超聲振動切削技術(shù)發(fā)展簡述

張翔宇，隋翯，姜興剛，張德遠(yuǎn)

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191）

超聲振動切削是一種通過給切削刀具或工件添加一個(gè)微米級的超聲頻振動，實(shí)現(xiàn)刀具和工件斷續(xù)切削的特種加工方法[1]。不同于普通切削過程中的刀具與工件持續(xù)接觸，在振動特性引入后的切削過程中，刀具和工件具有周期性分離的特性，使振動切削獲得更佳的工藝效果，如較低的切削力[2-3]、較高的切削穩(wěn)定性[4-6]、較小的刀具磨損[7-8]和較好的表面質(zhì)量[6，9-11]等，而這些工藝優(yōu)勢又使振動切削的應(yīng)用范圍得到極大的拓展。從工藝方法來說，振動切削已從最早的車削工藝[12-14]逐漸發(fā)展成銑削[16]、鉆削[17-19]、磨削[20-21]等多種加工工藝。特別是，若不考慮切削，振動的方法還被推廣到擠壓、強(qiáng)化[22-23]等工藝應(yīng)用中。從加工對象來說，振動切削的應(yīng)用范圍除了常規(guī)金屬[24]（如銅、鋁等）外，還包括淬硬鋼[7，13]、鈦合金[18，25-27]、高溫合金[14，17]、陶瓷[15，28]、光學(xué)玻璃[29-30]及復(fù)合材料[16，31-33]等。從工藝技術(shù)來說，振動切削的振動方式從最初的一維振動（切削速度方向振動，圖1a）[12]逐漸演變到目前廣泛應(yīng)用的橢圓（二維）振動（切削速度方向與切深方向的耦合振動，圖1b）[34]；后來，研究者改進(jìn)了一維振動的方式，將其振動方向垂直于切削速度方向（橫向振動，圖1c），從而提出了高速振切的理念，并在鈦合金切削實(shí)驗(yàn)中取得了顯著的工藝效果[35]。因此，當(dāng)超聲振動切削高速發(fā)展之時(shí)，就其多樣化的成果進(jìn)行梳理和總結(jié)，對未來發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 三種超聲振動切削方式示意圖[35]

本文以圖1所示的超聲振動切削中振動方式的三個(gè)發(fā)展階段為主線，對其在國內(nèi)外影響較大和最新的工藝?yán)碚撆c實(shí)驗(yàn)研究成果進(jìn)行分類討論，分析了三個(gè)階段中不同振動方式的優(yōu)劣，并指出其未來可能的發(fā)展方向。

1 一維超聲振動切削

國外最早提出了超聲振動切削概念，其振動形式見圖1a，即刀尖振動方向平行于切削速度方向，因此又被稱作一維超聲振動切削。如圖2所示，當(dāng)切削速度小于刀具振動速度時(shí)，即可出現(xiàn)刀具和工件的周期性分離現(xiàn)象，該現(xiàn)象使一維超聲振動切削相比普通切削有顯著的優(yōu)勢。張德遠(yuǎn)[36]對一維超聲振動切削的微細(xì)精密切削特性進(jìn)行了深入探討，指出當(dāng)切深微小時(shí)，刀具刃口鈍圓不能忽略，切削過程存在刃口鈍圓的犁切和后刀面已加工工件的彈性回復(fù)現(xiàn)象（圖3），并從切削原理的層面上論證了一維超聲振動切削能提高切削系統(tǒng)的剛度，有效抑制系統(tǒng)的變形與表面回彈，從而提高切削表面質(zhì)量；同時(shí)，后刀面摩擦和表面粗糙度值的降低同樣體現(xiàn)了振動切削在微細(xì)切削過程中的優(yōu)勢。

隋翯、張翔宇等[4,37]從能量角度出發(fā)，提出了臨界切深模型，并通過深孔鏜削弱剛度件的對比實(shí)驗(yàn)證明了一維超聲振動切削能有效抑制耦合顫振，提高了切削過程穩(wěn)定性，從而減小了孔徑誤差，改善了加工表面質(zhì)量。

Khajehzadeh等[38]對不同振幅即分離狀態(tài)的一維超聲振動切削進(jìn)行了切削平均溫度建模，并通過熱電偶測量干切7075鋁的溫度實(shí)驗(yàn)，說明了振動切削過程中的降溫特點(diǎn)。

Babitsky等[39]研究了不同占空比時(shí)車削鋼的切削力變化狀態(tài)，如圖4所示，當(dāng)占空比越?。ǚ蛛x作用越顯著）時(shí)，切削力呈下降趨勢，最低可降至不分離切削狀態(tài)時(shí)的25%。

