基于WPT技术的超声辅助加工系统研究进展

许 磊 李鹏南 邱新义 牛秋林 李常平

(湖南科技大学机电工程学院，湘潭 411201)

·综述·

基于WPT技术的超声辅助加工系统研究进展

许 磊 李鹏南 邱新义 牛秋林 李常平

(湖南科技大学机电工程学院，湘潭 411201)

文摘对超声辅助加工技术及WPT技术进行了分析归纳，总结了国内外目前有关WPT超声辅助加工系统的研究成果，提出共振式无线电能传输技术可能是超声辅助加工领域一种更为灵活、更为理想的供电模式的想法。

超声辅助加工，WPT，先进材料，难加工

0 引言

一代材料一代革命，先进材料凭借着其自身优异的性能在21世纪这个高新科技时代占据着极其重要的地位，改变着我们的世界，但同时也给材料的加工带来了极大的挑战。先进材料的难加工问题一直是国内外学者关注的热点问题，也是难点问题。目前几种典型先进材料的加工性能主要如下：

(1)硬脆性材料脆性高、断裂韧性低，材料的弹性极限与强度非常接近，因此加工难度很大，加工既不同于一般的高脆性材料(金刚石)的纯断裂过程，更不同于金属材料的塑性剪切过程，加工稍有不当，便会引起工件表面组织的破坏[1-3]；

(2)碳纤维复合材料硬度高强度大，导热性差，加工时切削温度高，刀具磨损严重，加工质量差效率低，易产生分层和撕裂等缺陷，且切屑多为粉尘,容易影响加工和污染环境,危害人的健康[4-7]；

(3)钛合金塑性低硬度大，弹性模量小，刚性差，加工易变形，回弹性高，单位面积切削力大；导热性差，切削温度高，化学活性大，冷硬现象严重，刀具易磨损[8-13]；

(4)高温合金极低的热传导性，切削温度高，切削力大，变形量大，加工硬化严重，刀具磨损严重[14-15]。

为了解决先进材料的难加工问题，各种先进复合技术成为国内外学者的主要研究方向之一，而超声辅助加工技术已被大量实验证明是难加工材料领域一种行之有效的先进加工技术，开发基于WPT技术的超声辅助加工系统更成为国内外学者研究的热点。本文主要对WPT技术及其在超声辅助加工领域的应用进行归纳研究并从中寻求新的突破点。

1 超声辅助加工技术及其应用

超声辅助加工技术(UAM)是传统加工与超声加工(USM)复合形成的一种新的加工技术,具有切削力小、改善切屑流、缩短断屑避免积瘤、减少切削热、加工表面损伤层小、刀具磨损小等特点，被广泛应用于加工硬脆材料、复合材料等难加工材料。超声辅助加工技术在传统机械切除过程中引入了超声振动使得加工过程除了机械切削作用外还有高频微撞击作用和空化作用，改变了工件和刀具间的接触状态和作用机制，减小了两者间的作用时间，增强了切削去除作用，进而改善了加工质量[16]。

近年来,研究人员已经在超声辅助加工领域做了大量的工作，对一系列难加工材料进行了超声辅助切削实验，例如：KADIVAR等[17]对Al/SiCp金属基复合材料进行了超声辅助钻削实验；PUJANA等[18]对Ti6Al4V工件样品的钻孔施加超声振动来对比研究相对常规钻孔时的切削力、钻尖温度变化；BAGHLANI等[19]设计了一种特殊的喇叭，用于对钻头施加旋转和振动，用于在深度/直径比为10的Inconel 738LC上进行深钻探测试；PHADNIS等[20]使用超声辅助钻削的先进钻孔技术证明了其相对于常规钻孔的若干优点，包括减小切削力；W.L.CONG等[21]使用可变进给率(CFRP的高进给率和Ti的低进给率)对CFRP/Ti叠层板进行超声辅助加工技术研究。

超声辅助加工技术已被大量实验证明是难加工材料领域一种有效的先进加工技术，被广泛应用于航空航天、精密仪器、光学医疗等诸多领域，比如涡轮叶片、发动机机轴、发动机缸体、叶轮胚体和轮辋等的超声辅助车削加工，飞机翼盒、蒙皮、精密轴承保持环、激光陀螺仪腔体的超声辅助磨削制孔加工，棱镜光学表面、陶瓷牙冠和关节球的超声辅助磨削加工[22]。

