超声加工技术的研究现状和发展方向简介

赵 波

(河南理工大学，河南 焦作 454003)

河南理工大学精密与特种加工技术团队始建于1992年，2008年入选河南省先进制造技术创新科研团队。团队现有科研人员28(包括5名教授，15名副教授，1名工程师，27名博士)。主要研究方向为硬脆材料、复合材料、难加工金属材料的高效精密加工技术与装备、数字化制造技术与理论、刀具表面涂层技术及装备、生物制造及3D打印技术等。团队在高速切削、重型装备基础理论与开发、煤矿机械等方面也有研究，并获得了多项原创性成果。团队在国内外学术刊物及学术会议发表论文500余篇(其中SCI检索120余篇，EI收录218篇)，出版专著7部。承担863、国家自然科学基金重点项目等国家级项目20余项、省部级项目17项，研究成果获省部级科技进步奖一等奖1项，二等奖5项，国家技术市场金桥奖1项。完成了具有单向和多维振动的超声加工中心、超声立式珩磨，超声珩铰、超声椭圆车削、超声微孔钻削、超声抛光、超声非圆曲面研磨、超声切割装备以及超声毛化、超声锯切、超声拉伸等20余种超声加工系列装备，获授权发明专利80余项，其中40余项科研成果获得转化，转让经费1 200余万元。研发的超声刀柄系列已大批量应用到3C产品加工；研发的泥浆泵工程陶瓷缸套，超声珩磨和车削装备系列等已实现产业化应用，创造直接经济效益达12.5亿元。

超声波由于所具有的优良特性目前已广泛应用于测量、清洗、育种、医疗、材料成型、机械加工等领域。特别是随着新材料的发展和航空航天高性能构件的高效精密制造需要，超声加工技术作为一种新兴的加工方法受到国内外研究者和工程技术人员的广泛关注，成为高效精密制造领域的主要发展方向之一。

1 超声振动加工系统研究现状

超声振动加工系统主要由超声振动系统和电能无线传输系统组成：超声振动系统主要由超声电源、超声换能器、变幅杆以及工具头组成；电能无线传输系统主要由固定于机床主轴端的发射盘和固定于刀柄上的接受盘构成，两盘相对形成一个特定的感应器完成电能的无线传输。目前国内外学者对超声振动系统的设计方法、工作方式、振动维数和振动方式及其应用等进行了大量研究，并取得了一定的进展。

1.1 超声换能器研究

超声换能器主要有由2种，分别是PZT压电换能器和磁致伸缩换能器。到目前为止，PZT压电换能器由于响应快、声电转换效率高等优势被机械加工领域广泛应用。

压电换能器目前主要研究新型大功率压电材料，压电晶体片叠堆的组合方式、镶拼形式、几何形状以及片数等对换能器的功率容量、机电转换效率、系统固有频率的影响等。磁致伸缩换能器由于对温度敏感、频率低、振幅小的特点，使用时需要水套冷却等机构，导致系统结构复杂而应用较少。目前研究主要集中在大功率超磁致伸缩材料上，如CU18A磁致伸缩换能器工作频率可以达到12～15 kHz，振幅达6～10 μm；北京交大研制的超磁致伸缩材料可在不用变幅杆的条件下换能器直接输出10 μm以上的振幅。

此外，由于使用时换能器需要和变幅杆匹配，一般只有一个共振频率，如想改换频率就需要更换新的换能器和变幅杆，为工业应用带来诸多不便。因此，在换能器研究方面，复频换能器及纯扭转振动换能器也是目前研究的重点。

1.2 变幅杆的研究

变幅杆是振动系统的关键部件。换能器端部输出的振幅太小，不能满足加工需要，因此需要将振幅通过变幅杆放大。目前常用的单一方向振动变幅杆有指数型、圆锥型、阶梯型、悬链线型等单一曲线的变幅杆。复合型变幅杆、多级放大变幅杆以及适应于特定场合特殊要求的变幅杆等均是研究的热点。不同曲线型的纵-扭复合振动变幅杆，径-扭复合振动变幅杆，双弯曲振动变幅杆，椭圆振动变幅杆等二维振动变幅杆，由于在应用中显示出优良效果，也成为研究的重点。

目前在超声加工以及超声强化中应用较多的是双弯曲、纵-扭复合、径-扭复合椭圆振动变幅杆。此外相对于幅频换能器，研究复频变幅杆也是目前本领域关注的重点。

2 超声加工技术的应用

2.1 难加工材料的加工

难加工材料如硬脆材料、复合材料、高温合金等，由于性能特殊，传统的加工方法难以胜任。目前常采用的加工方法有超声加工及超声复合加工等，如超声车、铣、磨、珩、钻、铰、拉、研、抛、挤压等，和超声-激光复合、超声-电火花复合、超声-高速复合、超声-ELID(电解在线修整)复合等。

