超声加工技术在数控加工工程材料中的应用

本文主要从工业应用需求的角度介绍超声波加工技术的发展概况、研究现状及未来发展趋势。超声波加工技术是一种针对难加工材料(硬脆材料、复合材料、难加工金属材料等)的特种加工技术。)，在航空航天、汽车、半导体、3C、医疗等领域具有广阔的应用前景。超声加工技术可以利用超声振动能量实现难加工材料的精确去除。近年来，在国内外多所高校、科研院所和企业的共同努力下，超声波加工技术发展迅速，在多种难加工材料的精密加工场景中实现了大量典型应用。超声波加工技术作为先进制造技术中特种加工技术的代表，将为制造业水平的提高提供重要支撑。

1前言

近年来，先进工程材料在航空航天、汽车、半导体、3C、医疗等制造领域不断涌现，如钛合金、高温合金、工程陶瓷、陶瓷基复合材料和蜂窝复合材料等。这些材料具有优良的使用性能，但可加工性较差，是典型的难加工材料[1]。当采用传统的机械制造技术对这些材料进行精密加工时，会遇到一定的瓶颈。一种新的制造技术——超声波加工，越来越受到人们的重视并得到广泛应用。

超声加工技术是一种通过超声振动能量实现难加工材料精密去除的技术。该技术通过一系列结构的传递和转换，将超声振动能量聚焦在刀具的工作区域，从而形成被切削材料的冲击去除效果，进一步改善许多难加工材料的可加工性。该技术在加工过程中具有许多优点，如:降低切削力和切削热、刀具磨损和毛刺、优化切屑形状、改善表面质量、减少亚表面损伤和提高加工效率等。(由于超声波工具、材料、工艺等不同，各加工工序的具体改善效果也不同。) [2-6].超声加工技术是在功率超声技术基础上发展起来的特种加工技术，本质上是一种物理去除过程，不涉及材料性能的改变。随着市场需求的不断增加，超声波加工技术的商业化标准化体系已成为当前市场需求的焦点。相关的超声波加工技术已经开始走出实验室，应用于许多典型难加工材料的精密加工，如光学玻璃、蓝宝石、陶瓷、氧化铝陶瓷、钛合金、高温合金、碳纤维复合材料和铝基碳化硅复合材料[7-12]。应用领域和典型案例如图1所示。近年来，难加工材料在我国的广泛应用，带来了对超声波加工技术更多的应用需求，促进了该技术的市场化。许多科研机构和制造企业已经开始了超声波加工技术的工业化应用。

2超声波加工技术的发展现状

"工欲善其事，必先利其器."超声波加工技术是精密加工难加工材料的利器。在大多数切削领域，超声波加工更准确的名称应该是“超声波辅助精密加工”，即在传统切削技术上辅助超声波振动，以达到特殊的材料去除效果。但在某些特殊情况下，超声振动也会成为主要甚至唯一的切削动力。这种超声波加工技术可以直接称为超声波加工，例如:医学领域常用的用于切骨的超声刀[13]；超声波匕首广泛应用于航空蜂窝材料零件的加工，可以实现高效绿色加工[14]。

早在20世纪20年代，美国、日本、德国和苏联的科学家就开始了振动加工的基础研究。早期的研究主要集中在改善切削条件以实现断屑，其主要应用是在超声车削领域。这一阶段的主要特点是低频振动加工，其频率与目前的超声波频率(15kHz以上)大不相同[15]。进入21世纪后，机床制造商德马吉森精机推出了商用超声波加工机，成为较早将超声波加工技术商业化的企业。

2000年前后，由于难加工材料的种类层出不穷，国内各高校和科研院所掀起了研究超声波加工技术的热潮。清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学、华中科技大学、天津大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、大连理工大学、河南理工大学等开展了大量的基础研究和应用开发，涉及超声加工技术中的设备设计、控制技术、超声加工系统和超声技术。

超声波加工技术从开始到2000年左右经历了萌芽阶段，然后经过近20年的快速发展。在过去的五年中，难加工材料的快速广泛应用加速了超声波加工技术的商业化发展。目前，国内外超声加工设备、超声振动控制和技术的技术逐渐成熟，也促进了人们对超声加工技术的基本要求、工作机理、工艺特点和应用领域的深入了解。与此同时，越来越多的大学和研究所从事超声加工技术的研究，超声加工的应用领域也越来越广泛。

3超声波加工技术的基本原理

目前，国内外对超声波加工技术的认识还在发展中，还缺乏统一的标准和规范。常规超声加工系统主要包括超声驱动控制器、超声发射器、换能器、变幅杆、夹紧结构和刀具，如图2所示。本文将从超声波加工系统的分类、典型的超声波加工系统结构、超声波驱动控制技术和超声波技术等方面介绍超声波加工技术的特点。

