超聲加工技術（shù）在數控加工工程材料中的應用（yòng）

本文主要從工業應用需求的角（jiǎo）度介紹超聲波（bō）加工技術的發展概況、研（yán）究現狀及未來發展趨勢。超聲波加工技（jì）術是一種針對難加工材料(硬（yìng）脆材（cái）料、複（fù）合（hé）材料（liào）、難加工金屬材料等)的特種（zhǒng）加工技（jì）術。)，在（zài）航空航天、汽車（chē）、半導體（tǐ）、3C、醫療等領域（yù）具有廣闊的應用（yòng）前景。超聲加工（gōng）技術（shù）可以利用超聲振動能量實現難加工材料的精確去除。近年來，在國內外多所高校、科研院（yuàn）所和企業的共同努（nǔ）力下，超聲波加工（gōng）技術發展迅速，在多種難加工材料的精密加工場景中（zhōng）實現了大（dà）量典型應用。超聲波加工技術作為先進製造技術中特種加工技術（shù）的代（dài）表，將為製造業水平的提高提（tí）供重（chóng）要支撐。

1前言

近年來，先進工程材料在航空航天、汽車、半（bàn）導體、3C、醫療等製造領域不斷湧現，如鈦合金、高溫合金、工程陶瓷、陶瓷基複合材料和蜂窩複合材料等。這些材料具有優良的使用性能，但（dàn）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（zhì）造技術對這些材料進行精密加工時，會遇到一定的瓶（píng）頸（jǐng）。一種新（xīn）的製造技術——超聲波加工，越來越受到人們的重視並得到廣泛應用。

超聲加工技術是一種通過超聲振動能量（liàng）實現難加工材料精密去除的技（jì）術。該技術通過（guò）一係列結構（gòu）的傳遞和轉換，將超聲振動能量聚焦在（zài）刀具的工作區域，從（cóng）而形成被切削（xuē）材料的衝擊去除效果，進（jìn）一步改善許多難加工材料（liào）的（de）可（kě）加（jiā）工性。該技術在加工過程中具有許多優點，如:降低切削力和切削熱、刀（dāo）具磨損和毛刺、優（yōu）化切屑形狀、改善表麵質量、減少亞表麵（miàn）損傷和提高加工效率等。(由於超聲波工具、材料、工藝等不同，各加工工序的具體改善效果（guǒ）也不同。) [2-6].超聲加工（gōng）技（jì）術是在功率超聲技術基礎上發展起來的特種加工技術，本質上是一種物理去除過（guò）程，不涉及材（cái）料性能的改變。隨著市（shì）場需求的不斷增加，超聲波加（jiā）工技術的商業化標準化體係已成為當前市場需求的焦點（diǎn）。相關的超聲波（bō）加工技術已（yǐ）經開始走出實驗室，應用（yòng）於許多典型難加工材料的精密加（jiā）工，如光學玻璃、藍寶石、陶（táo）瓷、氧化鋁（lǚ）陶瓷、鈦合金、高溫合金、碳纖維複合（hé）材料（liào）和鋁基（jī）碳化矽複合材料[7-12]。應用領域和（hé）典型案例如圖1所示。近年（nián）來，難加工材（cái）料在我國的廣泛應用，帶來了對超聲波加工技術更多的應用需求，促（cù）進了該技術的市場化。許多科研機構和製造企業已經開始了超聲波加工技術的工業化應（yīng）用。

2超聲波加工技術的發展（zhǎn）現狀

"工欲善其事，必先（xiān）利其器."超（chāo）聲波加工（gōng）技術是精密加工難加工材料的利器（qì）。在大多數切削（xuē）領域，超（chāo）聲波加工更準確的名稱應該是“超聲（shēng）波（bō）輔助精密加工”，即（jí）在傳統切削技術上輔助超聲波振動，以達到（dào）特殊的材料去除效果。但在某些特殊情況下，超聲振動也（yě）會成為主要甚至唯（wéi）一的切（qiē）削動力。這種超聲波加工技（jì）術（shù）可（kě）以直接稱為超聲波（bō）加工，例如:醫學領域常用的用於切骨（gǔ）的超聲刀[13]；超聲波匕首廣泛應用於（yú）航空蜂窩材料零件的加工（gōng），可以（yǐ）實現高（gāo）效綠色加工[14]。

早在20世紀20年（nián）代，美國、日本、德國和蘇聯的科（kē）學家就開始了振動加工的基礎研究。早期的研究主（zhǔ）要集中在改善切削條件（jiàn）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（yào）特點是低頻振動加工，其頻率與目前的超（chāo）聲波頻率(15kHz以上)大不相（xiàng）同[15]。進入21世紀後，機床製造商德馬（mǎ）吉森精機推出了（le）商（shāng）用超聲波加（jiā）工機，成為較早將超聲波加工技術商業化的（de）企業。

