本文主要從工業(yè)應(yīng)用需求的角度介紹超聲波加工技術(shù)的發(fā)展概況、研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。超聲波加工技術(shù)是一種針對難加工材料(硬脆材料、復(fù)合材料、難加工金屬材料等)的特種加工技術(shù)。)，在航空航天、汽車、半導(dǎo)體、3C、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。超聲加工技術(shù)可以利用超聲振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)難加工材料的精確去除。近年來，在國內(nèi)外多所高校、科研院所和企業(yè)的共同努力下，超聲波加工技術(shù)發(fā)展迅速，在多種難加工材料的精密加工場景中實(shí)現(xiàn)了大量典型應(yīng)用。超聲波加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)中特種加工技術(shù)的代表，將為制造業(yè)水平的提高提供重要支撐。

1前言

近年來，先進(jìn)工程材料在航空航天、汽車、半導(dǎo)體、3C、醫(yī)療等制造領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，如鈦合金、高溫合金、工程陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料和蜂窩復(fù)合材料等。這些材料具有優(yōu)良的使用性能，但可加工性較差，是典型的難加工材料[1]。當(dāng)采用傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)對這些材料進(jìn)行精密加工時(shí)，會遇到一定的瓶頸。一種新的制造技術(shù)——超聲波加工，越來越受到人們的重視并得到廣泛應(yīng)用。

超聲加工技術(shù)是一種通過超聲振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)難加工材料精密去除的技術(shù)。該技術(shù)通過一系列結(jié)構(gòu)的傳遞和轉(zhuǎn)換，將超聲振動(dòng)能量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)一步改善許多難加工材料的可加工性。該技術(shù)在加工過程中具有許多優(yōu)點(diǎn)，如:降低切削力和切削熱、刀具磨損和毛刺、優(yōu)化切屑形狀、改善表面質(zhì)量、減少亞表面損傷和提高加工效率等。(由于超聲波工具、材料、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(shù)是在功率超聲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的特種加工技術(shù)，本質(zhì)上是一種物理去除過程，不涉及材料性能的改變。隨著市場需求的不斷增加，超聲波加工技術(shù)的商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化體系已成為當(dāng)前市場需求的焦點(diǎn)。相關(guān)的超聲波加工技術(shù)已經(jīng)開始走出實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用于許多典型難加工材料的精密加工，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)合材料和鋁基碳化硅復(fù)合材料[7-12]。應(yīng)用領(lǐng)域和典型案例如圖1所示。近年來，難加工材料在我國的廣泛應(yīng)用，帶來了對超聲波加工技術(shù)更多的應(yīng)用需求，促進(jìn)了該技術(shù)的市場化。許多科研機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)已經(jīng)開始了超聲波加工技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

2超聲波加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

"工欲善其事，必先利其器."超聲波加工技術(shù)是精密加工難加工材料的利器。在大多數(shù)切削領(lǐng)域，超聲波加工更準(zhǔn)確的名稱應(yīng)該是“超聲波輔助精密加工”，即在傳統(tǒng)切削技術(shù)上輔助超聲波振動(dòng)，以達(dá)到特殊的材料去除效果。但在某些特殊情況下，超聲振動(dòng)也會成為主要甚至唯一的切削動(dòng)力。這種超聲波加工技術(shù)可以直接稱為超聲波加工，例如:醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的用于切骨的超聲刀[13]；超聲波匕首廣泛應(yīng)用于航空蜂窩材料零件的加工，可以實(shí)現(xiàn)高效綠色加工[14]。

早在20世紀(jì)20年代，美國、日本、德國和蘇聯(lián)的科學(xué)家就開始了振動(dòng)加工的基礎(chǔ)研究。早期的研究主要集中在改善切削條件以實(shí)現(xiàn)斷屑，其主要應(yīng)用是在超聲車削領(lǐng)域。這一階段的主要特點(diǎn)是低頻振動(dòng)加工，其頻率與目前的超聲波頻率(15kHz以上)大不相同[15]。進(jìn)入21世紀(jì)后，機(jī)床制造商德馬吉森精機(jī)推出了商用超聲波加工機(jī)，成為較早將超聲波加工技術(shù)商業(yè)化的企業(yè)。

