì）。

5.2快速（sù）、準確、穩定的控製算法和控製係統

實際的切削過程與靜態或準靜態過程有很大（dà）的不同。不同的材（cái）料、刀具和切（qiē）削參（cān）數會對切（qiē）削力、切削溫度和係統阻抗特性產生很大的影響，特別是在強時（shí）變載荷下，容易造成超聲加工係統的不穩（wěn）定。通過快速、準確、穩定的（de）控製算法來（lái）保證超聲加（jiā）工（gōng）係統的穩定性是（shì）實（shí）現高效、精密加工的關鍵，未來將會有更多的控製算法被引入到超聲加（jiā）工過程中。

5.3超聲波加工的高速高效（xiào）

在傳統的精密加工中（zhōng），很難將加工質量和加工效率結合起來，尤其是對於航空航天領（lǐng）域的複雜結構零件。為了保證（zhèng）加工質量，加（jiā）工效率通常較低。而超聲波加工用於加工該領域的難加工（gōng）材料時，如（rú）鈦合金、高溫合金、碳纖維複合材料等，其獨特的間歇分離方式（shì）可以（yǐ）實現切（qiē）削過程中切削區的周期性（xìng）開啟，從而提高加工（gōng）過程中的冷卻潤（rùn）滑功（gōng）能，通過切削區的減力降（jiàng）溫功（gōng）能提高切削速度，從而實現高質量、高效率的精密加工（gōng）。

5.4超（chāo）聲波加工（gōng）標準化體係的（de）建立

工藝能力是超聲波加工技（jì）術優勢（shì）的直觀體現。充分而深刻地了解技術能力有助於充分發揮（huī）超聲波的作用。隨（suí）著技術研究的深入，更多的超聲波加工專用工具、夾具和匹配的工藝參數將逐漸出現，超聲波加工的（de）能力將逐漸（jiàn）得到充分發揮。然而，到目前為止，超聲波加工技術還沒（méi）有（yǒu）形成統一的標準。“欲知直，必取衡；如（rú）果你想了解（jiě）方圓，你必須遵守規則。加快行業標準和國家（jiā）標（biāo）準的製定，有（yǒu）助於消除技術壁壘，促進超聲波加工技術的推廣應用和行業發展。

6結束語

值得一提的是，超聲波加工技術並不是針對難加工（gōng）材（cái）料的（de）通用加（jiā）工技（jì）術，不同類型的超聲波加工也有（yǒu）各自的適應性和局限性。隻有熟（shú）悉超聲波加工技術的特點，了解工藝要求，才能用好這項技（jì）術。超聲加工技術是（shì）一項極（jí）具發展（zhǎn）潛力的新型先進製造（zào）技術，是製造強國的重要技術支撐。隨著難加工（gōng）材料的大（dà）量使用，超聲波加工（gōng）技術將得到（dào）迅速應（yīng）用和發（fā）展。未來，超聲波加工技術將解決更多難（nán）加工材料的精（jīng）密加工難題。