中國的超聲加工

超聲加工技術自從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，得到了學者廣泛關注和系統研究，到目前為止已經經歷了60多個年頭。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月于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特種加工分會成立了超聲加工技術委員會，2016年10月于大連召開了首屆全國超聲加工技術研討會。為更好地了解中國超聲加工技術研究的現狀，本刊以“超聲加工專欄”形式刊登中國超聲加工技術研究的概況。本文作為專欄序文概括論述我國超聲加工技術研究與應用的現狀及發展趨勢。

超聲加工從狹義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范疇；從振動切削運動學廣義上看，該領域也包括低頻振動加工；從超聲加工工藝學廣義上看，該領域以振動切削為主體外還包括超聲成形、超聲焊接、超聲處理等；從超聲加工對象廣義上看，該領域主要面向工業產品制造外還可以作為醫療手術用超聲手術工具。超聲加工已經逐步成為提高機械加工能效的一種重要手段，特別是新材料與難加工材料、難加工結構與表面、高表面完整性加工等需求不斷增多，使超聲加工的可應用優勢范圍不斷擴大，從而引起更多學者和產業界的廣泛研究與應用。

國內真正開始系統研究超聲加工技術是從1980年代開始的，具代表性的國內早期研究學者是原吉林工業大學的王立江教授、廣西大學的阮世勛教授等，主要以振動切削機理試驗研究為主，幾乎沒有走出實驗室向工程應用。后來逐步擴大到1990年代的第二代研究力量，逐步研發實用性超聲加工裝置，并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，為工程應用奠定了技術基礎。再后來2000年代以后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于地位，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20世紀50年代提出以來，歷經60多年發展一直沒有突破切削速度限問題，即切削速度大于振動速度后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保持了脈沖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制表面加工質量。這一新模式同時還打破了普通切削(如車削、銑削、鉆削等)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，這對于解決難加工材料高速切削難題開辟了全新途徑。振動切削領域、普通切削領域兩個切削速度極限的突破，對顯著提升難加工材料總體加工效率具有極其重要的應用價值。

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，但是超聲加工表面裂紋與出口崩邊問題一直沒有得到很好解決。清華大學馮平法團隊對超聲加工脆性材料進行了深入的理論與試驗研究，理論分析與試驗證實了極限切削力是保證硬脆材料超聲磨鉆工藝有效的首要條件，減小亞表面損傷和減小刀具端面面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復合材料磨鉆的孔表面質量、降低分層面積。這對于、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復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角對切削力的影響較大。這為實現大塊、極薄精密超聲切割蜂窩材料奠定了理論與技術基礎。

超聲加工界面微觀機理極為復雜，直接關系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《一萬個科學難題-制造卷》，分別是北京航空航天大學張德遠團隊提出的“超聲加工的強沖擊變形機制問題”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面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”。有待于今后通過多學科交叉深入解析超聲加工界面的多場作用機理，通過仿生技術、微納技術、新材料技術等改善界面條件，從而不斷提升超聲加工技術的工藝效果，擴大其優勢應用范圍。

超聲加工裝備是實現工程應用的關鍵，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，國內外超聲加工的主要差距就體現在超聲加工裝備的產品化上。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，主要用于蜂窩芯切割與銑切。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格昂貴的超聲加工機床。為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鍵技術：機床本體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；超聲加工裝備與機床本體高度融合化才能形成性能匹配好的超聲加工機床，這需要機床企業與超聲加工裝置研發單位之間合作機制上的突破；超聲諧振刀具與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面積推廣應用，這需要刀具廠商與超聲加工裝備制造商之間聯合制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、變幅桿、發生器組成的諧振系統的諧振頻率、阻抗一致性好才能保證產品互換，這需要各子系統制造質量的穩定性與互換標準。這些問題恰恰是我國工業基礎件水平低、工業創新機制落后的具體表現，需要扎扎實實的努力盡快解決。

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，分為對難加工材料*的切削能力上的應用、對弱剛度工藝系統極小的切削抗力上的應用、對精細光整表面極微細的光整能力上的應用、對抗疲勞表面*的強化能力上的應用等，還有對生物活體組織微創手術中的極小創傷上的應用。因此，超聲加工應用領域劃分主要是從工件材料、結構、表面形貌、表面力學等方面劃分，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。從超聲加工的應用行業來看，應用多的是航空航天行業，因為這一行業的難加工材料居多、產品質量要求高，使超聲加工工藝效果顯示度大；同時這一行業的零件批量小、生產節拍并不快，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、船舶等國防其他行業也有大量的超聲加工應用優勢，主要體現在難加工材料與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提升，高速超聲加工在眾多行業均有廣闊的應用前景。首先擴大高速超聲加工在民用行業中的應用，高速超聲加工工藝用于精密儀器、光學零件、微細零件、脆性材料、精密模具等行業，再擴展到快節拍的汽車制造業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制造要求的不斷提高，高速超聲加工的應用領域、應用行業會不斷擴大，在機械制造行業中的作用會不斷加大，還會在生物制造、仿生制造、微納制造等新型行業中發揮不可替代的關鍵作用。

超聲加工領域人才培養主要集中在高校和研究所，覆蓋面比較寬，但缺乏超聲加工精品教材，缺乏學科交叉基礎性專著，缺乏超聲加工行業標準，缺乏相關研究計劃的學科目錄，缺乏超聲加工的專業雜志。因此，超聲加工技術與其他電加工技術相比，總體上還處于初期發展與應用階段，必須在超聲加工人才培養過程中，不斷實現超聲加工理論與應用技術的突破，為我國制造業做出重大貢獻。

張德遠(北京航空航天大學機械工程與自動化學院)