超聲橢圓振動切削難加工材料的研究進展＊

孫玉涵 張藝嘉 楊延朝 蔣振峰 付秀麗

（①濟南大學機械工程學院，山東 濟南 250022；②淄博大亞金屬科技股份有限公司，山東 淄博 255318）

難加工材料（如陶瓷、鎢合金、鈦合金及復合材料等）加工領域[1-2]，由于高溫、化學催化等原因，采用傳統切削 （conventional cutting，CC）會影響加工表面質量，產生表面缺陷。這一問題導致難加工材料的高精度加工難以達到理想效果，制約了難加工材料的發展。經研究表明，采用超聲橢圓振動切削 （ultrasonic elliptical vibration cutting ，UEVC） 可一定程度上優化加工效果，避免加工表面產生缺陷，可廣泛應用于高精度尖端科技領域。

大連理工團隊[3]采用超聲橢圓振動切削鎢合金材料實現鏡面切割實驗，研究了加工參數、冷卻條件等對表面質量的影響規律，以實現鎢合金表面的鏡面切割，如圖1 所示。張建國等[4]采用超聲橢圓振動切削方式對碳化鎢材料進行實驗，發現超聲橢圓振動切削不僅能夠實現該材料的塑性加工，還能夠有效改善加工表面質量并延長刀具壽命。Lotfi M 等[5]采用超聲橢圓振動切削加工鈦合金表面，發現表面形成了微織構，對其進行摩擦磨損實驗發現該織構能夠有效改善其摩擦磨損性能。

圖1 超聲橢圓振動切削下鎢合金加工中的應用

目前，利用超聲橢圓振動切削的方式進行材料的加工已成為研究熱點。國內外學者在超聲橢圓振動切削去除機理及特性等方面研究表明，該切削方式在優化表面形貌、降低殘余應力方面有著顯著優勢，尤其適用于難加工材料領域。

1 超聲橢圓振動切削動力學分析

1.1 超聲振動切削動力學模型發展

沿切削方向一維振動切削方式最早由日本學者隈部淳一郎提出[6]，如圖2a 所示，在降低切削力和切削溫度、提高表面完整性方面得到驗證。而后日本學者社本英二首先提出超聲橢圓振動切削，在一維振動切削的基礎上引入垂直切削方向的振動，兩個方向的振動軌跡合成得到橢圓軌跡，如圖2b 所示，假設切速方向為X方向，切深方向為Y方向。則刀具振動軌跡如下：

圖2 三種振動切削模式對比圖

式中：A和B分別為X和Y方向的振幅；f為橢圓軌跡振動的頻率；θ為兩個方向的相位差。綜上所述，將該方程組組合成單一方程式：

類似地，推導出刀具與工件的相對運動方程為

對以上方程求導，得出刀具的運動速度公式：

以上兩種超聲振動方法均在低速精密切削中獲得，僅適用于低速切削的情況。北京航空航天大學張德遠團隊[7]探索了新的超聲形式，通過對橢圓切削軌跡參數進行調配，得到了高速波動式切削軌跡，如圖2c 所示，即將原有的相位差表示為

高速波動切削的斷續切削是刀具軌跡相交實現，為該過程提出了分離條件：

高速波動式切削的出現解決了低速條件的制約，使得切削效率大大提高。

1.2 超聲橢圓振動切削的切削特性

超聲橢圓振動切削材料的去除過程為“壓-剪-拉”復合切削過程，刀具對工件進行擠壓，使得切屑成型，并在高溫下進行絕熱剪切對材料進行去除[5]。該切削方式具有刀具-工件分離、變角度切削、摩擦力周期性反轉特性。

1.2.1 刀具-工件分離特性

通過上述對超聲橢圓振動切削機理的描述，王立江等[8]對一維超聲振動切削、超聲橢圓振動切削的切削狀態進行對比發現，超聲橢圓振動切削就是在一維振動基礎上增加了垂直方向的振動，實現了兩個方向的變速切削，刀具軌跡呈橢圓形，達到斷續切削的切削狀態。