研究的重点集中在这些复合加工的高效高精度切削机理，切削参数、超声参数与表面完整性、表面抗疲劳性等形性之间的关联规律，研究这些超声复合方法及其加工参数对被加工表面与亚表面损伤的影响，以及对加工表面的形性进行预测和主动控制。

2.2 弱刚性零件的加工

超声加工的切削力小，在薄壁零件及一些弱刚性零件加工中有独特优势。常见的加工对象有小深孔，微小细长轴，薄壳类零件(壁厚小于2 mm)等。

在航空航天领域，采用超声复合磨削碳化硅颗粒增强复合材料(SiCp/Al)时，刀具耐用度可以提高3倍以上，同时在零件的入口、中间边缘以及出口处可以有效地抑制崩边和裂纹扩展。采用超声椭圆振动铣削加工钛合金、金属间化合物等制成的薄壁结构，切削力可以下降70%，形位精度可以提高40%以上。加工高速轴承上的直径小于1 mm的孔，同样条件下超声加工可以一次完成17个孔，普通加工最多可以加工2个孔，耐用度可以达到普通加工的8～9倍。采用大振幅超声切割蜂窝材料，由于超声的巨大能量，在刀刃与材料接触的瞬间，很容易将材料分子间的结合键直接切断，使切割表面几乎没有拔丝、碎屑或毛刺现象。

2.3 超声表面光整强化

将超声振动与常规的光整加工相复合，可以完成精密零件的超声表面强化。超声表面强化分为超声喷丸强化和超声挤压强化。

超声喷丸强化是依靠大功率超声作为驱动能量对表面进行喷丸，多用于焊接件的强化，如用超声喷丸强化技术处理氧化铝氧化锆陶瓷，使其表面产生较高的残余压应力，大大提高了材料的抗断裂性能。学界还发现超声喷丸可以有效矫正焊接结构的失稳变形。

超声挤压强化是通过在工具头施加预压力和高频纵向振动冲击工件表面，熨平工件表面的微观峰谷，使其产生塑性变形强化而形成残余压应力，从而提高零件的抗疲劳性。超声强化可以比普通挤压强化的次数(最多2次)多数倍，同时平均挤压力小、压应力深度大，表面层硬度明显高于常规挤压的，不仅表层/亚表层的晶粒均匀细化程度好，且表面粗糙度比常规的可提高一个级别。如河南理工大学采用超声挤压强化高强齿轮，使齿轮的抗弯曲疲劳性能提高了7～8倍。

近些年来，随着抗疲劳制造技术的提出，超声强化已成为许多高性能零件制造的一种新方法。目前在超声强化技术研究方面，高性能零部件的多维超声振动复合强化技术成为本领域研究的重点。

2.4 超声加工表面的微结构及其性能研究

超声加工中刀具的高频振动，会在被加工表面留下典型的微结构。超声加工工表面的研究方向之一就是研究这些微结构的形状、几何特征与加工参数之间的关系及表征，以及微结构的润湿性、摩擦特性和生物学特性。山东大学和河南理工大学完成了典型超声加工表面的一些前期研究，建立了超声加工参数与表面微结构特征的预测模型，取得了部分有益的研究结果。

另一方面，利用多维超声振动切削力小的特点，基于单点金刚石车床，将超声振动附加在刀具上，与快刀伺服或慢刀伺服加工相配合，采用微端铣、微凿切的方法，完成对光学器件表面微织构阵列的刻划，也是目前利用超声加工研究表面微织构应用的热点。如日本东京大学利用椭圆超声车削装置加工光学零件、微透/反射镜阵列，集成成像和显示系统，研究光场相机和裸眼3D电视等；华中科技大学、集美大学等也对表面微织构的刻划进行了研究，并取得了较好的结果。

2.5 超声在生物制造领域的应用

超声骨钻与超声骨刀是超声骨切削领域中应用研究最多的2个方面。

手术中使用常规骨钻易导致分层、微裂纹及高温，严重影响手术植入部位附近的细胞再生，不利于骨愈合，甚至会造成骨突破和坏死。超声骨钻可以通过控制频率，解决皮质骨钻孔的分层问题；通过提高转速和降低进给的方式，减少裂纹数量和裂纹尺寸；通过改变振幅等参数，减少钻骨术中产生的应力，降低手术温升，改善骨表面性能，减小骨损伤。目前该方面的研究主要集中在钻削生物骨质材料的力模型和热损伤预测等。日本东京大学开展的二维椭圆超声振动锯切骨质试验表明：通过提高振动频率、振幅和锯切速度可以有效减少锯切力和切削温度，极大减少骨损伤。