2000年前後，由於（yú）難加工材料的種類層出不窮，國內（nèi）各（gè）高校和科研院所掀（xiān）起了研究超聲波加工技術的熱潮。清（qīng）華大學、上海（hǎi）交通大學、北京航空航天大學、華中科技大學、天津大學、哈爾濱工業大（dà）學、南京航空航天大學、大連理工大學、河南理（lǐ）工大學等（děng）開展了（le）大量的基（jī）礎研究和（hé）應用開發，涉及超聲加工技術中的設備設（shè）計（jì）、控製技術、超聲加工係統和超聲技術。

超聲波加工技術從開始到2000年左右經曆了萌芽階段，然後經過近20年的快（kuài）速發（fā）展。在過去的五（wǔ）年中，難加工材料的快速廣泛應用加速了超聲波加工技術的商業化發展。目前，國（guó）內外超聲加工設備、超聲振動控製和技術的技（jì）術逐漸成熟，也促進了人們對超聲（shēng）加工技術（shù）的基本要求、工作機理、工藝特點和應用領域的深入（rù）了解。與此（cǐ）同時，越來越多的大學和研究所從事超（chāo）聲加工技術（shù）的研究，超聲加工的應用領域也越來（lái）越廣（guǎng）泛。

3超聲波加工技術的基本原理

目前，國內外對超（chāo）聲波加工技術的認識還在發展中，還（hái）缺乏統一（yī）的標準和（hé）規範。常（cháng）規超聲加工係統（tǒng）主要包括超聲驅動控製器、超聲發射器、換能（néng）器、變幅杆（gǎn）、夾緊結（jié）構和刀（dāo）具，如圖2所示。本文將從超聲波加工係（xì）統（tǒng）的分類、典型的超聲波加工係統結構、超聲波驅動控製技術和超聲波技術等方麵介紹超聲波加工技術的特點（diǎn）。

3.1超聲波處理係統的分類

根據超聲振動的形式，可分為一（yī）維超聲加工、二維超聲加工和三維超（chāo）聲加工。振動形式包括縱（zòng）向（xiàng）(軸向)超聲振動加工、扭轉超（chāo）聲振動加（jiā）工、橢圓超聲振（zhèn）動加工和（hé）複合超聲振動加工（gōng），其中複合超聲振動涉及不同超聲振動形式的組合[18]。

根據超聲振動材料，可分為電（diàn）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（chāo）聲加工主要是基於壓電陶瓷的起振原（yuán）理，通過（guò）施（shī）加電壓驅動實現（xiàn）超聲振動。其結構（gòu）簡單（dān），技術成熟，但振動功（gōng）率有限，更適合輕載切削。磁致伸縮（suō）是基於磁致（zhì）伸（shēn）縮或超磁（cí）致伸縮材料的磁場驅動原理。其振動功率容量大，但結（jié）構複雜，更（gèng）適合重（chóng）負荷切削條（tiáo）件[19]。

按能量傳輸方（fāng）式可分（fèn）為有線能量（liàng）傳（chuán）輸超（chāo）聲加工和無線能量傳輸超聲加工。有線傳能超聲加工常用於無（wú）旋轉運動（dòng）或低轉速的加工（gōng），如刷子。無線能量（liàng）傳（chuán）輸超聲波加工一般用於旋轉超聲波加工(RUM)。無線能量傳輸的實現基於鬆耦合非接觸方式（shì），分為全耦合超聲加（jiā）工（gōng）和部分耦合超（chāo）聲（shēng）加工。就目前的（de）技術發展而言，考（kǎo）慮（lǜ）到機床的（de）自動換刀，部分耦（ǒu）合的無線能量傳輸方式是目前最適應的方式（shì）。

按工藝類型可分為（wéi）:超聲（shēng）波銑削、超聲波車削、超聲波鑽孔（kǒng）、超（chāo）聲波磨削、超聲波拋光、超聲波切割和超聲波淬（cuì）火(硬（yìng）化)。每種技術對超聲波能量和振動形式都有特殊的要求。

按零件（jiàn）的（de）加工精度可分為:精密超（chāo）聲波加工和超精密超聲波加工（gōng）[20-21]。它們之間的主要區別在於每單（dān）位切（qiē）削去除的材料量。一般（bān）精（jīng）度（dù）要求< 1μ m的去除（chú）被認為是超精密超聲加（jiā）工，橢圓超聲加工比較典型，更適合（hé）微納切削。