一維超聲振動中，刀具與工件并未實現完全分離，且刀具后刀面與已加工表面反復摩擦產生的交變載荷，極易產生刀具崩刃[9]。而超聲橢圓振動切削這種高頻、間歇的切削，通過對切削參數調配，橢圓軌跡后退過程實現了工件與刀具的徹底分離，如圖3 所示。不僅可以延長刀具的壽命，抑制工件與刀具之間的化學反應，而且振動和切削條件的確定使刀具的前刀面在每個振動周期中與切屑分離，能夠改善刀具磨損情況有效降低切削熱[3]。Zhang X Q 等[10]在研究超聲橢圓振動機理的中發現，工件將隨刀具的后退逐漸回彈，直至能量完全釋放，并真正與刀具前刀面脫離，從而降低切削溫度。

圖3 超聲橢圓振動切削瞬時切削過程示意圖

這種切削方式的刀具-工件分離切削特性降低了單位時間的切削力和切削溫度，從而得到更好的表面質量[11]。

1.2.2 變角度切削特性

刀具-工件分離特性闡明了刀具在兩個方向上進行變速運動的運動形式，而切削速度以及切削軌跡的變化也影響著刀具切削角度的改變。Shamoto E 等[12]首先對切削角度進行定義，并給出計算公式，見式（7）和式（8），根據公式得到圖4 所示角度圖像，可以發現切削過程中切削角度隨切削速度的變化呈規律性變化。隨后Lee E H[13]推導出在切削過程中，剪切發生在最大剪應力方向即剪切速度和合力方向瞬態角之間的角度為45°時。在研究切削角度變化時發現，由于開始切削時刻與切削過程中切削速度方向反轉，因此產生不同的剪切平面角[10]。變角度切削特性有利于該切削方式，適用于多種材料的切削，適用性更強，應用范圍更廣。

圖4 切削刀具工作角度示意圖[14]

該特性能夠改善刀具散熱差、摩擦嚴重、壽命低等問題，且可得到較高的表面質量。

1.2.3 摩擦力周期性反轉特性

在切削過程中，刀具與切屑接觸使得切屑受摩擦力方向改變為利于排出的方向的特性稱為摩擦力反轉特性。Zhang X Q 等[10]在研究摩擦力反轉中定義了反向動摩擦區，發現隨著摩擦力方向的變化，切屑的方向也隨之變化為利于切屑排出方向。在研究超聲橢圓振動切削碳化硅復合材料中發現，周期性的摩擦力反轉使得切屑和被破壞的顆粒更好地從切屑形成的區域排出，橢圓振動對切屑的動態沖擊使得剪切區的鋁基板由彈塑性變形轉變為粘彈性變形，增強了切屑的抗斷裂能力，有利于切屑的連續性[11]。在超聲橢圓振動摩擦機理的研究中發現，摩擦力反轉不僅有利于斷屑，在切屑排出時還能帶走熱量，降低切削熱[14]。