圖2 一維振動切削分離示意圖[1]

圖3 一維振動切削過程與表面成形機(jī)理[36]

圖4 不同占空比條件下切削力對比示意圖[39]

在傳統(tǒng)金屬合金切削加工領(lǐng)域之外，一維超聲振動切削也在脆性材料和復(fù)合材料切削領(lǐng)域中取得了顯著效果。周明等[30,40-42]開展了脆性材料石英玻璃及BK7、SF6、SF11光學(xué)玻璃的超聲振動切削研究，結(jié)果表明：引入超聲振動能起到降低切削力、增大塑性切削域的作用，還能提高材料加工的表面質(zhì)量和效率。

高航等[16]開展了超聲振動螺旋銑疊層復(fù)合材料制孔的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：超聲振動能有效降低軸向切削力和切削溫度，相比普通銑削、鉆削，切削力最大可分別下降25%、40%，而切削溫度則分別下降15.7%、22%。同時(shí)，出口毛刺的減少能極大地提升碳纖維基復(fù)合材料制孔的孔壁質(zhì)量，達(dá)到精鉸孔精度（Ra0.8 μm）。

邵振宇等[18]開展了鈦合金超聲振動鉆削實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：相比于普通鉆削，超聲鉆削降低的鉆削力和扭矩范圍分別為19.07%～20.09%和31.66%～34.3%，還能增強(qiáng)鉆頭橫刃和主切削刃的切削能力，獲得良好的斷屑和排屑效果，提高切削過程的穩(wěn)定性，極大地改善鈦合金鉆孔過程中鉆削困難、刀具使用壽命低和孔加工質(zhì)量差的問題。

2 橢圓超聲振動切削

超聲橢圓振動切削最早提出于1995年[34]，其振動方向包含平行于切削速度和切深方向的兩個(gè)分量（圖1b），在切削過程中表現(xiàn)出不同于一維超聲振動切削的機(jī)理[1,43-44]。如圖5所示，由于刀具存在平行于切深方向的振動，在一個(gè)振動周期的切削過程中，刀具存在切入、切出二個(gè)過程，可引起切深和刀具前、后角的動態(tài)變化。

圖5 橢圓超聲振動切削原理圖[44]

張翔宇等[45]通過有限元仿真和切削力建模，揭示了動態(tài)切深引起的過渡切削現(xiàn)象。馬春翔等[6]通過對鋁的對比切削實(shí)驗(yàn)，指出了不同于一維超聲振動切削的分離作用，橢圓超聲振動切削的前刀面與切屑摩擦力反轉(zhuǎn)效應(yīng)使得切深抗力下降至一維超聲振動切削的1/10、普通切削的1/50（圖6）。

王翀、姜興剛等[11,26]開展了超聲橢圓振動切削弱剛度件薄壁盤的實(shí)驗(yàn)研究，由于切削力顯著下降，切削穩(wěn)定性相比普通切削有了極大的提升，有效減少了弱剛度件的加工變形，其加工精度和表面粗糙度相比普通切削均提升了一倍。

圖6 不同切削方式的切削力對比[6]

Saito等[46-47]對切削淬硬模具鋼的實(shí)驗(yàn)表明，橢圓超聲振動切削能提高表面質(zhì)量并達(dá)到鏡面切削水平。Shamoto和Moriwaki[7,13]使用橢圓超聲振動切削取得了金剛石刀具切削黑色金屬（不銹鋼）的突破。在傳統(tǒng)切削中，由于金剛石刀具易與黑色金屬發(fā)生反應(yīng)，并不適合切削黑色金屬（如硬度為HRC39的鋼材），然而引入橢圓超聲振動能使切削力下降40%～60%，表面粗糙度值相比一維超聲振動切削可下降60%，還能延長刀具壽命，故很好地解決了金剛石切削黑色金屬的難題。

橢圓超聲振動切削不僅僅局限在車削領(lǐng)域，由于其相比一維超聲振動切削有著更大的優(yōu)勢，近年來已和多種切削工藝相融合，并取得了顯著的加工效果。李哲[31，48]、許幸新[49]、XU[32，50～51]等研究人員相繼開展了橢圓超聲振動鉆削復(fù)合材料的去除機(jī)理、斷屑理論及工藝實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：橢圓超聲振動切削的分離特性能有效斷屑、降低切削力、減小出口毛刺，進(jìn)而提升加工質(zhì)量。