按切削速度（dù）可（kě）分為（wéi）傳統超聲波（bō）加工和高速超聲波加工。高速超聲波（bō）加工一般是指線速度為400m/min的超聲波加（jiā）工。

3.2典型超聲波加工機（jī）床的結構

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

3.3超聲波加工係統的驅動控製技（jì）術

超聲加工係統（tǒng）的驅動控製技術是實現超聲加工技（jì）術優勢的靈魂，而控製器的性能是體現超聲加工性能的關鍵。在實際加工過程中，有許多（duō）參數需要超聲波驅動控製器來控製。除了最基本、最重要的超聲頻率（lǜ）和功率外，超聲加（jiā）工係統的頻率分辨率、響應速度和振幅波動對（duì）加工過程也起著關鍵作用（yòng）。許多控製參數共同決定了（le）超聲加工係統的極限切削能力，是（shì）決定材料加工是（shì）否有效的關鍵，也是研究超聲加工過程的技（jì）術條件。

在實際加工（gōng）過程中，刀具進出材料的切削過程是一個典型的強時（shí）變負載過程（chéng），即切削力在極（jí）短（duǎn）的時間內發生很大的變（biàn）化，而在這個過程中，超聲加工係統的阻抗特性和控（kòng）製係統（tǒng）的電氣特性都會發生很大的變化。所以在這個（gè）過程中保證振（zhèn）幅的穩（wěn）定是非常重要的（de）。超聲波控製器頻率的（de）分辨率和精度以（yǐ）及係統的（de）響應速度是這（zhè）一過程（chéng）中的關鍵參數。圖4示出了在典型的超聲波切割過程中係統的狀態特性的變化。

從圖4可以看出，當刀具開始（shǐ）進入加工狀態時，加工（gōng）過程中的切削力瞬間增大。這時，為了保證切割過程中超聲波（bō）振幅的穩定，係統會調（diào）整（zhěng）內部（bù）控製參數(如頻率、功率等。)使振幅在加工過程中處於穩定狀態。當刀具切割加工材料時，也會發生類似的過程（chéng）。

在超聲加工（gōng）過程中，負（fù）載和溫度（dù）的變化會導致係統特性發生（shēng）很大的（de）變（biàn）化。快速頻（pín）率跟（gēn）蹤是實現高效超聲加工的關鍵。常見的方法有最大電流法、鎖相環法和最大功率法。此外（wài），超聲（shēng）功率的自適應控製技術也是超聲加工的重要（yào）組成部分，其目標是解決（jué）外（wài）加（jiā）載荷後振幅受到抑製，刀具無法完成有效切削的問題。這些測試都（dōu）需要超（chāo）聲（shēng）加工係統實現對超聲致動器實時狀態的反饋檢測，因（yīn）此超聲振動的（de）反饋（kuì）檢測也是實現穩定超聲（shēng）加工的重要一環。如今，在這個過程中已經應用了許多先進的算法（fǎ）。常見的算法有PID、模糊算法、人（rén）工神經網絡等。該算法的核心是（shì）識別加工過程中的狀態，從（cóng）而保證（zhèng）加（jiā）工過程（chéng）的魯棒性。

4超聲波加工（gōng）技術的工藝特點及應用

根據被加工（gōng）材料的（de）不同特性，超聲加工的（de）材料（liào）去除機理（lǐ）和達到的效果有很大的不同。典型的難加工材（cái）料可分為硬脆材料、複合材料（liào）和難加工金屬材料。硬質材料主要包括玻璃、陶瓷、鎢鋼（gāng）和陶瓷基材料等。這些材料通常用金剛石（shí）工具加工。在加工過程中，需要考（kǎo）慮被加工材料（liào）的硬度，以及超聲（shēng）波加工時如何降低切削力，提高加工質（zhì）量。複合材料主（zhǔ）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材料（liào）。這些材料（liào）的加工主要需要根據（jù）材料特性選擇（zé）合適的（de）超聲振動形式和振幅（fú），以達（dá）到降低切削力、減緩（huǎn）刀（dāo）具磨削的目的。難加工金屬材料主（zhǔ）要有鈦合金、高溫合金、高強度鋼等具有一定韌性（xìng）的金屬材（cái）料。這類材料的加工主要需（xū）要解（jiě）決粘刀問題，降低切削（xuē）溫度，減緩刀具磨損。其超聲振動要求（qiú）與硬脆（cuì）材料有（yǒu）很大（dà）不同。一般（bān）采用扭轉振動或縱向（xiàng）扭轉，對振幅要（yào）求比較大。對金屬材料來說，實現完全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況。

不同材料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、碳化矽、氮化矽)、陶瓷基材料以（yǐ）及硬（yìng）度高、脆性大的微晶玻璃，主要加工難點是表麵損（sǔn）傷大、刀具磨損嚴重、加（jiā）工效率（lǜ）低。超聲波加工有利（lì）於改善切削狀態，從而延長刀具壽命，改善表（biǎo）麵質量（liàng），提高加工效率。半導體碳化矽（guī）(SiC)的（de）超（chāo）聲波加（jiā）工和傳統加工之間的平均切（qiē）削力的比較如圖（tú）5所示。