該特性逆轉的摩擦力不僅有利于得到高質量的切屑、斷屑，還能顯著減小切削力和減少切削熱的產生。

2 表面形貌與殘余應力研究

表面形貌、殘余應力等通常被認為是評估各種制造工藝能力的重要因素[15-16]，因此它們最常用于超聲橢圓振動切削后的表面質量的表征。

2.1 表面形貌

超聲橢圓振動切削基于其切削力低、切削精度高和毛刺形成減少的優點，被用于制造小型化、精密化形貌表面[17]。

Kim G D 等[18]采用超聲橢圓振動切削在黃銅C2801 上切割產生微槽陣列與傳統切削進行對比，發現傳統切削加工后工件表面會有很多凹坑和毛刺，而超聲橢圓振動切削因其降低了切削力，從而抑制了毛刺的形成，提高了表面質量。為了研究了不同切深下橢圓振動對表面形貌的影響，采用單因素試驗在鎢合金材料上進行了橢圓振動切削，并與傳統切削進行對比，發現超聲橢圓振動切削可有效抑制毛刺和凹坑產生的表面缺陷，改變表面粗糙度，如圖5 所示[19]。在對超聲橢圓振動切削鈦合金表面進行研究過程中發現，表面形貌的好壞與振動頻率有關，如圖6 所示，高頻振動相較于低頻振動工件表面更為平整[17]。此外，在切削脆性材料過程中，超聲橢圓振動能夠有效減小裂紋，從而改善表面質量[23]。因此，該加工方式能夠有效抑制毛刺、裂紋的形成，提高加工表面完整性。

圖5 鎢合金普通切削與傳統切削表面形貌對比圖

圖6 不同振動頻率的已加工表面

2.2 殘余應力

引起殘余應力變化的原因包括：①切削力引起的殘余應力；②切削溫度引起的殘余應力；③相變引起的體積變化。

在超聲橢圓振動切削鈦合金的實驗中發現，提高橢圓振動頻率和振幅有利于工件表面殘余壓應力的形成，從而提高工件的表面質量[1]。銑削鋁合金實驗分析了銑削力與殘余應力之間的關系，表明切削力對殘余應力的影響占據主導地位[20]。采用不同切深對傳統切削與超聲橢圓振動切削進行對比，發現在切削加工中，若找到合適的切削參數范圍，超聲橢圓振動切削比傳統切削的平均主切削力更低，如圖7 所示[26]。于海鵬等[16]通過建立橢圓振動切削有限元仿真模型模擬了切削過程中切削力的變化規律，建立了二維有限元模型對普通切削與超聲橢圓振動切削的表面殘余應力分布進行對比，結果表明，與傳統切削相比橢圓振動切削工件已加工表面形成了分布均勻的殘余壓應力。該加工方式在降低切削力、提高表面完整性以及工件材料的使用性能方面有著促進作用。

圖7 兩種切削方式平均主切削力對比

3 UEVC 在難加工材料加工中的應用

超聲橢圓振動切削具有降低切削力與切削溫度的特性，從而具有形成較好表面質量的加工優勢，在難加工材料的去除加工中逐漸發揮作用。

表1 中列出脆性材料、塑性材料、復合材料以及黑金屬材料4 種常見的難加工材料類型、特點以及加工中常見的難點。接下來將對超聲橢圓振動切削在這四種難加工材料的應用進行闡述。

表1 常見難加工材料特點及加工存在問題

3.1 脆性材料

以光學晶體、玻璃為代表的脆性材料在尖端科技領域具有廣泛需求，因此采用超聲橢圓振動切削脆性材料的高質量細微加工受到越來越多的關注和探索。

Schinker M G 等[21]嘗試采用機床，利用傳統的切削方法車削小面積的光學玻璃，Brehm R 等[22]通過燃燒器加熱工件材料來車削光學玻璃，以提高玻璃材料的延展性。在Puttick K E 等[23]將超聲振動切削應用于脆性材料的超精密加工之前，超聲振動切削通過沖擊材料表面產生紋裂實現材料去除的方式被認為不適合脆性材料的加工，因為殘存的紋裂易轉變為表面/亞表面損傷。然而根據脆性材料研究的經驗，刀具的超聲橢圓振動產生的裂紋數量更多但尺寸更小，大幅度減小亞表面損傷。

為了證明超聲橢圓振動切削對脆性材料表面精度和表面形貌的影響，Pan Y A 等[24]通過白光共聚焦顯微鏡觀察脆性合金在不同切削參數下的表面形態（圖8），發現差異顯著。結果表明，連續分離相互作用過程顯著提高了加工表面的質量。圖8a～圖8d 表面紋理清晰，切割痕跡均勻，沒有明顯的損傷，其原因在于刀具與工件之間的高頻相對振動減小了平均切削力，降低了切削溫度。圖8e 和圖8f通過單點金剛石刀具切割獲得的表面形貌對比，超聲橢圓振動切削技術極大地提高了加工表面的質量。