超声骨刀主要利用超声空化、高强度聚焦、机械碎裂效应等原理，研究如何减少手术时间、控制术后引流、降低出血和疼痛等。目前软组织的超声切割也是研究的热点，主要集中在建立高频电刀切割组织的热损伤模型，如何抑制术中出血、减少组织损伤、避免术后并发症等方面。

2.6 其他应用

除上述应用外，超声加工在机械热加工领域和3D打印领域的应用同样广泛，如超声焊接、超声搅拌、超声挤压成型、血管打印、金属零件打印等。

超声焊接是利用超声波的热效应，通过声能和热能的相互转换，将材料融化连接；超声搅拌可使轻质合金在凝固时的组织晶粒细化均匀，提高材料的强度；超声挤压成型主要用于有色金属的温挤压等工艺，通过超声振动减少材料的变形抗力，增强其塑性变形能力，并使材料组织晶粒细化，提高尺寸精度和表面质量。

在3D金属零件打印方面，超声可改善零件材料的铸态特点。通过定向超声振动改变金属打印中的材料流向，减少材料的微裂纹、气孔和疏松、晶粒粗大等缺陷，提高被打印零件的性能。超声3D打印研究不仅集中在热导率较低的TC4、TA15钛合金、高温合金等材料上，对于热导率较高的铜合金和铝合金等材料的研究也十分活跃，研究的重点在于打印后的零件成形尺寸精度和零件的机械性能改善等方面。应用于医学领域的血管支架超声3D打印也是研究的重要内容。

3 超声加工技术的发展方向

超声加工以独特的优势成为近年来快速发展的一种特种加工技术。首先，超声不受被加工材料特性的限制，加工中也不会使材料产生化学变化。此外，超声加工的切削力小、切削热少及空化效应等，不仅适用于弱刚性零件的加工，且会因高频熨压作用而在工件表面产生残余压应力，实现表面组织的纳米化并改善其硬化程度，提高材料的疲劳强度。超声加工也适用于对复杂三维结构的高效精密超精密加工。目前超声加工技术的应用领域已非常广泛，如半导体、高速列车、汽车制造、光学器件、医疗工业、民用食品等领域；随着空间领域和国防领域等尖端技术材料的发展，超声加工已成为精密超精密制造领域发展的重要方向。

3.1 超声振动加工系统的研究

电源是超声加工的关键部件。目前电源的研究主要集中在电源的智能化上，如使超声加工系统具有学习功能及自适应功能；研究电源与振动加工系统的自动匹配，加工过程中随负载和环境条件变化的精确自动跟踪，以及适应加工需求的恒定振幅等。

换能器研究主要集中在大功率与大振幅换能器上。除高性能换能器晶片材料外，复频换能器也是近年来研究的重点。此外，大倍数变幅杆、复合变幅杆和复频变幅杆及其设计方法也是研究的重点。

研究复杂声学系统设计的新理论新方法，如非均质材料非对称结构的声学系统的设计原理，振动方式多次转换的复杂声学系统设计方法等。此外，为保证超声系统声能高效传输，研究其制造方法及装配技术等也是关键问题，如声学系统节点连接技术与理论等。

超声系统能否成功应用于生产实际，其稳定性是决定因素。超声系统的稳定性研究包括：换能器的稳定性，电源的稳定性，无线传输系统与声学系统的适配性以工作稳定性等。目前超声系统工作的稳定性研究是声学系统研究领域的重点问题之一。

3.2 超声加工应用技术方面

目前超声加工应用技术的发展，主要表现在超声复合加工技术上，诸如超声高速复合加工，超声电火花复合加工，超声激光复合加工，超声-ELID超精密加工，超声磁力复合研磨抛光，超声电解复合加工，超声微细加工等等，复合的目的就是解决难加工材料的精密高效问题，特别是解决难加工材料表面亚表面损伤机制及形性预测预控等。因此超声复合加工技术的精密高效将成为近一个时期的重点研究方向。

在表面微结构的生物学特性，摩擦磨损特性研究方面，研究超声加工参数与微结构性能之间的规律和生物学特性及其应用，是超声加工表面应用研究的另一个方面，而利用多维超声复合加工光学元器件的特殊微织构，研究其加工参数与微结构性能之间的规律及应用效果等是近些年研究的热点。

在超声医疗方面，研究超声在手术器械中的应用及超声参数对医疗效果的影响也是近年来的研究热点和方向。而超声增材制造、焊接微塑形成形等新型工艺同样具备诸多优势，将会成为未来研究发展的潮流，得到更加广泛的应用。

特别是近年来随着新材料的出现和国防航空航天等尖端技术的发展需求，采用多维超声复合对典型难加工材料纳米表面的加工方法和技术进行研究，仍将成为精密超精密领域研究的一个主要方向。