2 无线电能传输技术(WPT)及其应用

无线电能传输技术(WPT)是一种凭借空间电磁场、微波等介质进行电能传输的新型供电模式，最早由“交流电之父”特斯拉提出并进行了大量实验研究[23]。将无线电能传输技术普及到生活中的各个领域一直是人们的一个追求，从特斯拉开启这个无线传能的大门后，人们投入了大量的精力致力于这一领域的研究，但进展缓慢。在2007年MIT的研究团队终于取得了突破性的进展，发现了一种全新的无线供电模式—非辐射电磁能谐振隧道效应，称作“WiTricity”技术，也称为磁共振感应耦合技术，大大提高了电能传输的距离和效率，使WPT技术重新成为国内外学者研究的热点[24]。

根据传输原理将WPT技术主要分为5类：电磁感应式(MCI-WPT)、电磁共振式(MCR-WPT)、微波辐射式、超声波式、激光式。其中电磁感应式由于结构简单、技术最为成熟得到最广泛的应用，目前多用于交通运输、电子设备、生物医学等领域，但也存在着传输距离短(厘米级)、位置要求严格的缺点；电磁共振式传输距离相对较远(米级)，无严格的方向性，能量损失小，但易出现频率失谐导致功率效率急剧减小，目前主要用于家电、汽车、医疗器械及一些特殊工业应用等领域；微波辐射式能量损耗小，适合远程传输，但功率较小(一般不高于100 mW)，多应用于一些特殊领域，如空间太阳能电站、低轨道和同步轨道卫星、高空飞行器或无人飞机等；超声波式和激光式方向性强，能量易于集中，但损耗相对较大，技术不够成熟，多用于医疗器械和航空领域[25-31]。

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3 基于WPT技术的超声辅助加工系统的研究现状

传统的超声辅助加工系统大多采用碳刷-导电滑环的方式进行电能传输，这种供电方式凭借其成本低、结构简单、使用方便等优势在超声电能传输领域得到了广泛的应用。但碳刷-导电滑环的供电方式同时也存在着碳刷磨损快、发热量大、容易积碳打火、限制主轴转速、无法实现自动换刀等诸多弊端，这些弊端严重影响了超声辅助加工系统的推广和应用。而无线电能传输技术的出现使这一问题有了新的解决思路，开发基于WPT技术的超声辅助加工系统成为国内外学者研究的热点。

微波辐射式能量损耗小，适合远程传输，但功率较小(一般不高于100 mW)，超声波式和激光式无线电能传输技术精度高方向性强但损耗大，传输功率和效率都相对较低，技术不够成熟，多应用于医疗器械和航空航天领域，对于超声辅助加工领域，基于电磁感应原理的无线电能传输超声辅助加工系统是应用的主流，电磁感应式无线电能传输技术原理简单，技术也相对成熟，可以有效解决传统碳刷-导电滑环方式带来的诸多弊端，是国内外研究学者和制造商目前比较热衷的第一选择。

3.1基于感应式WPT技术的超声辅助加工系统的研究现状

2004年美国KAUF等[32]根据电磁感应原理设计了一种用于钻孔的无线电能传输超声辅助加工装置，如图1所示，利用同轴径向分布的两个感应线圈进行无线电能传输；2008年日本久保田治等[33]设计了一种超声波加工主轴装置，该装置利用同轴轴向分布的发射线圈和接收线圈之间的电磁感应进行电能的无线传输；目前德国DMG MORI公司的部分型号产品(如ULTRASONIC 65/85 monoBLOCK、DMU/DMC duoBLOCK、HSC等)中也采用了相似原理(发射线圈采用四分之一槽型)进行无线电能的传输，如图2所示[34-36]。

图1 一种用于钻孔的无线电能传输超声辅助加工装置

Fig.1 An WPT ultrasonic assisted machining device for drilling

国内关于WPT超声辅助加工系统的研究起步较晚，主要集中于各大高校和研究所等科研单位。大连理工大学的黄浩[37]通过对无线电能传输系统进行有限元仿真，分析了影响系统传输性能的因素及规律，并搭建传输性能测试平台进行了实验验证，见图3。

河南理工大学的陈曦[38]也对无线电能传输系统进行了仿真分析，主要研究了磁芯截面积、磁芯间隙、磁芯轴线偏移偏摆对系统的影响并据此设计了四分之一槽型无线电能传输系统进行实验，线圈模型如图4所示，发现装配精度对系统传输性能有较大影响。

天津大学的董颖怀等[39]设计开发的集成铣削、磨削、超声、电火花的复合加工装置(如图5所示)和杜鹃[40]开发的旋转超声加工系统(图6)，其电能传输部分均采用了基于电磁感应原理的WPT技术，利用加装在主轴部分的发射线圈和刀柄内部的接收线圈进行无线电能传输。