(2)以碳纖維和芳綸纖維為增強相的複（fù）合材料在加工過程中容易產生表麵損傷、撕裂和分層，加工效（xiào）率低，刀具磨損快。超（chāo）聲波加工後，刀具（jù）的切削能力將大大增強，毛刺將減少，刀具（jù）壽命將延長。航空蜂窩材料（liào）的超聲波處理如圖6所示。

(3)難加工金屬材料鈦合金（jīn）、高溫合金、高強度鋼等具有一定韌（rèn）性（xìng）的金屬材料，由於加工溫度高，容易出現（xiàn）粘（zhān）刀、刀具磨損（sǔn）嚴重（chóng）等問題（tí）。超聲波加工可以（yǐ）降低切削（xuē）力（lì），降低切削溫度，改善切屑形態，減（jiǎn）少刀具粘著，延長刀具壽命。鈦合金（jīn）超聲波加工和普通加（jiā）工的刀具磨損比較如圖7所示。

5超聲波加工技（jì）術的未來發展趨（qū）勢

目前，超聲加工技術正處於快速發展階段，各種新材料（liào）的使用為超聲（shēng）加工提供了強大的應用基礎，超聲加工技術也成為這類材料精密加工的有力武器。未（wèi）來，超聲波（bō）加工技術將在整個行業的推動（dòng）下快速發展。同（tóng）時（shí），以下研究方向可能成為未來科學研究和工（gōng）程應用的熱點（diǎn）。

5.1先進的超聲波複合能量場技術

多維超聲加工（gōng）技（jì）術將得到更多的應用，與之相匹配的控製技術和加工技術將是今後（hòu）的研（yán）究重點。此外，超聲、激光、等離子體等技術的複合技術是未來超聲加工（gōng）的一個重要方向。不同的能量場會在難加工材料（liào）的加工過程中發揮各自獨特的作用，使加工變得更加容（róng）易。

5.2快速（sù）、準確（què）、穩定的控製算法和控製係統

實際的切削過程與靜態（tài）或準靜態過程有很大的不同（tóng）。不同的材料、刀具和切削參數會對切（qiē）削力、切削溫度和係統阻抗特性產（chǎn）生很大的影響，特別是在強時變載荷下，容易造成超聲加工係統的（de）不穩定。通過快速、準確、穩定（dìng）的控製（zhì）算法來（lái）保證超聲加工係統的穩定（dìng）性是實現高效、精密加工的關（guān）鍵，未來將會有更多的控製算法被引入到超聲加工過程中。

5.3超聲波加工的高速（sù）高（gāo）效

在傳統的精密加工中，很難將（jiāng）加（jiā）工質量和加工效率結合起來，尤其是對於航空航天領域（yù）的複雜結構零件（jiàn）。為了（le）保證加工（gōng）質量，加工效率通常較低。而超聲波加工用於加工該領域的難加工材料時，如鈦合（hé）金、高溫合金、碳纖維複合材料等，其獨特的間歇分離方式可（kě）以實現切削（xuē）過程中切（qiē）削區（qū）的周（zhōu）期性開啟，從而提高（gāo）加工過程中的冷卻潤滑功能，通過切削區的減力降（jiàng）溫功能提高切削速度，從而（ér）實現高質量、高效率的精密加工。

5.4超聲波加（jiā）工標（biāo）準化體（tǐ）係的建立

工（gōng）藝能力是超聲（shēng）波加工技術（shù）優勢的直觀體現。充（chōng）分而深刻地了解技術能力有（yǒu）助（zhù）於充分發揮超聲波的作用。隨著技術研究的深入，更多的超聲波加工專用工具、夾具和匹配的工藝參數（shù）將逐漸出現，超聲波加工的能力將逐漸得到充分發（fā）揮。然而，到目前為（wéi）止（zhǐ），超（chāo）聲（shēng）波加工技術還沒有形（xíng）成統一的標準。“欲（yù）知直，必（bì）取（qǔ）衡；如（rú）果你想了解方圓，你（nǐ）必須遵守（shǒu）規（guī）則。加快行業標準和國家標準的製定，有助於消除技術壁壘，促進超聲（shēng）波加工（gōng）技術的推廣應用和行業發展。

6結（jié）束（shù）語

值得一提的（de）是，超聲波加工技術並不是針對難加工材料的通用加工技術，不同類型的超聲波加工（gōng）也有各自的適應性和局限性。隻有熟悉（xī）超聲波加工技術的（de）特點，了解工藝要求，才能用好這項技術。超聲加工技術是一（yī）項極具發（fā）展潛力的新型先進製（zhì）造技術（shù），是製造強國的重要技術支（zhī）撐。隨著難加工材料的大量（liàng）使用，超聲波加工技術將得到迅速應用和發展。未來，超聲波加工技（jì）術將解（jiě）決更多難加工材料的精密加工難題。