4 本期论文点评

《硬脆材料超声辅助磨削技术研究现状及展望》

丁 凯，等；第5页

硬脆材料超声辅助磨削是超声加工领域近二十年来一直研究的热点。作者在阅读大量文献的基础上，对硬脆材料的超声辅助磨削技术现状进行了详细的总结。首先对不同超声振动条件下的硬脆材料超声辅助磨削加工机理及特性进行了概括；在此基础上，对硬脆材料超声振动辅助作用下的延性域磨削机理、超声辅助磨削时振动参数与磨削工艺参数的匹配性进行综述；最后展望了硬脆材料超声辅助磨削技术的发展。

论文提出了超声辅助磨削技术需要加强的研究方面，其认识比较到位：超声振动系统稳定性及超声辅助磨削过程中振动振幅的实时测量和动态监测问题；基于磨粒运动轨迹要求设计相应的砂轮工作层磨粒排布方式，研制适应超声磨削的砂轮问题；由于硬脆材料磨削时的脆-延转变机理存在2种截然不同的观点，因此需要进一步深入研究硬脆材料的超声无损伤和少损伤磨削机理。这对硬脆材料超声磨削理论及其工程化应用具有指导意义。

论文对超声磨削中力热耦合的作用机理及相应效果论述不足。

《超声振动辅助ELID复合内圆磨削系统中大负载变幅器的设计及应用》

贾晓凤，等；第15页

ELID磨削是由日本大森整教授提出的采用固结砂轮进行超精密磨削加工的新方法，通过电解使砂轮在磨削过程中实时修整保持磨粒锋锐实现纳米表面加工。为了进一步探索提高ELID磨削质量和效率的途径，作者针对陶瓷内孔加工提出了超声ELID复合磨削方法。

为解决超声ELID复合内圆磨削的声学系统设计问题，研究了狭小空间内弱刚性大负载变幅器的设计理论及优化方法，获得了满足几何尺寸、应力及振动频率和振幅要求的变幅器，通过超声ELID复合磨削与单一ELID内圆磨削实验比较，获得了同样条件下表面粗糙度降低44.2%、工件三维形貌更加平整、砂轮表面状况获得改善等结果。所提出的内圆超声ELID复合磨削系统的设计方法具有重要的参考价值。

尽管给出了磨削表面的粗糙度结果，但对砂轮表面在磨削过程中复合修锐的形貌、修整效果及磨削效率的研究较少，给人以实验不充分的感觉。

《基于旋转超声振动的氧化锆陶瓷小孔磨削加工质量研究》

王宗伟，等；第24页

陶瓷小深孔加工一直是一个较难的工艺问题，常规的加工刀具耐用度低，孔容易走偏，且表面粗糙度较差。作者在DMG Ultrasonic70-5型超声振动精密加工中心上，采用直径为1.0 mm的镍基电镀金刚石刀具磨头，对陶瓷材料小孔进行了磨削试验研究。

作者分析了磨粒在纵向振动下的磨削时的运动轨迹，以及在本试验条件下磨粒切削时满足的分离条件；研究了主轴转速、超声功率以及进给速度对小孔表面粗糙度的影响规律。研究结果对于电镀金刚石磨头加工硬脆材料小孔的工程应用均有较大参考价值。

研究中的声学参数对粗糙度的影响考虑较少，仅考虑了功率百分比，此外陶瓷小深孔超声加工的孔的精度、偏斜度等亦应进行深入研究。

《金刚石磨粒超声振动刻划BK7玻璃的亚表面损伤研究》

王 洋，等；第29页

光学元器件的精密超精加工，表面和亚表面损伤问题一直是该研究领域关注的重点。作者针对光学玻璃磨削加工中出现的亚表面损伤严重等问题，提出采用超声振动辅助加工方法对BK7玻璃进行刻划试验，以研究光学玻璃超声加工时的亚表面损伤机理。

作者建立了BK7玻璃材料的本构模型，模拟分析了超声振动对BK7玻璃刻划过程中材料去除机理的影响规律，设计了超声振动刻划实验，研究了超声振动功率、刻划速度和刻划深度对亚表面裂纹的影响规律。研究结果表明：超声刻划相比于普通刻划，亚表面裂纹深度最大下降了24.4%，随着刻划速度的增大，刻划后沟槽底部的亚表面裂纹最大深度逐渐增大，随着沟槽截取深度的增大，亚表面裂纹最大深度整体上呈逐渐上升的趋势并出现明显的分级情况。研究结论，对于光学玻璃的超声加工表面亚表面损伤研究具有重要的参考价值。

文章对超声频率及刻划温度对亚表面损伤的影响研究不足，此外给出亚表面损伤的照片也不够典型。