3.2MCR-WPT技术的研究现状

近年来，共振式无线电能传输技术(MCR-WPT)逐渐进入人们的视野，共振式无线电能传输技术利用频率相同的两个共振体之间的强耦合进行能量传输，相比于单纯的感应式无线电能传输技术，共振式无线电能传输技术具有无严格的方向性限制，对位置要求小，穿透性好；通过非辐射性电磁耦合进行能量传输，能量损失小，传输距离远，可实现较高的功率(一般为几百瓦)和效率并且能实现一对多供电；辐射小，对人体基本没有危害等优势，越来越受到国内外学者的关注，有关该领域的研究也越来越多[41-43]。

ALANSON P.SAMPLE等人[44-46]对共振式无线电能传输系统的基本原理进行了理论研究，通过建立耦合模方程和电路模型分析了共振式无线电能传输的基本特性并搭建实验平台进行了验证；KYRIAKI FOTOPOULOU[47]和陈琛等人[48]分别针对线圈错位和存在金属障碍物的情况对共振式无线电能传输系统的传输性能进行了研究；BENJAMIN L.CANNON等人[49]针对共振式无线电能传输系统一源多负载模型进行了理论分析，总结了一源多负载模型传输的基本特性。对于提高共振式无线电能传输系统的传输性能，傅文珍等人[50-55]通过对共振式无线电能传输系统电路模型的研究，为系统电路参数优化设计提供了一定的理论基础；罗斌等人[56-59]通过理论分析和实验总结了中继线圈对电能传输系统传输性能的影响规律；TAKEHIRO IMURA等[60-63]则对发射线圈接收线圈进行了优化设计，为新型线圈的设计提供了宝贵经验。

从目前有关MCR-WPT技术领域的相关研究不难看出，MCR-WPT技术尚处于起步阶段，相关研究也主要集中于理论建模分析、传输基本特性研究、效率优化研究、传输单元设计研究等基础理论方面，相关应用也较少。但MCR-WPT技术的前景无疑是广阔的，相比于目前应用最为广泛的MCI-WPT技术，MCR-WPT技术最大的优势在于对位置要求低，只要保证发射线圈和接收线圈在一定范围内就可以进行能量的高效传输，不但提高了电能传输系统的有效传输距离，还增加了传输系统的设计灵活性，因此MCR-WPT技术是以后无线电能传输系统的主要研究方向之一。

4 结语

超声辅助加工技术是难加工材料领域一种行之有效的先进加工技术，基于WPT技术的超声辅助加工系统更是超声辅助加工设备的主要发展方向之一，解决了传统碳刷-导电滑环方式供电带来的诸多弊端。目前基于电磁感应原理的无线电能传输超声辅助加工系统是应用的主流，但仍存在精度要求高、改装成本高、通用性差等问题。

相比于目前应用最为广泛的MCI-WPT技术，MCR-WPT技术最大的优势在于对位置要求小，只要保证发射线圈和接收线圈在一定范围内就可以进行能量的高效传输，不但提高了电能传输系统的有效传输距离，还增加了传输系统的设计灵活性，对于超声辅助加工领域，共振式无线电能传输技术显然是一种更为灵活、更为理想的供电模式，不用对机床本身进行改装，并且一套无线电能传输系统可以适用于不同型号的传统镗铣设备。

目前针对共振式无线电能传输技术的研究主要集中于兆赫兹级以上频率段，超声加工所需低频条件下(20～50 kHz,不同领域对于中高低频的划分有所区别，在机械加工领域千赫兹属高频段，在电子信息领域千赫兹属中低频段，此处归于电子信息领域进行讨论)MCR-WPT技术是否可行，特别是在任意位置是否都可以进行有效传输仍有待研究。对于低频段MCR-WPT技术的传输性能研究是共振式无线电能传输系统能否大规模推广和应用的前提，也是对MCR-WPT技术基础理论框架的重要补充。

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Research Progress of Ultrasonic Assisted Machining System Based on WPT Technology

XU Lei LI Pengnan QIU Xinyi NIU Qiulin LI Changping

(The Institute of Electromechanical Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201)

In this paper, the characteristics of ultrasonic assisted machining technology and WPT technology are generalized, and the achievements of WPT ultrasonic assisted processing system is also summarized. An idea is proposed that the technology of magnetically-coupled resonant wireless power transfer (MCR-WPT) may be a more flexible and more ideal power supply mode.

Ultrasonic assisted machining, WPT, Advanced materials, Difficult-machining

TG502.3；TB559

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.05.001

2017-04-14

国家自然科学基金项目(51275168，51605161)，湖南省自然科学基金项目(2015JJ5028)，湖南省研究生科研创新项目(CX2016B602)

许磊，1992年出生，硕士研究生，主要从事先进制造技术方向的研究。E-mail:18216435633@sina.cn

李鹏南,教授，博士。E-mail:2002lpn@163.com