中國的超聲加工

超聲加工技術自從(cong) 1950年代由日本宇都宮大學隈部淳一郎教授提出振動切削方法以來，得到了學者廣泛關(guan) 注和係統研究，到目前為(wei) 止已經經曆了60多個(ge) 年頭。隨著中國經濟的迅猛發展，中國超聲加工技術正由研究規模向應用技術發展，2015年10月於(yu) 廈門召開了首屆超聲加工技術論壇，2016年5月中國機械工程學會(hui) 特種加工分會(hui) 成立了超聲加工技術委員會(hui) ，2016年10月於(yu) 大連召開了首屆全國超聲加工技術研討會(hui) 。為(wei) 更好地了解中國超聲加工技術研究的現狀，本刊以“超聲加工專(zhuan) 欄”形式刊登中國超聲加工技術研究的概況。本文作為(wei) 專(zhuan) 欄序文概括論述我國超聲加工技術研究與(yu) 應用的現狀及發展趨勢。

超聲加工從(cong) 狹義(yi) 上看是一種高頻振動能量附加到機械加工過程的一種加工方法，超聲振動能量來源通常是電壓驅動壓電伸縮振動或電流驅動磁致伸縮振動，所以超聲加工屬電加工範疇；從(cong) 振動切削運動學廣義(yi) 上看，該領域也包括低頻振動加工；從(cong) 超聲加工工藝學廣義(yi) 上看，該領域以振動切削為(wei) 主體(ti) 外還包括超聲成形、超聲焊接、超聲處理等；從(cong) 超聲加工對象廣義(yi) 上看，該領域主要麵向工業(ye) 產(chan) 品製造外還可以作為(wei) 醫療手術用超聲手術工具。超聲加工已經逐步成為(wei) 提高機械加工能效的一種重要手段，特別是新材料與(yu) 難加工材料、難加工結構與(yu) 表麵、高表麵完整性加工等需求不斷增多，使超聲加工的可應用優(you) 勢範圍不斷擴大，從(cong) 而引起更多學者和產(chan) 業(ye) 界的廣泛研究與(yu) 應用。

國內(nei) 真正開始係統研究超聲加工技術是從(cong) 1980年代開始的，具代表性的國內(nei) 早期研究學者是原吉林工業(ye) 大學的王立江教授、廣西大學的阮世勳教授等，主要以振動切削機理試驗研究為(wei) 主，幾乎沒有走出實驗室向工程應用。後來逐步擴大到1990年代的第二代研究力量，逐步研發實用性超聲加工裝置，並出現了橢圓超聲加工技術，克服了單向超聲振動切削的崩刃問題，為(wei) 工程應用奠定了技術基礎。再後來2000年代以後超聲加工技術逐步走出實驗室，通過在工程上逐步擴大應用而快速推進超聲加工技術發展。近十年國內(nei) 超聲加工研究單位迅猛增多，導致中國超聲加工研究論文在國內(nei) 外期刊發表數量急劇增加，在SCI、EI檢索論文中中國學者的超聲加工論文數量處於(yu) 地位，迎來了超聲加工研究中國鼎盛時期。

超聲振動切削技術自從(cong) 20世紀50年代提出以來，曆經60多年發展一直沒有突破切削速度限問題，即切削速度大於(yu) 振動速度後振動切削效果基本消失。北京航空航天大學張德遠團隊2010年提出、2016年試驗證實、2017年在線發表了“高速斷續超聲振動切削加工方法”，*打破傳(chuan) 統振動切削反向速度分離的理念，通過切削橫向分離方式實現高速斷續超聲切削，*打破了以往振動切削的切削速度限。這種新的振動切削模式不僅(jin) 保持了脈衝(chong) 式振動切削降低切削力特性，而且斷續空切冷卻潤滑延長刀具壽命，實現增速不增磨的高速斷續切削理念，還通過振動相位差控製表麵加工質量。這一新模式同時還打破了普通切削(如車削、銑削、鑽削等)的切削速度限，實現了宏觀高速切削，微觀高速斷續切削的新機理，這對於(yu) 解決(jue) 難加工材料高速切削難題開辟了全新途徑。振動切削領域、普通切削領域兩(liang) 個(ge) 切削速度極限的突破，對顯著提升難加工材料總體(ti) 加工效率具有極其重要的應用價(jia) 值。

超聲振動磨削脆性材料是超聲加工擅長的一種加工工藝方法，但是超聲加工表麵裂紋與(yu) 出口崩邊問題一直沒有得到很好解決(jue) 。清華大學馮(feng) 平法團隊對超聲加工脆性材料進行了深入的理論與(yu) 試驗研究，理論分析與(yu) 試驗證實了極限切削力是保證硬脆材料超聲磨鑽工藝有效的首要條件，減小亞(ya) 表麵損傷(shang) 和減小刀具端麵麵積可以顯著降低出口崩邊，磨粒橫向振動軌跡可以提高脆性複合材料磨鑽的孔表麵質量、降低分層麵積。這對於(yu) 、高質超聲加工脆性材料提供了新的理論基礎。

超聲切割加工是蜂窩芯複合材料的一種加工方法，但是在超聲切割加工過程中依然會(hui) 出現不同程度的纖維拔出、酚醛清漆層剝落等加工缺陷特征。大連理工大學康仁科團隊采用直刃刀超聲縱切、斜切、橫切三種方式，通過提高超聲刀具振幅、降低進給量顯著降低了蜂窩芯加工過程中的酚醛清漆層剝落的幾率。理論分析與(yu) 試驗驗證了直刃超聲切割的切削力變化規律，進給方向超聲振幅和刀具前傾(qing) 角對切削力的影響較大。這為(wei) 實現大塊、極薄精密超聲切割蜂窩材料奠定了理論與(yu) 技術基礎。