Suzuki等[52-53]開展了針對脆性材料（如光學(xué)玻璃、螢石、單晶鍺、燒結(jié)硬質(zhì)合金及氧化鋯陶瓷）的橢圓超聲振動切削與普通切削對比實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：橢圓超聲的應(yīng)用極大地提高了脆性材料的塑性切削區(qū)域，在較大切深條件下實(shí)現(xiàn)了鏡面切削。同時(shí)，還進(jìn)行了橢圓超聲振動切削鎢基合金的實(shí)驗(yàn)，得到的切深可小于0.8 mm、表面粗糙度值能小于100 nm，同樣實(shí)現(xiàn)了鏡面切削。

耿大喜將橢圓超聲與側(cè)銑削[54]、鉸削[55]工藝結(jié)合，分別對碳纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料及鈦合金進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：超聲頻的分離效應(yīng)能提高刀具的冷卻效果，提升刀具壽命，同時(shí)降低了切削力，使加工表面質(zhì)量得到提升。

3 高速超聲振動切削

相比于普通切削，一維超聲振動切削與橢圓超聲振動切削的優(yōu)勢均是以刀具和工件存在周期性分離的特性為基礎(chǔ)。由于這兩種超聲振動切削均包含平行于切削速度方向的振動分量，其切削速度必須滿足v=2πfA（f為振動頻率；A為振幅）；當(dāng)頻率約為20 kHz、振幅約為0.01 mm時(shí)，其切削速度遠(yuǎn)小于75 m/min，遠(yuǎn)不能滿足高效切削的要求。因此，有研究者改變了一維超聲振動的方向，使其振動方向垂直于切削速度方向即平行于刀具進(jìn)給方向（圖1c），從而改變了刀具和工件分離的條件，實(shí)現(xiàn)了高速切削[35]。

在高速超聲振動切削過程中，刀具和工件的分離條件需滿足進(jìn)給量小于兩倍振幅及合適的相位差范圍（圖7），而較小的進(jìn)給量可帶來更佳的表面質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)高速精密加工。

圖7 高速超聲振動切削分離原理圖[35]

在針對難加工材料（如TC4鈦合金）的切削工藝實(shí)驗(yàn)中，可在遠(yuǎn)超振動切削臨界速度和鈦合金切削速度限制的條件下（200～400 m/min），降低切削力20%～50%，提升刀具壽命1.5～3倍（圖8），同時(shí)可獲得最佳表面粗糙度Ra＜0.2 μm，并在長時(shí)間連續(xù)加工過程中維持表面粗糙度Ra＜0.4 μm。因此，相比于一維超聲振動切削和橢圓超聲振動切削，高速超聲振動在保留前兩者優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，可極大地提升切削速度，提高切削效率。但由于其振動方向平行于進(jìn)給方向，為了實(shí)現(xiàn)刀具和工件的分離，設(shè)定的切削進(jìn)給量較低，故只能應(yīng)用于精加工過程中。

圖8 高速超聲振動切削刀具壽命隨切削速度變化曲線[35]

由圖7可知，合理的相位差范圍是高速超聲振動切削時(shí)刀具與工件能否分離的關(guān)鍵因素，其對加工表面質(zhì)量也起到?jīng)Q定性作用。姜興剛等[56]基于以上研究，開發(fā)了高速超聲振動切削的相位差控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將閉環(huán)數(shù)字合成器集成在超聲電源內(nèi)，并接收來自切削系統(tǒng)的切削參數(shù)實(shí)時(shí)動態(tài)反饋，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻轉(zhuǎn)比的動態(tài)調(diào)控。通過相位控制，能使切削后的加工表面粗糙度值低于Ra0.4 μm，并形成規(guī)律的表面陣列（圖9）。

圖9 不同相位差條件下的高速超聲振動表面形貌[56]

4 結(jié)束語

超聲振動切削方法從提出至今已有60余年歷史，在經(jīng)歷了從一維超聲振動切削、橢圓超聲振動切削到高速超聲振動切削的發(fā)展之后，極大地拓寬其作為一種特種加工方法的應(yīng)用范圍。超聲振動切削不僅僅局限于傳統(tǒng)的金屬切削領(lǐng)域，在難加工材料（如鈦合金、高溫合金）、脆性材料（如玻璃、陶瓷）及復(fù)合材料的切削加工中同樣起到了降低切削力和切削溫度、提高表面質(zhì)量和加工穩(wěn)定性、減緩刀具磨損的工藝效果。隨著振動切削臨界速度限值的突破，高速、高效、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)振動切削，并從精加工范疇拓展到半精加工甚至粗加工的范疇，將是超聲振動切削技術(shù)未來發(fā)展的一條亟需之路。

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