圖8 不同條件下超聲橢圓振動切削表面形貌對比

綜上所述，相對于傳統切削加工，超聲橢圓振動條件下加工脆性材料能夠增大臨界切削深度，減小切削過程的平均切削力，降低切削溫度，提高脆性材料加工后的表面質量和加工效率。

3.2 塑性材料

以鈦合金為例，鈦合金材料就是一種典型的難加工塑性材料，具有加工困難成本高、加工周期長等加工難題，對表面質量、加工精度有著極高的要求[25]。童景琳等[26]采用超聲橢圓振動切削鈦合金實驗發現，可以通過優化加工參數使得降低主切削力的效果更好，觀察其切屑發現斷口排列有序，根據摩擦力反轉特性推斷其能夠形成質量較好的切屑，從而提高表面質量。陳德雄[17]在研究超聲橢圓振動切削鈦合金中表明，選擇合適的頻率和振幅均能有效提高工件的表面完整性。

Kumabe J 等[27]對銅和鋁工件的超聲橢圓振動切削進行了研究，發現與僅沿切削方向的一維振動切削及傳統切削相比，超聲橢圓振動切削可以顯著降低切削厚度與切削力，還極大地減少了表面毛刺（圖9），提高了加工精度[12]。Xu Y S 等[28]在相同條件下對5A06 鎂鋁合金分別進行傳統切削加工和超聲橢圓振動加工，對比了放大500 倍機加工表面的超景深光學圖像，圖10a 和圖10b 可以看出傳統切削工件表面有明顯的凹槽缺陷、劃痕和堆積邊緣，而超聲橢圓振動切削得到的工件表面覆蓋著規則細膩的條紋，工件表面的輪狀振動痕跡清晰對稱。圖10c 和圖10d 為加工工件的三維表面形貌，可以看出超聲橢圓振動切削三維表面形貌的高度也小于傳統切削，證明超聲橢圓振動切削的粗糙度值更小，表面質量更好。

圖9 不同軌跡下表面質量評價指標的對比

圖10 普通切削和超聲橢圓振動切削二維三維表面對比

綜上所述，超聲橢圓振動切削在理想工藝參數條件下，不易出現堆積邊緣、表面劃痕等現象，從而獲得比傳統切削更好的表面形貌。

3.3 SiCp/Al 復合材料

對于SiCp/Al 復合材料，多名學者對切削該復合材料進行了有限元模擬，揭示了碳化硅和刀具之間不同的相互作用和損傷模式，以及它們與加工力、殘余應力分布和加工表面形貌的關系[29-31]。在對超聲振動輔助切削鋁基碳化硅在不同切速、切深、振幅進行仿真時，發現該過程工件溫度與除頻率外的各切削參數成正比，刀具振動頻率的增加會導致溫度的降低從而減小刀具磨損，得到更好的表面質量[30]。Pramanik A 等[31]研究了正交切削過程中該材料的應力和應變場的發展，以及刀具磨損、顆粒脫粘和基體材料的不均勻變形，發現對于典型難加工材料SiCp/Al 復合材料選擇超聲橢圓振動切削的方法可以有效改善刀具磨損和表面完整性。

基于前人的研究，Du Y S 等[32]建立了基于多相模型的SiCp/Al 復合材料UEVC 有限元仿真模型，通過比較傳統切削與超聲橢圓振動切削相同切削深度下的切屑形態（圖11）、切削力（圖12）、加工表面微觀形貌（圖13）得到超聲橢圓振動切削切屑微觀結構與傳統切削切屑的幾乎一致，但其形成的切口更連續，切削力大幅度降低，獲得了更理想的表面形貌和表面粗糙度。超聲橢圓振動切削刀具沿橢圓軌跡運動，在切削力的對比圖中，盡管由于橢圓軌跡對工件的沖擊，超聲橢圓振動切削局部切削力高于傳統切削，但平均切削力大幅度降低。