3.1超声波处理系统的分类

根据超声振动的形式，可分为一维超声加工、二维超声加工和三维超声加工。振动形式包括纵向(轴向)超声振动加工、扭转超声振动加工、椭圆超声振动加工和复合超声振动加工，其中复合超声振动涉及不同超声振动形式的组合[18]。

根据超声振动材料，可分为电致伸缩超声加工和磁致伸缩超声加工。目前常用的电致伸缩超声加工主要是基于压电陶瓷的起振原理，通过施加电压驱动实现超声振动。其结构简单，技术成熟，但振动功率有限，更适合轻载切削。磁致伸缩是基于磁致伸缩或超磁致伸缩材料的磁场驱动原理。其振动功率容量大，但结构复杂，更适合重负荷切削条件[19]。

按能量传输方式可分为有线能量传输超声加工和无线能量传输超声加工。有线传能超声加工常用于无旋转运动或低转速的加工，如刷子。无线能量传输超声波加工一般用于旋转超声波加工(RUM)。无线能量传输的实现基于松耦合非接触方式，分为全耦合超声加工和部分耦合超声加工。就目前的技术发展而言，考虑到机床的自动换刀，部分耦合的无线能量传输方式是目前最适应的方式。

按工艺类型可分为:超声波铣削、超声波车削、超声波钻孔、超声波磨削、超声波抛光、超声波切割和超声波淬火(硬化)。每种技术对超声波能量和振动形式都有特殊的要求。

按零件的加工精度可分为:精密超声波加工和超精密超声波加工[20-21]。它们之间的主要区别在于每单位切削去除的材料量。一般精度要求< 1μ m的去除被认为是超精密超声加工，椭圆超声加工比较典型，更适合微纳切削。

按切削速度可分为传统超声波加工和高速超声波加工。高速超声波加工一般是指线速度为400m/min的超声波加工。

3.2典型超声波加工机床的结构

典型的超声波加工机床结构如图3所示，主要包括超声波驱动控制器、无线功率传输模块、超声波刀架、刀具、数控系统和机床本体，其中超声波驱动控制器包括超声波发生器、超声波功率放大器、超声波反馈检测和超声波控制器。超声波发射器和超声波接收器构成无线电力传输模块。超声刀柄是超声加工系统的主要功能部件，一般由超声接收器、换能器、变幅杆等组成。超声波加工系统和机床本身的数控系统需要保持一定的通信控制能力，以保证整个加工过程的顺利进行。

3.3超声波加工系统的驱动控制技术

超声加工系统的驱动控制技术是实现超声加工技术优势的灵魂，而控制器的性能是体现超声加工性能的关键。在实际加工过程中，有许多参数需要超声波驱动控制器来控制。除了最基本、最重要的超声频率和功率外，超声加工系统的频率分辨率、响应速度和振幅波动对加工过程也起着关键作用。许多控制参数共同决定了超声加工系统的极限切削能力，是决定材料加工是否有效的关键，也是研究超声加工过程的技术条件。

在实际加工过程中，刀具进出材料的切削过程是一个典型的强时变负载过程，即切削力在极短的时间内发生很大的变化，而在这个过程中，超声加工系统的阻抗特性和控制系统的电气特性都会发生很大的变化。所以在这个过程中保证振幅的稳定是非常重要的。超声波控制器频率的分辨率和精度以及系统的响应速度是这一过程中的关键参数。图4示出了在典型的超声波切割过程中系统的状态特性的变化。

从图4可以看出，当刀具开始进入加工状态时，加工过程中的切削力瞬间增大。这时，为了保证切割过程中超声波振幅的稳定，系统会调整内部控制参数(如频率、功率等。)使振幅在加工过程中处于稳定状态。当刀具切割加工材料时，也会发生类似的过程。

在超声加工过程中，负载和温度的变化会导致系统特性发生很大的变化。快速频率跟踪是实现高效超声加工的关键。常见的方法有最大电流法、锁相环法和最大功率法。此外，超声功率的自适应控制技术也是超声加工的重要组成部分，其目标是解决外加载荷后振幅受到抑制，刀具无法完成有效切削的问题。这些测试都需要超声加工系统实现对超声致动器实时状态的反馈检测，因此超声振动的反馈检测也是实现稳定超声加工的重要一环。如今，在这个过程中已经应用了许多先进的算法。常见的算法有PID、模糊算法、人工神经网络等。该算法的核心是识别加工过程中的状态，从而保证加工过程的鲁棒性。

