超聲鉆削研究綜述

柏廣才

摘要：超聲鉆削技術以其獨特的優越性在精密與特種孔加工中得到廣泛的應用，本文介紹超聲鉆削相較于傳統鉆削的在鉆削力、鉆削熱、鉆頭壽命和孔質量方面的優勢與機制，給出超聲鉆削技術類別和技術特點。隨之從切削力、精度及加工質究、新材料上的應用和超聲輔助鉆削裝置四個方面論述了超聲鉆削理論和技術的發展過程和現狀，并對超聲輔助鉆削的發展前景作了展望。

關鍵詞：超聲加工;輔助鉆削;超聲加工

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

0? 引言

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

針對傳統鉆削中存在的上述問題，學者通過研究提出了超聲輔助鉆削技術，即在傳統鉆削的過程中施加一個高頻的振動，輔助鉆削過程。超聲振動的引入是原有的鉆削運動過程中引入另一個運動，形成新的刀具運動軌跡和形成新的切削動力學過程，通過合理的匹配振動的頻率和振幅，優化傳統的鉆削過程。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，使原來的連續鉆削過程轉變為斷續切削過程，促使切屑斷裂和冷卻液進入，降低切削刃的溫度，減小磨損;同時高頻振動不斷的摩擦孔壁，降低孔的表面粗糙度，提升孔的加工質量。

1? 超聲鉆削技術分類與特點

超聲輔助鉆削技術按不同振動的來源、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自身，如機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，自激振動受系統阻尼的影響無法持續，同時振動的頻率受系統結構的限制，無法調節，致使整個振動過程無法控制，因此一般不在實際鉆削過程中使用。強迫振動通過外部的驅動電路和結構產生有規律的振動并將振動傳遞到工件或者鉆頭，實現振動輔助加工，強迫振動的頻率和振幅均有電路控制，可調節性強，因此被廣泛使用。目前采用的超聲輔助鉆削技術多為強迫輔助鉆削。

②超聲輔助鉆削過程鉆頭的進給方向為鉆頭的軸向，因此振動均出現在軸向方向，按超聲振動形式的不同可以分為軸向振動、軸向扭轉振動鉆削以及軸向扭轉復合振動鉆削。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;扭轉輔助鉆削是指振動方向與鉆頭旋轉方向一致，如此使鉆頭不斷的過切和欠切，達到振動輔助的目的;軸向扭轉復合振動鉆削同時進行軸向與扭轉振動輔助。

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現形式。隨著振動刀柄的出現，即在現有的CNC機床刀柄上集成超聲振動裝置就可以高效的實現振動輔助，目前在生產中應用較為廣泛，而工件振動需要驅動整個工件或者工作臺振動，通常工件的總量較刀具都大，導致慣性更大，振動的幅值無法加大，同時對振動系統的剛度、能量和能耗都要求更高，因此很少用于生產過程，僅在實驗室使用。

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

2? 發展現狀

隈部淳一郎于上世紀五六十年代提出超聲輔助鉆削技術并驗證了超聲輔助鉆削相較于傳統鉆削過程存在的優越性。隨后大量的學者圍繞超聲輔助鉆削過程切削力、加工精度和表面質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時的鉆削力和鉆削扭矩動態監測。相比于傳統的鉆削，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;實驗觀察到的超聲鉆削時的切削尺寸明顯減小，高速相機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。

同時采用紅外熱像儀監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單位，并將每個單元近似看作前角和刃傾角不變的車刀，然后依據斜角切削理論構建各個切削單元的軸向力和扭矩模型，進而預測鉆頭的軸向力和扭矩，通過在鉆削力上添加振動的影響，即可實現對振動輔助鉆削的鉆削力的計算和分析。

2.2 精度及加工質量研究

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，實現對入鉆精度的提升。國內部分學者通過分析超聲輔助鉆削中鉆頭壽命、橫向偏移機理，指出振動輔助鉆削中脈沖式非連續進給能有效的協助鉆頭鉆出，減小甚至消除入鉆位置偏移，提升鉆孔的定位精度。同時指出超聲輔助鉆削時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 在新材料上的應用

