超声加工技术的发展及其在航空航天制造中的应用潜能郑书友

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1、2009 年第13 期航空制造技术51 难加工材料切削技术 Cutting Technology for Diffi cult-to-Cut Material 陶瓷、 光学玻璃、 功能晶体、 金刚 石、 宝石和先进复合材料等具有优越 的物理、 化学和机械性能， 在航空、 航 天、 军工、 电子、 汽车和生物工程等领 域正得到越来越广泛的应用， 并且其 超声加工技术的发展及其 在航空航天制造中的应用潜能 郑书友 博士， 清华大学精密仪器与机械学 系博士后。主要从事超声加工机床研 制， 超硬磨料刀具制备及其应用和硬脆 材料加工等方面的研究。参加国家重 大专项 1 项， 863 计划项目 1 项，

2、摩擦 学国家实验室资助项目 1 项， 申请专利 1 项， 发表论文 10 余篇。 应用还在不断向新的领域扩展。与 此同时， 人们开始探索特种加工方式 来加工这些难加工材料。超声加工 技术就是在此背景下发展起来的， 实 践证明， 它是加工上述难加工硬脆材 料的高效和经济有效的方法之一。 超声技术在工业中的应用开始 于 20 世纪 10 20 年代， 它是以经 典声学理论为基础， 同时结合电子技 术、 计量技术、 机械振动和材料学等 学科领域的成就发展起来的一门综 合技术。超声技术的应用可划分为 功率超声和检测超声两大领域。其 中， 功率超声是利用超声振动形成的 能量使物质的一些物理、 化学和生物

3、 特性或状态发生改变， 或者使这种状 态改变加快的一门技术。功率超声 在机械加工方面的应用， 按其加工工 艺特征大致分为 2 类， 一类是带磨料 的超声磨料加工 （包括游离磨料和固 结磨料） ， 另一类是采用切削刀具与 其他加工方法相结合形成的超声复 合加工。具体如图 1 所示。 超声加工技术的发展 1927 年， 美国物理学家伍德和 卢米斯最早作了超声加工试验， 利 用超声振动对玻璃板进行雕刻和快 速钻孔。但当时超声加工并未应用 到工业上， 直到大约 1940 年在文献 清华大学精密仪器与机械学系 郑书友 冯平法 吴志军 郁鼎文 超声技术在工业中的应用开始于 20 世纪 10 20 年 代，

4、 它是以经典声学理论为基础， 同时结合电子技术、 计量 技术、 机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一 门综合技术。旋转超声加工是集普通超声加工与磨粒磨削 加工为一体的复合加工， 是加工硬脆性材料的一种高效方 法， 必将在航空航天制造中具有广阔的应用潜能。 Development and Application Potential of Ultrasonic Machining Technology in Aviation and Aerospace Manufacturing FORUM 论坛 52航空制造技术2009 年第13 期 上第一次出现超声加工 （USM Ultrasonic

5、 Machining） 工艺技术 描述以后， 超声加工才吸引了大家的 注意， 并且逐渐融入到其他的工业领 域。1951 年， 科恩研制了第一台实 用的超声加工机， 为超声加工技术的 发展奠定了基础。 USM 提供了比常规机械加工技 术更多的优点。例如， 导电和非导电 材料它都可以加工， 并且加工复杂的 三维轮廓也可以像简单形状那样快 速。此外， 超声加工过程不会产生有 害的热区域， 同时也不会在工件表面 带来化学 / 电气变化， 而且加工时在 工件表面上所产生的有压缩力的残 余应力可以增加被加工零件的高周 期性疲劳强度。 然而， 在 USM 中必须供给磨料 工作液， 并且要保证加工过程中能有

6、效清除刀具和工件间隙中的切屑和 磨损磨粒。因此， 材料的去除速率相 当慢， 甚至于在切削深度较大时会停 止工作。而且， 在磨粒及切屑混合液 的流通过程中， 对已加工表面或者孔 壁会造成二次磨蚀， 导致工件加工精 度的降低， 尤其是小孔加工。此外， 磨料工作液还会磨蚀刀具本身， 它将 引起刀具端面及径向的大量磨损， 从 而很难保证加工精度。 为了克服这些问题， P. Legge 提出采用固结金刚石刀具， 结合工件 的旋转进行孔加工的方法， 形成了最 初的旋转超声加工。这种加工方法 克服了普通超声加工中游离超硬磨 料液在刀具和工件之间流通不畅， 以 及磨料对加工刀具和加工孔壁的磨 蚀等问题， 同时