2000年前后，由于難加工材料的種類層出不窮，國內(nèi)各高校和科研院所掀起了研究超聲波加工技術(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)、河南理工大學(xué)等開展了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)，涉及超聲加工技術(shù)中的設(shè)備設(shè)計(jì)、控制技術(shù)、超聲加工系統(tǒng)和超聲技術(shù)。

超聲波加工技術(shù)從開始到2000年左右經(jīng)歷了萌芽階段，然后經(jīng)過近20年的快速發(fā)展。在過去的五年中，難加工材料的快速廣泛應(yīng)用加速了超聲波加工技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展。目前，國內(nèi)外超聲加工設(shè)備、超聲振動(dòng)控制和技術(shù)的技術(shù)逐漸成熟，也促進(jìn)了人們對超聲加工技術(shù)的基本要求、工作機(jī)理、工藝特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的深入了解。與此同時(shí)，越來越多的大學(xué)和研究所從事超聲加工技術(shù)的研究，超聲加工的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

3超聲波加工技術(shù)的基本原理

目前，國內(nèi)外對超聲波加工技術(shù)的認(rèn)識還在發(fā)展中，還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。常規(guī)超聲加工系統(tǒng)主要包括超聲驅(qū)動(dòng)控制器、超聲發(fā)射器、換能器、變幅桿、夾緊結(jié)構(gòu)和刀具，如圖2所示。本文將從超聲波加工系統(tǒng)的分類、典型的超聲波加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、超聲波驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)和超聲波技術(shù)等方面介紹超聲波加工技術(shù)的特點(diǎn)。

3.1超聲波處理系統(tǒng)的分類

根據(jù)超聲振動(dòng)的形式，可分為一維超聲加工、二維超聲加工和三維超聲加工。振動(dòng)形式包括縱向(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)加工和復(fù)合超聲振動(dòng)加工，其中復(fù)合超聲振動(dòng)涉及不同超聲振動(dòng)形式的組合[18]。

根據(jù)超聲振動(dòng)材料，可分為電致伸縮超聲加工和磁致伸縮超聲加工。目前常用的電致伸縮超聲加工主要是基于壓電陶瓷的起振原理，通過施加電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，但振動(dòng)功率有限，更適合輕載切削。磁致伸縮是基于磁致伸縮或超磁致伸縮材料的磁場驅(qū)動(dòng)原理。其振動(dòng)功率容量大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更適合重負(fù)荷切削條件[19]。

按能量傳輸方式可分為有線能量傳輸超聲加工和無線能量傳輸超聲加工。有線傳能超聲加工常用于無旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或低轉(zhuǎn)速的加工，如刷子。無線能量傳輸超聲波加工一般用于旋轉(zhuǎn)超聲波加工(RUM)。無線能量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)基于松耦合非接觸方式，分為全耦合超聲加工和部分耦合超聲加工。就目前的技術(shù)發(fā)展而言，考慮到機(jī)床的自動(dòng)換刀，部分耦合的無線能量傳輸方式是目前最適應(yīng)的方式。

按工藝類型可分為:超聲波銑削、超聲波車削、超聲波鉆孔、超聲波磨削、超聲波拋光、超聲波切割和超聲波淬火(硬化)。每種技術(shù)對超聲波能量和振動(dòng)形式都有特殊的要求。

按零件的加工精度可分為:精密超聲波加工和超精密超聲波加工[20-21]。它們之間的主要區(qū)別在于每單位切削去除的材料量。一般精度要求< 1μ m的去除被認(rèn)為是超精密超聲加工，橢圓超聲加工比較典型，更適合微納切削。

按切削速度可分為傳統(tǒng)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度為400m/min的超聲波加工。

3.2典型超聲波加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)

典型的超聲波加工機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括超聲波驅(qū)動(dòng)控制器、無線功率傳輸模塊、超聲波刀架、刀具、數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體，其中超聲波驅(qū)動(dòng)控制器包括超聲波發(fā)生器、超聲波功率放大器、超聲波反饋檢測和超聲波控制器。超聲波發(fā)射器和超聲波接收器構(gòu)成無線電力傳輸模塊。超聲刀柄是超聲加工系統(tǒng)的主要功能部件，一般由超聲接收器、換能器、變幅桿等組成。超聲波加工系統(tǒng)和機(jī)床本身的數(shù)控系統(tǒng)需要保持一定的通信控制能力，以保證整個(gè)加工過程的順利進(jìn)行。

