超聲鉆削研究綜述

柏廣才

摘要：超聲鉆削技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性在精密與特種孔加工中得到廣泛的應(yīng)用，本文介紹超聲鉆削相較于傳統(tǒng)鉆削的在鉆削力、鉆削熱、鉆頭壽命和孔質(zhì)量方面的優(yōu)勢與機(jī)制，給出超聲鉆削技術(shù)類別和技術(shù)特點(diǎn)。隨之從切削力、精度及加工質(zhì)究、新材料上的應(yīng)用和超聲輔助鉆削裝置四個(gè)方面論述了超聲鉆削理論和技術(shù)的發(fā)展過程和現(xiàn)狀，并對超聲輔助鉆削的發(fā)展前景作了展望。

關(guān)鍵詞：超聲加工;輔助鉆削;超聲加工

中圖分類號：TG506.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0096-02

0? 引言

傳統(tǒng)鉆削過程受鉆削空間的限制，導(dǎo)致排屑和冷卻困難，是鉆削軸向力較大，同時(shí)過大的軸向力在鉆頭鉆穿工件時(shí)使工件變形增大，造成鉆削過程的飛邊和毛刺;而切屑在順著排屑槽排出時(shí)會與已加工表面劃擦，造成鉆削溫度較高和孔表面質(zhì)量變差[1]。同時(shí)普通鉆削過程，特別是小孔鉆削過程，鉆頭的剛度較差，若工件表面不平經(jīng)常出現(xiàn)鉆頭偏置，導(dǎo)致孔的位置精度較低。

針對傳統(tǒng)鉆削中存在的上述問題，學(xué)者通過研究提出了超聲輔助鉆削技術(shù)，即在傳統(tǒng)鉆削的過程中施加一個(gè)高頻的振動，輔助鉆削過程。超聲振動的引入是原有的鉆削運(yùn)動過程中引入另一個(gè)運(yùn)動，形成新的刀具運(yùn)動軌跡和形成新的切削動力學(xué)過程，通過合理的匹配振動的頻率和振幅，優(yōu)化傳統(tǒng)的鉆削過程。高頻振動的引入使鉆削過程中刀具不斷的與工件接觸和分離，使原來的連續(xù)鉆削過程轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)切削過程，促使切屑斷裂和冷卻液進(jìn)入，降低切削刃的溫度，減小磨損;同時(shí)高頻振動不斷的摩擦孔壁，降低孔的表面粗糙度，提升孔的加工質(zhì)量。

1? 超聲鉆削技術(shù)分類與特點(diǎn)

超聲輔助鉆削技術(shù)按不同振動的來源、形式和作用位置的不同可以劃分成不同的類別。

①超聲輔助鉆削中依據(jù)振動來源的不同可分為自激振動和受迫振動輔助鉆削。自激振動中的振動來源于系統(tǒng)自身，如機(jī)床收到敲擊后引起的自身的振動，通過將振動傳遞到工件，迫使工件振動，自激振動受系統(tǒng)阻尼的影響無法持續(xù)，同時(shí)振動的頻率受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，無法調(diào)節(jié)，致使整個(gè)振動過程無法控制，因此一般不在實(shí)際鉆削過程中使用。強(qiáng)迫振動通過外部的驅(qū)動電路和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有規(guī)律的振動并將振動傳遞到工件或者鉆頭，實(shí)現(xiàn)振動輔助加工，強(qiáng)迫振動的頻率和振幅均有電路控制，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，因此被廣泛使用。目前采用的超聲輔助鉆削技術(shù)多為強(qiáng)迫輔助鉆削。

②超聲輔助鉆削過程鉆頭的進(jìn)給方向?yàn)殂@頭的軸向，因此振動均出現(xiàn)在軸向方向，按超聲振動形式的不同可以分為軸向振動、軸向扭轉(zhuǎn)振動鉆削以及軸向扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動鉆削。軸向振動是指振幅的方向與鉆頭軸線方向一致，這是最常見也是最簡單的一種振動形式;扭轉(zhuǎn)輔助鉆削是指振動方向與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向一致，如此使鉆頭不斷的過切和欠切，達(dá)到振動輔助的目的;軸向扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動鉆削同時(shí)進(jìn)行軸向與扭轉(zhuǎn)振動輔助。

③從振動作用的位置不同可分為工件振動和刀具振動兩種實(shí)現(xiàn)形式。隨著振動刀柄的出現(xiàn)，即在現(xiàn)有的CNC機(jī)床刀柄上集成超聲振動裝置就可以高效的實(shí)現(xiàn)振動輔助，目前在生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，而工件振動需要驅(qū)動整個(gè)工件或者工作臺振動，通常工件的總量較刀具都大，導(dǎo)致慣性更大，振動的幅值無法加大，同時(shí)對振動系統(tǒng)的剛度、能量和能耗都要求更高，因此很少用于生產(chǎn)過程，僅在實(shí)驗(yàn)室使用。