7、使加工精度和材料的 去除率得到了显著提高。后来研制 了一种具有旋转超声振动系统的超 声加工机床， 固结式金刚石刀具以一 定的静压力作用到工件材料上， 并以 一定振幅作轴向超声频振动， 同时还 作相对于工件的高速旋转运动， 并且 冷却液不断地被输送到刀具和工件 表面之间， 这种方法已被证实是一种 高效低成本的硬脆性材料加工方法。 因此， 旋转超声加工技术一直倍 受各国研究学者的关注。英、 美、 苏、 德、 日和中等国家己对超声旋转加工 设备的研制以及工艺方法作了一些 研究。其中， 典型的旋转超声加工机 床特性如表 1 所示。 当前， 旋转超声加工技术的应用 范围， 已由最初的旋转超声孔钻削加 工

8、， 扩展到旋转超声磨削加工、 旋转 超声平面铣削加工等加工方式。 通过对超声加工刀具与工件间 运动学关系的分析以及对加工工件 表面质量和刀具磨损等方面的研究， 大家普遍认为旋转超声加工的机理 主要包含以下几个相互作用的因素： 刀具头上金刚石磨料在超高加速度 下对工件材料表面的锤击作用， 致使 工件的局部应力远远超过材料的断 裂极限， 这种应力使材料表面产生压 痕， 导致微细裂纹的产生、 扩展， 最终 形成微观局部破碎去除； 同时， 金刚 石刀具相对于工件材料的高速旋转， 使得嵌入工件表面的磨粒在工件表 面上划擦、 磨抛以及撕扯工件材料， 这种磨抛作用大大加速了微裂纹的 扩展， 造成了材料的宏观

9、破碎去除。 A.I.Markov， D. Prabhakar 和 Z. J. Pei 等人先后推导出基于脆性断 裂去除模式的旋转超声钻削中材料 去除率理论模型。后来 Z.J.Pei 等 人研究发现在旋转超声钻削先进陶 瓷中， 材料的去除机理包括脆性去除 和塑性去除， 于是在 1998 年提出了 基于塑性变形去除模式的旋转超声 钻削中材料去除率理论模型。此外， 超声加工中工作液受刀具端面超声 振动作用而产生高频、 交变的正负液 压冲击波和空化作用， 促使工作液进 入被加工材料的微裂缝， 加剧了机械 破坏作用， 加工过程得到加强。 而且， 超声空化爆破作用和刀具的旋转运 动使碎屑始终处于运动状态，

10、 同时阻 止了碎屑的沉积过程， 促进了碎屑在 工作液中流动， 加速了碎屑的排出， 推进了加工的进行。上述几个加工 机理的相互促进和综合作用， 大大地 提高了材料的去除率。 旋转超声加工的特点及优势 随着各种先进材料应用需求的 不断扩大， 激光加工、 高压水切割、 电 火花加工、 电子束加工和电化学加工 等特种加工方法均得到了较快的发 展， 相比传统加工方法， 其特色和优 越性得到较好的展示。激光加工的 特点是切缝小、 速度快、 能大量节省 原材料和可以加工形状复杂的工件， 但是加工表面热损伤很难控制；高 压水切割的特点是切口质量高、 结构 超声孔加工套料 游离磨料 超声加工 超声 磨料加工 超

11、声加工 超声 复合加工 固结磨料 超声加工 超声研磨抛光 超声成形加工 超声电化学 超声去毛刺 超声塑性加工 超声振动切削 超声电化学 超声放电加工 超声砂带抛光 超声放电穿孔 旋转超声加工 旋转超声加工 超声研磨、 抛光和磨削 超声放电研磨、 抛光和磨削 图 超声加工类别 2009 年第13 期航空制造技术53 难加工材料切削技术 Cutting Technology for Diffi cult-to-Cut Material 完整性好以及速度快， 特别适宜金属 基复合材料的切割， 但是加工系统复 杂；电火花加工和电化学加工则要 求加工工件具有导电性。旋转超声 加工是集普通超声加工与磨粒磨