3.3超聲波加工系統(tǒng)的驅(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)勢的靈魂，而控制器的性能是體現(xiàn)超聲加工性能的關(guān)鍵。在實(shí)際加工過程中，有許多參數(shù)需要超聲波驅(qū)動(dòng)控制器來控制。除了最基本、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)速度和振幅波動(dòng)對加工過程也起著關(guān)鍵作用。許多控制參數(shù)共同決定了超聲加工系統(tǒng)的極限切削能力，是決定材料加工是否有效的關(guān)鍵，也是研究超聲加工過程的技術(shù)條件。

在實(shí)際加工過程中，刀具進(jìn)出材料的切削過程是一個(gè)典型的強(qiáng)時(shí)變負(fù)載過程，即切削力在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生很大的變化，而在這個(gè)過程中，超聲加工系統(tǒng)的阻抗特性和控制系統(tǒng)的電氣特性都會發(fā)生很大的變化。所以在這個(gè)過程中保證振幅的穩(wěn)定是非常重要的。超聲波控制器頻率的分辨率和精度以及系統(tǒng)的響應(yīng)速度是這一過程中的關(guān)鍵參數(shù)。圖4示出了在典型的超聲波切割過程中系統(tǒng)的狀態(tài)特性的變化。

從圖4可以看出，當(dāng)?shù)毒唛_始進(jìn)入加工狀態(tài)時(shí)，加工過程中的切削力瞬間增大。這時(shí)，為了保證切割過程中超聲波振幅的穩(wěn)定，系統(tǒng)會調(diào)整內(nèi)部控制參數(shù)(如頻率、功率等。)使振幅在加工過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)毒咔懈罴庸げ牧蠒r(shí)，也會發(fā)生類似的過程。

在超聲加工過程中，負(fù)載和溫度的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)特性發(fā)生很大的變化?？焖兕l率跟蹤是實(shí)現(xiàn)高效超聲加工的關(guān)鍵。常見的方法有最大電流法、鎖相環(huán)法和最大功率法。此外，超聲功率的自適應(yīng)控制技術(shù)也是超聲加工的重要組成部分，其目標(biāo)是解決外加載荷后振幅受到抑制，刀具無法完成有效切削的問題。這些測試都需要超聲加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對超聲致動(dòng)器實(shí)時(shí)狀態(tài)的反饋檢測，因此超聲振動(dòng)的反饋檢測也是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定超聲加工的重要一環(huán)。如今，在這個(gè)過程中已經(jīng)應(yīng)用了許多先進(jìn)的算法。常見的算法有PID、模糊算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。該算法的核心是識別加工過程中的狀態(tài)，從而保證加工過程的魯棒性。

4超聲波加工技術(shù)的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

根據(jù)被加工材料的不同特性，超聲加工的材料去除機(jī)理和達(dá)到的效果有很大的不同。典型的難加工材料可分為硬脆材料、復(fù)合材料和難加工金屬材料。硬質(zhì)材料主要包括玻璃、陶瓷、鎢鋼和陶瓷基材料等。這些材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的硬度，以及超聲波加工時(shí)如何降低切削力，提高加工質(zhì)量。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)合材料和蜂窩弱剛度復(fù)合材料。這些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)形式和振幅，以達(dá)到降低切削力、減緩刀具磨削的目的。難加工金屬材料主要有鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等具有一定韌性的金屬材料。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(dòng)要求與硬脆材料有很大不同。一般采用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)或縱向扭轉(zhuǎn)，對振幅要求比較大。對金屬材料來說，實(shí)現(xiàn)完全的間歇切削和切削區(qū)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，主要加工難點(diǎn)是表面損傷大、刀具磨損嚴(yán)重、加工效率低。超聲波加工有利于改善切削狀態(tài)，從而延長刀具壽命，改善表面質(zhì)量，提高加工效率。半導(dǎo)體碳化硅(SiC)的超聲波加工和傳統(tǒng)加工之間的平均切削力的比較如圖5所示。