與傳統(tǒng)的鉆削相比，超聲輔助鉆削技術(shù)通過改變鉆頭與工件的接觸和切削形式，減小軸向力;高頻振動促進(jìn)鉆頭的側(cè)刃與孔表面的摩擦和擠壓作用，降低孔表面的粗糙度;同時(shí)促進(jìn)切屑斷裂，使切屑成碎片甚至粉末化，促進(jìn)排屑，抑制積屑瘤產(chǎn)生;促進(jìn)冷卻液進(jìn)入，降低鉆削區(qū)域的溫度和熱膨脹，進(jìn)而減小摩擦和鉆削扭矩，提升刀具的壽命。

2? 發(fā)展現(xiàn)狀

隈部淳一郎于上世紀(jì)五六十年代提出超聲輔助鉆削技術(shù)并驗(yàn)證了超聲輔助鉆削相較于傳統(tǒng)鉆削過程存在的優(yōu)越性。隨后大量的學(xué)者圍繞超聲輔助鉆削過程切削力、加工精度和表面質(zhì)量等方面開展了研究工作。

2.1 鉆削力

在鉆削力采集方面，通過壓電晶體傳感器可以實(shí)時(shí)的鉆削力和鉆削扭矩動態(tài)監(jiān)測。相比于傳統(tǒng)的鉆削，超聲鉆削軸向力一般較低，這主要是由于超聲輔助加工中的斷屑和排屑條件都得到改善，切屑的擠壓程度降低，使得軸向力更小;實(shí)驗(yàn)觀察到的超聲鉆削時(shí)的切削尺寸明顯減小，高速相機(jī)拍攝的鉆削過程上也觀察到了切削飛出，而在普通鉆削中只能看到切屑隨著排屑槽流出。

同時(shí)采用紅外熱像儀監(jiān)測到的超聲鉆削的切削刃上的溫度也高于普通鉆削，且溫度正比于超聲振幅，主要由于超聲增加了切削刃與工件材料間的摩擦。

在理論與仿真研究鉆削力的過程中，由于鉆頭的切削刃位于螺旋弧上，導(dǎo)致鉆頭的前角和刃傾角不斷變化，借鑒微分和有限元的思想，通常江鉆頭的橫刃和主切削刃分割成有限個(gè)單位，并將每個(gè)單元近似看作前角和刃傾角不變的車刀，然后依據(jù)斜角切削理論構(gòu)建各個(gè)切削單元的軸向力和扭矩模型，進(jìn)而預(yù)測鉆頭的軸向力和扭矩，通過在鉆削力上添加振動的影響，即可實(shí)現(xiàn)對振動輔助鉆削的鉆削力的計(jì)算和分析。

2.2 精度及加工質(zhì)量研究

針對鉆頭入鉆精度不高的問題，隈部淳一郎教授在其超聲輔助鉆削理論研究中提出了鉆頭靜止化和剛性化理論，實(shí)現(xiàn)對入鉆精度的提升。國內(nèi)部分學(xué)者通過分析超聲輔助鉆削中鉆頭壽命、橫向偏移機(jī)理，指出振動輔助鉆削中脈沖式非連續(xù)進(jìn)給能有效的協(xié)助鉆頭鉆出，減小甚至消除入鉆位置偏移，提升鉆孔的定位精度。同時(shí)指出超聲輔助鉆削時(shí)鉆頭對材料的擠壓效用減小，出口處材料的變形減小，出口處剩余材料的體積較大，產(chǎn)生塑性變形能力較弱，因此毛刺高度有所降低。

2.3 在新材料上的應(yīng)用

超聲鉆削在硬脆材料的加工方面也具有明顯的優(yōu)勢，以氧化鋯陶瓷為例，通過控制載荷和超聲振幅可以將孔徑誤差和表面粗糙度控制在可接受的范圍內(nèi)。同時(shí)超聲鉆削也適用于新型的復(fù)合材料加工，具有明顯加工經(jīng)濟(jì)性和材料保持性，如CFRP制孔。對鋁基碳化硅超聲鉆削過程中發(fā)現(xiàn)切屑的卷曲程度減小，刀刃的后刀面磨損程度也降低，且積屑瘤也消失，加工質(zhì)量明顯改善。對于非金屬陶瓷材料，存在明顯的應(yīng)變率增韌效應(yīng)，采用高頻超聲產(chǎn)生大的應(yīng)變率，改善被加工陶瓷表面的韌性，抑制材料表面的裂紋擴(kuò)展，提高加工效率與加工質(zhì)量。對比783鎳基高溫合金的超聲和普通鉆削實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)超聲鉆削孔壁粗糙度降低60%，鉆頭磨損顯著下降，孔出口處的毛刺消失，孔的圓度、圓柱度、表面粗糙度和擴(kuò)孔量均有所提升。