12、削 加工为一体的复合加工， 是加工硬脆 性材料的一种高效方法， 相比其他特 种加工方法， 它具有其独特的优势： （1）超声加工可以加工导电和 非导电等各种硬脆性材料， 如陶瓷、 宝石、 硅、 金刚石和大理石等非金属 材料；也适用于加工低塑性和硬度 高于HRC40的金属材料， 如淬火钢、 硬质合金、 钛合金等金属材料； （2）由于工件材料主要依靠磨 粒瞬时局部的冲击作用， 故工件表面 的宏观切削力很小， 切削热就少， 不 会因产生变形及烧伤而改变工件表 面的化学 / 电性质， 故加工精度和加 工表面质量都比较好。与其他材料 去除过程相比， 超声加工能达到更高 的精度和表面光洁度， 同时还能延长

13、刀具寿命； （3） 旋转超声加工采用固结磨 粒的刀具对加工工件进行高频、 断续 加工， 是超声加工和切、 磨削加工的 复合加工方式， 比单纯的超声加工和 切磨削加工具有更突出的优势， 可以 有效地提高已加工表面的耐磨性和 耐腐蚀性。同时， 旋转超声加工的复 合加工机理， 更适宜于硬脆性材料的 加工， 其去除率可以达到普通切磨削 的 6 10 倍， 是普通超声加工材料 去除率的 10 倍。 超声加工技术在航空航天 制造中的应用潜能 现代航空航天制造业已不是传 统意义上的机械制造业， 它是集机 械、 电子、 光学、 信息科学、 材料科学、 生物科学、 激光学和管理学等学科的 最新成就为一体的一个新

14、技术与新 兴工业的综合体。航空航天制造工 程的发展水平对飞机、 火箭、 导弹、 激 光武器和航天器的可靠性和使用寿 命的提高， 综合技术性能的改善， 研 制和生产成本的降低， 甚至总体设计 思想能否得到具体实现均起着决定 性的作用。 航空航天技术的发展对材料性 能的要求愈来愈高， 如比强度和比刚 度高、 有一定的耐高温和抗低温性 能、 有良好的耐老化和抗腐蚀能力、 有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳 性能。因此， 高温合金、 钛合金、 高强 度钢、 先进复合材料和工程陶瓷等材 料得到了越来越广泛的应用。如碳 基复合材料具有密度低、 比强度和比 模量高、 可设计性强、 抗疲劳性能好、 耐腐蚀性能好和

15、结构尺寸稳定性好 等优点， 在航空领域获得了广泛的应 用。截至 2008 年， 波音 B787 飞机上 复合材料的用量已突破性地达到了 50%， 其后空客公司制造的 A350 飞 机上复合材料的用量也将达到 52%。 再者， 功能晶体材料由于其优异 的物理、 化学和光学性能在航空航 天、 国防军工、 信息、 微电子及光电子 等尖端科技领域得到越来越广泛而 特殊的应用。如何实现光学晶体材 料零件的高效精密与超精密加工已 成为当前各国关注的新焦点。 对于功能晶体材料零件， 除要求 满足机械尺寸精度外， 还要保证零件 的光学功能特性， 传统的加工工艺流 程 （磨削后进行研磨和抛光） 工序多、 周期长

16、、 成本高， 相应地产品废品率 较大， 特别是脆性光学零件的精密磨 削加工， 容易造成加工表面和亚表面 损伤。大量理论和试验研究表明， 由 于超声振动的引入， 材料在加工过程 中的变形行为、 加工机制和刀具受力 状态等会发生完全不同于常规机械 加工的变化， 具有特殊的工艺效果， 如切削力小、 切削热少， 因而不会或 者较少引起加工表面的热损伤以及 由此引起的电 / 化学及光学性质的 变化， 从而可显著提高零件加工质 量， 并且加工过程平稳， 刀具的使用 寿命得以大幅度提高， 是脆性材料精 密、 高效加工的一种有效方法。而如 何利用这些优势实现光学晶体材料 的精密超声加工， 降低加工表面和亚 表面质量损伤， 并没有得到充分有效 的发挥和应用。 近两年， 国内军工企业也引进了 几台高水平的旋转超声加工机床， 尝 试用于脆性材料的精密加工， 但由于 对超声加工机理和工艺缺乏系统的 研究， 使用效果并不理想。在超声加 工机床和工艺参数范围既定的情况 下， 刀具参数的选择对于加工效果有 着至关重要的影响。为了拓展超声 加工在航空航天及军工国防领域的 应用， 单就超声加工刀