面向新型材料加工的超聲精密加工技術研究及應用*

陳洪歡

（杭州科技職業技術學院，浙江 杭州 311402）

《中國制造2025》將航空航天裝備、5G智能裝備和先進軌道交通裝備等列入高端裝備工程與十大重點發展領域，碳纖維復合材料、高溫合金和石墨等新型材料在上述裝備的應用成為提升裝備性能、取得技術突破的關鍵所在。對上述材料的制備和超精密加工技術成為新材料領域的重點研究對象[1-2]。

1 技術背景

現有的典型難加工硬脆材料超精密加工過程中存在加工精度低、穩定性差、壽命短等問題。比如：碳纖維復合材料采用高速銑削加工時，存在工件固持困難、加工表面有纖維拔出或拉斷等質量缺陷問題。這些表面的質量缺陷會導致碳纖維復合材料結構件在工作時浸漬層脫落，嚴重影響承載能力和吸波效果，現有高速銑削加工技術無法很好地滿足碳纖維復合材料的加工要求。高溫合金作為飛機結構件的重要材料，其在高速切削加工時存在切削溫度高、刀具磨損快等問題，容易發生崩刃現象。主切削刃附近的應力過于集中，容易產生工件回彈，造成切削振動，加工精度和加工效率較低，嚴重影響零件表面完整性。

目前，國際上公認滿足上述新型材料加工性能要求的高效加工方式之一是超聲精密加工。超聲加工方法與數控技術融合開發的超聲復合數控機床，已成為新型硬脆材料精密加工當下最先進的設備。超聲復合數控機床通過在加工刀柄產生超聲波頻率的諧振，將傳統的連續切削轉為高頻脈沖式的斷續切削，切削力以高頻脈沖波形的方式起作用，實現材料的高效分離。

筆者對面向硬脆材料的超聲輔助精密加工技術展開研究，首先闡述了超聲復合機床總體方案，接著對幾個關鍵部件進行說明，最后介紹超聲復合機床產業化應用加工的具體案例。

2 超聲加工系統研究

超聲復合機床相較于傳統數控機床增加了超聲加工系統，部分結構如圖1所示。超聲加工系統主要可分為超聲驅動器、非接觸式電能傳輸裝置和超聲刀柄3個部分[3]。

圖1 超聲加工系統部分構成結構圖

2.1 超聲刀柄

各系列超聲刀柄如圖2所示。超聲刀柄直接作用于加工工件，與普通加工刀柄相比，它的關鍵部件是壓電換能器?；趬弘娞沾傻哪鎵弘娦?，壓電換能器能夠將超聲驅動器所提供的電能轉換成超聲波級別的高頻振動，此種振動頻率為幾萬赫茲，振動幅值為幾微米到幾十微米。

圖2 各系列超聲刀柄

2.2 超聲驅動器

超聲驅動器又名超聲電源或超聲發生器，其結構如圖3所示。它的基本工作原理是通過AC-DCAC電路將工頻交流電轉換成高頻高壓交流電，然后利用高頻高壓交流電驅動超聲刀柄產生超聲波頻率級別的振動。

圖3 超聲驅動器

超聲刀柄存在諧振頻率，只有被外部與其諧振頻率一致的高頻高壓交流電激勵時，超聲刀柄才能產生較強高頻振動。實際加工過程中，由于負載變化和溫升等因素會導致超聲刀柄頻率發生變化，又因超聲刀柄Q值較大，只要實際工作頻率與諧振頻率偏差超過幾赫茲，就會導致超聲加工效果嚴重下降。所以超聲驅動器核心控制算法就是實現超聲刀柄諧振頻率的快速準確跟蹤。

另外，現有數字式超聲驅動器一般都支持外部通信接口，基于RS485通信的Modbus_RTU協議能夠實現機床對超聲系統工作狀態的監測和超聲配置參數的下發。

2.3 非接觸式電能傳輸裝置

非接觸式電能傳輸裝置的結構如圖4所示，它用于解決機床加工時主軸高速旋轉導致超聲驅動器輸出能量不能穩定傳輸的問題。數控機床加工時，其轉速一般都會達到幾萬轉，傳統碳刷導電方式存在能量傳輸不穩定的問題，其結構如圖5所示。借鑒變壓器傳輸原理，非接觸電能傳輸裝置一般采用松耦合變壓器式，以保證機床主軸高速旋轉情況下驅動器輸出能量的穩定傳輸[4]。

圖4 非接觸式電能傳輸

圖5 接觸式電能傳輸

超精密加工過程中要求單一發射環匹配多類刀柄接收環，且工藝要求發射環與接收環之間存在一定的間隙余量，以避免高速旋轉過程中發射環與接收環產生摩擦。針對換刀過程中圓環狀結構容易導致主軸狀態異常、高速旋轉過程中發射環/接收環間隙不均勻等問題，一般可通過優化發射環及刀柄接收環的磁芯材料、磁芯結構、線型及繞線方式等參數和設計包括諧振式、弧形、榫卯式等結構形式的多款松耦合變壓器來解決。

以上即為對機床超聲加工系統3個核心裝備的介紹。超聲復合機床基本控制流程是機床控制系統通過協議下發加工振幅和加工模式等加工參數到超聲驅動器，機床主軸移動到需要加工的工件上方，機床控制系統通過協議控制超聲驅動器開啟超聲輸出，輸出電能經過非接觸式電能裝置到達超聲刀柄，超聲刀柄將電能轉換成機械振動，機床主軸按照用戶設定程序完成機械加工，完成加工后機床控制系統關閉超聲驅動器輸出，結束整個流程。

3 應用案例

高溫合金（例如GH4169）作為飛機結構件的重要材料，傳統加工方法高速切削加工時存在削力大、切削溫度高、刀具磨損快等問題，要求刀具具有優異的抗黏結磨損性能、抗磨粒磨損性能，同時具有高紅硬性、抗高溫氧化性能。采用超聲復合機床加工高溫合金材料，可有效提高加工精度和加工效率[5-6]。

3.1 被加工工件表面粗糙度

根據硬質合金立銑刀面銑高溫合金和硬質合金鉆頭鉆孔高溫合金兩個加工工藝的測試可知，超聲復合機床可明顯提高被加工工件表面粗糙度。其中，在硬質合金立銑刀面銑高溫合金加工中，選擇D6-4刃銑刀時，超聲波加工會改善高溫合金的表面粗糙度，優化效果達16%，如表1所示；在硬質合金鉆頭鉆孔高溫合金加工中，對比多組超聲鉆孔與無超聲鉆孔的孔壁粗糙度數據，超聲鉆孔可有效改善高溫合金的孔壁表面粗糙度，優化效果約為35%，如表2所示。

表1 硬質合金立銑刀面銑高溫合金粗糙度表

表2 硬質合金鉆頭鉆孔高溫合金粗糙度表

3.2 加工刀具的壽命

根據多款硬質合金鉆頭鉆孔TC4鈦合金的測試結果，超聲復合機床可大幅度提高加工刀具的壽命。通過對比加工刀具在無超聲輔助和有超聲輔助兩種工藝下的最大加工孔數，可知超聲加工可最大提升刀具壽命1 627%，具體如表3所示。

表3 硬質合金鉆頭鉆孔TC4鈦合金測試結果表

4 結束語

筆者介紹了能夠端到端升級傳統機床的超聲加工系統，重點研究了超聲刀柄、超聲控制器和非接觸電能傳輸裝置3個核心裝置?；诔晱秃蠙C床加工高溫合金的測試結果可知，超聲復合機床能夠有效改善加工工件表面粗糙度以及延長刀具壽命，具有廣泛的應用前景。