針對CFRP復(fù)合材料的超聲鉆孔研究發(fā)現(xiàn)，超聲鉆削時(shí)的軸向力明顯下降，同時(shí)CFRP在傳統(tǒng)鉆削過程中的分層現(xiàn)象消失。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲鉆削橫刃上的鉆削力下降較大，減小了CFRP。針對碳纖維復(fù)合材料和鈦合金疊層材料等航空航天高性能材料的超聲鉆削試驗(yàn)表明，超聲鉆削在刀具磨損、出口毛刺/分層和孔精度具有明顯的優(yōu)勢，特別適用于該類難加工材料的加工。

2.4 超聲裝置和機(jī)床研制進(jìn)展

隈部淳一郎教授基于其首創(chuàng)的超聲鉆孔技術(shù)開發(fā)了磁致伸縮和電致伸縮超聲裝置，通過將上述裝置安裝與車床上實(shí)現(xiàn)了超聲加工，實(shí)際意義上的開出了第一套超聲加工機(jī)床。隨后在學(xué)者隈部淳一郎教授的超聲發(fā)生裝置和機(jī)床的基礎(chǔ)上不斷的開發(fā)和研究，并將其推廣到鉆床和加工中線，同時(shí)超聲裝置的集成化和控制系統(tǒng)的小型化也使其不斷的與機(jī)床深度融合，為其大面積應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。發(fā)展到1980年左右，日本開發(fā)了世界首臺高頻換能器（頻率可以達(dá)到40 kHz），并將運(yùn)用于鉆削設(shè)備實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)鉆削機(jī)床，如圖 1所示。此后許多機(jī)床廠家開始在機(jī)床上集成超聲設(shè)備，開發(fā)了專用的超聲加工設(shè)備，如在鉆削設(shè)備上集成縱向換能器，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)超聲輔助鉆削設(shè)備;超聲科技、超聲銑削、德瑪吉、Kerry超音波工業(yè)等公司在機(jī)床添加了旋轉(zhuǎn)超聲，研發(fā)了相應(yīng)的設(shè)備，以德瑪吉研制的Ultrasonic 50機(jī)床為例，該機(jī)床已廣泛應(yīng)用于小孔加工，能夠提供的超聲輔助頻率為17.5～30 kHz，深受消費(fèi)者喜愛。

國內(nèi)學(xué)者對超聲輔助加工的研究也有較長的一段歷史，成果斐然。如劉華明教授團(tuán)隊(duì)早于1986年就自主研發(fā)了超聲輔助鉆床設(shè)備，并在上面開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究。隨后的超聲輔助鉆削設(shè)備和技術(shù)迅速發(fā)展。如今國內(nèi)已經(jīng)聚集了一大批長期從事超聲輔助加工設(shè)備和技術(shù)研究的專家學(xué)者，如北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)、河南理工大學(xué)趙波教授團(tuán)隊(duì)和中北大學(xué)祝錫晶教授團(tuán)隊(duì)，他們系統(tǒng)的從超聲發(fā)生器、超聲電源和跟蹤電路、超聲變幅桿和超聲加工機(jī)理等方面進(jìn)行了研究，針對加工機(jī)床和加工對象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可以適應(yīng)多種形狀厚度工件的超聲輔助平臺和機(jī)床，加工超聲輔助鉆削加工技術(shù)廣泛的應(yīng)用于航空航天和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，突破了歐美專家在超生鉆削設(shè)備方面的壟斷，實(shí)現(xiàn)了超聲設(shè)備的自制和國產(chǎn)化。

3? 發(fā)展前景

超聲輔助鉆孔技術(shù)可以提高孔的加工精度和質(zhì)量，同時(shí)提升加工區(qū)的冷卻效果，從而降低加工區(qū)域刀具的溫度，減少磨損，提高刀具的壽命，具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是對于難加工材料的制孔，具有顯著的優(yōu)勢。常規(guī)的超聲鉆孔設(shè)備已經(jīng)比較成熟，但通用性較差，特殊用途下超聲設(shè)備還需要進(jìn)一步優(yōu)化，特別是針對難加工材料制孔的專用超聲鉆削成套設(shè)備目前尚未成熟，機(jī)床系統(tǒng)的可靠性和長期運(yùn)行的穩(wěn)定性有待深入考核評價(jià)，該類設(shè)備在航空航天領(lǐng)域等高附加值領(lǐng)域具有比較大的需求。將目前超聲輔助鉆削技術(shù)的各項(xiàng)研究成果加以集成，發(fā)展專用超聲輔助鉆削設(shè)備將成為下一階段的研究重點(diǎn)之一。

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