圖11 SiCp/Al 復合材料CC 與UEVC 的切屑對比

圖12 SiCp/Al 復合材料CC 與UEVC 的切削力對比

圖13 SiCp/Al 復合材料CC 與UEVC 的加工表面微觀形貌對比

綜上所述，超聲橢圓振動切削復合材料能得到更好的表面形貌是因為刀具的周期性橢圓振動更有助于將脫落或破碎的顆粒排出切屑接觸區域，而不是與工具一起刮擦表面；在切削過程中，刀具以超聲頻率振動工件，以動態沖擊切屑成形形成區域和加工表面，有效提高表面質量；與傳統切削相比，超聲橢圓振動切削過程中周期性超聲波振動降低了硬質顆粒的硬度和脆性，使其更容易發生延性斷裂，刀具的周期性橢圓運動比刀具刮擦表面更有利于拔出顆粒。

3.4 黑色金屬材料

康仁科團隊[19]在研究超聲橢圓振動切削純鐵等黑色金屬中發現，橢圓振動能夠一定程度減小刀具磨損，并減小表面粗糙度。在采用單晶金剛石刀具對不銹鋼進行的切削實驗中，證實了超聲橢圓振動切削相對于傳統切削在黑色金屬的加工中更優越，即低切削力、低切削溫度、高質量的表面粗糙度和更長的刀具壽命[33]。以45 鋼為材料，對比了傳統切削與超聲橢圓振動切削，得到兩種方法下獲得的2D 表面顯微照片和3D 表面形貌，如圖14b 和圖14d 所示，超聲橢圓振動切削表面有一定的振動痕跡，形成了規則分布在表面上的間歇性凹陷特征。而傳統切削表面具有不規則的尖條紋，其形態如圖14a 和圖14c，該種特征會導致較差的表面質量[34]。

圖14 45 鋼切削獲得二維與三維表面形貌對比

綜上所述，由于超聲波橢圓振動效應產生刀具的橢圓運動軌跡，刀具-工件分離的影響更為明顯，切削溫度明顯降低，從而有效提高了黑色金屬的表面質量[35]。

4 展望

超聲橢圓振動切削作為一種新型復合加工工藝在近幾十年發展迅速，在解決各種難加工材料的加工問題中體現出良好的加工優勢。國內外學者已在超聲橢圓振動切削在加工難加工材料過程中的有益作用已基本達成共識。但也要看到，現有的研究多集中于加工現象的對比，關于加工工藝對材料力學性能變化的影響規律及對材料切削加工性能影響機制等基礎理論研究還不夠深入，因此需要進一步探索和實踐。

5 結語

超聲橢圓振動切削具有的刀具-工件分離、變角度切削、摩擦力周期性反轉的加工特性，不僅能有效減小刀具磨損、延長刀具壽命，還能有效抑制凹坑和毛刺等表面損傷的產生，減小切削力，極大提高了加工表面質量。在對比了超聲橢圓振動切削與傳統切削在難加工材料領域的應用發現：

（1）因UEVC 所具有的優良切削特性，在脆性材料的切削過程中能夠有效降低平均切削力和切削溫度，在獲得較好表面質量的同時提高加工效率。

（2）UEVC 所具有的周期性摩擦力反轉特性，在塑性材料的切削應用中能夠避免堆積邊表面劃痕等缺陷，從而提高了表面完整性。

（3）在超聲橢圓振動切削SiCp/Al 復合材料過程中，刀具的周期性振動使得材料斷裂韌性提高，防止工件脆斷，更易斷屑，以防止刀具、切屑刮擦損傷已加工表面。

（4）UEVC 在黑色金屬領域的應用相對較少，就目前研究來看，其延長刀具壽命、提高表面質量優勢明顯，但仍需進一步探索。