超聲加工界麵微觀機理極為(wei) 複雜，直接關(guan) 係到超聲加工效果的合理發揮和能力挖潛，值得微觀表征深入研究。其中有四項問題入選《一萬(wan) 個(ge) 科學難題-製造卷》，分別是北京航空航天大學張德遠團隊提出的“超聲加工的強衝(chong) 擊變形機製問題”和“超聲手術的組織選擇性作用機理”，集美大學皮鈞團隊提出的“超聲振動切削過程接觸界麵材料塑性動力變形和粘彈潤滑機理問題”，天津大學宮虎團隊提出的“金剛石刀具超聲輔助超精密車削黑色金屬的機理問題”。有待於(yu) 今後通過多學科交叉深入解析超聲加工界麵的多場作用機理，通過仿生技術、微納技術、新材料技術等改善界麵條件，從(cong) 而不斷提升超聲加工技術的工藝效果，擴大其優(you) 勢應用範圍。

超聲加工裝備是實現工程應用的關(guan) 鍵，包括超聲載能裝備(機床、主軸、刀柄、刀具載能)、超聲激勵裝備(超聲換能器、供電環、發生器)等，超聲能量的適應性、穩定性是超聲加工應用的基本條件。目前，國內(nei) 外超聲加工的主要差距就體(ti) 現在超聲加工裝備的產(chan) 品化上。德國DMG公司的超聲銑磨機床，主要加工脆性材料；美國EFM公司的超聲切割機床，主要用於(yu) 蜂窩芯切割與(yu) 銑切。這些數控機床配上性能穩定、適應性強的超聲加工裝置就形成的價(jia) 格昂貴的超聲加工機床。為(wei) 趕上或超過國外超聲加工裝備的技術水平，必須突破以下幾項關(guan) 鍵技術：機床本體(ti) 化才能有超聲加工裝備高性能化的成本空間，這需要我國數控機床技術的突破；超聲加工裝備與(yu) 機床本體(ti) 高度融合化才能形成性能匹配好的超聲加工機床，這需要機床企業(ye) 與(yu) 超聲加工裝置研發單位之間合作機製上的突破；超聲諧振刀具與(yu) 超聲加工刀柄之間批量互換匹配才能實現超聲加工工藝大麵積推廣應用，這需要刀具廠商與(yu) 超聲加工裝備製造商之間聯合製定超聲加工刀具設計標準；超聲加工裝備本身的陶瓷堆、感應供電、阻抗匹配、變幅杆、發生器組成的諧振係統的諧振頻率、阻抗一致性好才能保證產(chan) 品互換，這需要各子係統製造質量的穩定性與(yu) 互換標準。這些問題恰恰是我國工業(ye) 基礎件水平低、工業(ye) 創新機製落後的具體(ti) 表現，需要紮紮實實的努力盡快解決(jue) 。

超聲加工應用領域在我國目前主要集中在國防領域，按其有效性劃分，分為(wei) 對難加工材料*的切削能力上的應用、對弱剛度工藝係統極小的切削抗力上的應用、對精細光整表麵極微細的光整能力上的應用、對抗疲勞表麵*的強化能力上的應用等，還有對生物活體(ti) 組織微創手術中的極小創傷(shang) 上的應用。因此，超聲加工應用領域劃分主要是從(cong) 工件材料、結構、表麵形貌、表麵力學等方麵劃分，超聲加工已經幾乎滲透到了切削磨削、特種加工的各種工藝中。從(cong) 超聲加工的應用行業(ye) 來看，應用多的是航空航天行業(ye) ，因為(wei) 這一行業(ye) 的難加工材料居多、產(chan) 品質量要求高，使超聲加工工藝效果顯示度大；同時這一行業(ye) 的零件批量小、生產(chan) 節拍並不快，使以往超聲加工的極限速度弱勢沒有顯現出來。在兵器、核工業(ye) 、船舶等國防其他行業(ye) 也有大量的超聲加工應用優(you) 勢，主要體(ti) 現在難加工材料與(yu) 難加工結構加工的精密加工效果。隨著北航提出的高速超聲加工技術的不斷完善與(yu) 提升，高速超聲加工在眾(zhong) 多行業(ye) 均有廣闊的應用前景。首先擴大高速超聲加工在民用行業(ye) 中的應用，高速超聲加工工藝用於(yu) 精密儀(yi) 器、光學零件、微細零件、脆性材料、精密模具等行業(ye) ，再擴展到快節拍的汽車製造業(ye) 中應用高速超聲加工技術。隨著高速超聲加工技術的不斷進步和製造要求的不斷提高，高速超聲加工的應用領域、應用行業(ye) 會(hui) 不斷擴大，在機械製造行業(ye) 中的作用會(hui) 不斷加大，還會(hui) 在生物製造、仿生製造、微納製造等新型行業(ye) 中發揮不可替代的關(guan) 鍵作用。

超聲加工領域人才培養(yang) 主要集中在高校和研究所，覆蓋麵比較寬，但缺乏超聲加工精品教材，缺乏學科交叉基礎性專(zhuan) 著，缺乏超聲加工行業(ye) 標準，缺乏相關(guan) 研究計劃的學科目錄，缺乏超聲加工的專(zhuan) 業(ye) 雜誌。因此，超聲加工技術與(yu) 其他電加工技術相比，總體(ti) 上還處於(yu) 初期發展與(yu) 應用階段，必須在超聲加工人才培養(yang) 過程中，不斷實現超聲加工理論與(yu) 應用技術的突破，為(wei) 我國製造業(ye) 做出重大貢獻。

張德遠(北京航空航天大學機械工程與(yu) 自動化學院)