(2)以碳纖維和芳綸纖維為增強(qiáng)相的復(fù)合材料在加工過程中容易產(chǎn)生表面損傷、撕裂和分層，加工效率低，刀具磨損快。超聲波加工后，刀具的切削能力將大大增強(qiáng)，毛刺將減少，刀具壽命將延長。航空蜂窩材料的超聲波處理如圖6所示。

(3)難加工金屬材料鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等具有一定韌性的金屬材料，由于加工溫度高，容易出現(xiàn)粘刀、刀具磨損嚴(yán)重等問題。超聲波加工可以降低切削力，降低切削溫度，改善切屑形態(tài)，減少刀具粘著，延長刀具壽命。鈦合金超聲波加工和普通加工的刀具磨損比較如圖7所示。

5超聲波加工技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

目前，超聲加工技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，各種新材料的使用為超聲加工提供了強(qiáng)大的應(yīng)用基礎(chǔ)，超聲加工技術(shù)也成為這類材料精密加工的有力武器。未來，超聲波加工技術(shù)將在整個(gè)行業(yè)的推動(dòng)下快速發(fā)展。同時(shí)，以下研究方向可能成為未來科學(xué)研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。

5.1先進(jìn)的超聲波復(fù)合能量場技術(shù)

多維超聲加工技術(shù)將得到更多的應(yīng)用，與之相匹配的控制技術(shù)和加工技術(shù)將是今后的研究重點(diǎn)。此外，超聲、激光、等離子體等技術(shù)的復(fù)合技術(shù)是未來超聲加工的一個(gè)重要方向。不同的能量場會在難加工材料的加工過程中發(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)定的控制算法和控制系統(tǒng)

實(shí)際的切削過程與靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)過程有很大的不同。不同的材料、刀具和切削參數(shù)會對切削力、切削溫度和系統(tǒng)阻抗特性產(chǎn)生很大的影響，特別是在強(qiáng)時(shí)變載荷下，容易造成超聲加工系統(tǒng)的不穩(wěn)定。通過快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制算法來保證超聲加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高效、精密加工的關(guān)鍵，未來將會有更多的控制算法被引入到超聲加工過程中。

5.3超聲波加工的高速高效

在傳統(tǒng)的精密加工中，很難將加工質(zhì)量和加工效率結(jié)合起來，尤其是對于航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。為了保證加工質(zhì)量，加工效率通常較低。而超聲波加工用于加工該領(lǐng)域的難加工材料時(shí)，如鈦合金、高溫合金、碳纖維復(fù)合材料等，其獨(dú)特的間歇分離方式可以實(shí)現(xiàn)切削過程中切削區(qū)的周期性開啟，從而提高加工過程中的冷卻潤滑功能，通過切削區(qū)的減力降溫功能提高切削速度，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的精密加工。

5.4超聲波加工標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立

工藝能力是超聲波加工技術(shù)優(yōu)勢的直觀體現(xiàn)。充分而深刻地了解技術(shù)能力有助于充分發(fā)揮超聲波的作用。隨著技術(shù)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(xiàn)，超聲波加工的能力將逐漸得到充分發(fā)揮。然而，到目前為止，超聲波加工技術(shù)還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?！坝?，必取衡；如果你想了解方圓，你必須遵守規(guī)則。加快行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的制定，有助于消除技術(shù)壁壘，促進(jìn)超聲波加工技術(shù)的推廣應(yīng)用和行業(yè)發(fā)展。

6結(jié)束語

值得一提的是，超聲波加工技術(shù)并不是針對難加工材料的通用加工技術(shù)，不同類型的超聲波加工也有各自的適應(yīng)性和局限性。只有熟悉超聲波加工技術(shù)的特點(diǎn)，了解工藝要求，才能用好這項(xiàng)技術(shù)。超聲加工技術(shù)是一項(xiàng)極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦拖冗M(jìn)制造技術(shù)，是制造強(qiáng)國的重要技術(shù)支撐。隨著難加工材料的大量使用，超聲波加工技術(shù)將得到迅速應(yīng)用和發(fā)展。未來，超聲波加工技術(shù)將解決更多難加工材料的精密加工難題。