超聲鉆削在硬脆材料的加工方面也具有明顯的優勢，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。同時超聲鉆削也適用于新型的復合材料加工，具有明顯加工經濟性和材料保持性，如CFRP制孔。對鋁基碳化硅超聲鉆削過程中發現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，加工質量明顯改善。對于非金屬陶瓷材料，存在明顯的應變率增韌效應，采用高頻超聲產生大的應變率，改善被加工陶瓷表面的韌性，抑制材料表面的裂紋擴展，提高加工效率與加工質量。對比783鎳基高溫合金的超聲和普通鉆削實驗結果，發現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、表面粗糙度和擴孔量均有所提升。

針對CFRP復合材料的超聲鉆孔研究發現，超聲鉆削時的軸向力明顯下降，同時CFRP在傳統鉆削過程中的分層現象消失。進一步的實驗結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勢，特別適用于該類難加工材料的加工。

2.4 超聲裝置和機床研制進展

隈部淳一郎教授基于其首創的超聲鉆孔技術開發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現了超聲加工，實際意義上的開出了第一套超聲加工機床。隨后在學者隈部淳一郎教授的超聲發生裝置和機床的基礎上不斷的開發和研究，并將其推廣到鉆床和加工中線，同時超聲裝置的集成化和控制系統的小型化也使其不斷的與機床深度融合，為其大面積應用奠定了基礎。發展到1980年左右，日本開發了世界首臺高頻換能器（頻率可以達到40 kHz），并將運用于鉆削設備實現了扭轉鉆削機床，如圖 1所示。此后許多機床廠家開始在機床上集成超聲設備，開發了專用的超聲加工設備，如在鉆削設備上集成縱向換能器，實現扭轉超聲輔助鉆削設備;超聲科技、超聲銑削、德瑪吉、Kerry超音波工業等公司在機床添加了旋轉超聲，研發了相應的設備，以德瑪吉研制的Ultrasonic 50機床為例，該機床已廣泛應用于小孔加工，能夠提供的超聲輔助頻率為17.5～30 kHz，深受消費者喜愛。

國內學者對超聲輔助加工的研究也有較長的一段歷史，成果斐然。如劉華明教授團隊早于1986年就自主研發了超聲輔助鉆床設備，并在上面開展了大量的實驗研究。隨后的超聲輔助鉆削設備和技術迅速發展。如今國內已經聚集了一大批長期從事超聲輔助加工設備和技術研究的專家學者，如北京航空航天大學張德遠教授團隊、河南理工大學趙波教授團隊和中北大學祝錫晶教授團隊，他們系統的從超聲發生器、超聲電源和跟蹤電路、超聲變幅桿和超聲加工機理等方面進行了研究，針對加工機床和加工對象的特點，設計了可以適應多種形狀厚度工件的超聲輔助平臺和機床，加工超聲輔助鉆削加工技術廣泛的應用于航空航天和工業生產實踐中，突破了歐美專家在超生鉆削設備方面的壟斷，實現了超聲設備的自制和國產化。

3? 發展前景

超聲輔助鉆孔技術可以提高孔的加工精度和質量，同時提升加工區的冷卻效果，從而降低加工區域刀具的溫度，減少磨損，提高刀具的壽命，具有廣泛的應用前景，特別是對于難加工材料的制孔，具有顯著的優勢。常規的超聲鉆孔設備已經比較成熟，但通用性較差，特殊用途下超聲設備還需要進一步優化，特別是針對難加工材料制孔的專用超聲鉆削成套設備目前尚未成熟，機床系統的可靠性和長期運行的穩定性有待深入考核評價，該類設備在航空航天領域等高附加值領域具有比較大的需求。將目前超聲輔助鉆削技術的各項研究成果加以集成，發展專用超聲輔助鉆削設備將成為下一階段的研究重點之一。

參考文獻：

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