4超声波加工技术的工艺特点及应用

根据被加工材料的不同特性，超声加工的材料去除机理和达到的效果有很大的不同。典型的难加工材料可分为硬脆材料、复合材料和难加工金属材料。硬质材料主要包括玻璃、陶瓷、钨钢和陶瓷基材料等。这些材料通常用金刚石工具加工。在加工过程中，需要考虑被加工材料的硬度，以及超声波加工时如何降低切削力，提高加工质量。复合材料主要包括碳纤维增强复合材料、芳纶纤维复合材料和蜂窝弱刚度复合材料。这些材料的加工主要需要根据材料特性选择合适的超声振动形式和振幅，以达到降低切削力、减缓刀具磨削的目的。难加工金属材料主要有钛合金、高温合金、高强度钢等具有一定韧性的金属材料。这类材料的加工主要需要解决粘刀问题，降低切削温度，减缓刀具磨损。其超声振动要求与硬脆材料有很大不同。一般采用扭转振动或纵向扭转，对振幅要求比较大。对金属材料来说，实现完全的间歇切削和切削区域的高效冷却润滑是最理想的加工情况。

不同材料在超声波加工过程中的主要工艺特征如下。

(1)硬脆材料，如玻璃、陶瓷(氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅)、陶瓷基材料以及硬度高、脆性大的微晶玻璃，主要加工难点是表面损伤大、刀具磨损严重、加工效率低。超声波加工有利于改善切削状态，从而延长刀具寿命，改善表面质量，提高加工效率。半导体碳化硅(SiC)的超声波加工和传统加工之间的平均切削力的比较如图5所示。

(2)以碳纤维和芳纶纤维为增强相的复合材料在加工过程中容易产生表面损伤、撕裂和分层，加工效率低，刀具磨损快。超声波加工后，刀具的切削能力将大大增强，毛刺将减少，刀具寿命将延长。航空蜂窝材料的超声波处理如图6所示。

(3)难加工金属材料钛合金、高温合金、高强度钢等具有一定韧性的金属材料，由于加工温度高，容易出现粘刀、刀具磨损严重等问题。超声波加工可以降低切削力，降低切削温度，改善切屑形态，减少刀具粘着，延长刀具寿命。钛合金超声波加工和普通加工的刀具磨损比较如图7所示。

5超声波加工技术的未来发展趋势

目前，超声加工技术正处于快速发展阶段，各种新材料的使用为超声加工提供了强大的应用基础，超声加工技术也成为这类材料精密加工的有力武器。未来，超声波加工技术将在整个行业的推动下快速发展。同时，以下研究方向可能成为未来科学研究和工程应用的热点。

5.1先进的超声波复合能量场技术

多维超声加工技术将得到更多的应用，与之相匹配的控制技术和加工技术将是今后的研究重点。此外，超声、激光、等离子体等技术的复合技术是未来超声加工的一个重要方向。不同的能量场会在难加工材料的加工过程中发挥各自独特的作用，使加工变得更加容易。

5.2快速、准确、稳定的控制算法和控制系统

实际的切削过程与静态或准静态过程有很大的不同。不同的材料、刀具和切削参数会对切削力、切削温度和系统阻抗特性产生很大的影响，特别是在强时变载荷下，容易造成超声加工系统的不稳定。通过快速、准确、稳定的控制算法来保证超声加工系统的稳定性是实现高效、精密加工的关键，未来将会有更多的控制算法被引入到超声加工过程中。

5.3超声波加工的高速高效

在传统的精密加工中，很难将加工质量和加工效率结合起来，尤其是对于航空航天领域的复杂结构零件。为了保证加工质量，加工效率通常较低。而超声波加工用于加工该领域的难加工材料时，如钛合金、高温合金、碳纤维复合材料等，其独特的间歇分离方式可以实现切削过程中切削区的周期性开启，从而提高加工过程中的冷却润滑功能，通过切削区的减力降温功能提高切削速度，从而实现高质量、高效率的精密加工。

5.4超声波加工标准化体系的建立

工艺能力是超声波加工技术优势的直观体现。充分而深刻地了解技术能力有助于充分发挥超声波的作用。随着技术研究的深入，更多的超声波加工专用工具、夹具和匹配的工艺参数将逐渐出现，超声波加工的能力将逐渐得到充分发挥。然而，到目前为止，超声波加工技术还没有形成统一的标准。“欲知直，必取衡；如果你想了解方圆，你必须遵守规则。加快行业标准和国家标准的制定，有助于消除技术壁垒，促进超声波加工技术的推广应用和行业发展。

6结束语

值得一提的是，超声波加工技术并不是针对难加工材料的通用加工技术，不同类型的超声波加工也有各自的适应性和局限性。只有熟悉超声波加工技术的特点，了解工艺要求，才能用好这项技术。超声加工技术是一项极具发展潜力的新型先进制造技术，是制造强国的重要技术支撑。随着难加工材料的大量使用，超声波加工技术将得到迅速应用和发展。未来，超声波加工技术将解决更多难加工材料的精密加工难题。