难加工材料超声辅助切削加工技术

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1、FORUM论坛44航空制造技术2012 年第 16 期为了实现难加工材料高质量、 高精度、 高效率加工， 满足 不同应用领域难加工材料零件的加工要求， 目前， 超声辅助 切削加工技术通过借鉴其他加工技术的发展经验， 正不断向 微细化、 高效化、 精密化、 自动化、 智能化等方向发展。大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 康仁科 马付建 董志刚 郭东明难加工材料超声辅助切削 加工技术*Ultrasonic Assisted Machining of Difficult-to-Cut Material点， 材料切削加工性差， 零件加工要 求高， 很难用传统机械加工方法和加 工工具进行加工。因

2、此， 如何实现难 加工材料零件的高质高效精密加工 已成为当前国内外关注的课题。 为了适应各种先进材料不断扩大的应用需求， 一方面， 传统机械加 工技术通过自身的不断更新发展以 及与其他相关技术的融合， 在一些难 加工材料加工领域 ( 尤其在模具加 工、 铝合金和钛合金结构件加工等 ) 表现出了加工精度和加工效率方面 的优势。另一方面， 利用光、 电、 声、 热、 化学、 磁和原子能等能量进行加 工的特种加工方法 （包括激光、 超声、 电火花、 电化学、 高压水切割等）得 到了较快的发展， 在一些高性能合金 和硬脆材料等难加工材料加工领域 显示出一定的优越性。但是， 无论是 传统机械加工， 还是

3、特种加工方法， 多数是直接利用单一能量进行加工， 在加工效率、 精度、 表面质量和工具高性能合金 （如高温合金、 钛合 金、 高强度钢等） 、 复合材料、 硬脆材 料 （如光学玻璃、 工程陶瓷和功能晶 体） 等先进材料具有优异的性能， 在 航空、 航天、 军工、 电子和汽车等领 域得到越来越广泛的应用。复合材料具有密度低、 比强度和比模量高、 可设计性强、 耐腐蚀性能好、 抗疲劳 性能好和结构尺寸稳定性好等优点， 在航空航天领域主要用于制造如机 翼、 尾舵、 刹车盘、 制动鼓、 仪器舱段、 支架等复杂结构件和零件。这些经 过成型制备的复合材料结构件和零 件上， 许多连接装配和附件安装用的 孔、

4、 窗口、 型腔和安装定位面等需要 进行精密机械加工。航空航天领域 典型的复合材料和硬脆材料结构件 和零件如图 1 所示。这些结构件和 零件不仅对加工精度和加工质量要 求高， 而且对加工效率也有很高要 求。由于这些复合材料硬脆材料具 有硬度高、 脆性大和耐磨性好等特康仁科 大连理工大学教授、 博士生导师。 国际磨粒技术学会委员、 中国机械工 程学会生产工程分会委员、 磨粒加工 专业委员会副主任和切削加工专业委 员会委员、 中国刀协切削先进制造技 术研究会常务理事。主要研究方向为 超精密与特种加工技术、 难加工材料 高效加工技术、 计算机辅助设计与制 造。主持国家 “973 计划”和 “863 计

5、 划” 课题、 国家基金重点项目和其他科 研项目 20 多项。获国家技术发明一 等奖 1 项、 教育部技术发明一等奖和 科技进步一等奖各 1 项。* 国家 “973 计划” （ 2011CB013201） 、 国 家青年科学基金项目 （51105055）和博 士点基金 （20100481128） 资助。复合加工技术Complex Machining Technology2012 年第 16 期航空制造技术45寿命等方面必然存在一定缺点和局 限。于是， 利用多种形式能量的综合 作用的复合加工技术出现了。复合 加工技术可以根据加工材料特性以 及加工精度和效率的要求， 通过传统 加工和特种加工方法的

6、复合， 不同特 种加工方法的复合等多种形式组合 出各具特点的新的复合加工方法， 达 到优势互补， 成为机械加工技术的重 要发展方向之一。 超声加工作为 20 世纪初发展并 开始应用于工业领域的一种非常有 效的特种加工方法， 特别适合于加工 玻璃、 陶瓷、 石英、 金刚石、 硅等各种 硬脆材料， 并已得到了广泛应用。将 超声加工与传统的切削加工结合所 形成新的加工技术是一种典型的复 合加工技术， 多年来的研究和应用实 践表明， 这一复合加工技术既充分 发挥了机械加工和超声加工这两种 加工技术的优点， 又弥补了两种技术 的局限和不足， 因而具有一些突出优 点。超声辅助切削加工技术不仅可 以有效降低

7、切削力、 提高加工质量、 减小刀具磨损和提高加工效率， 而且 拓展了可加工材料和可加工零件的适用范围和应用领域。近年来， 国内 外研究人员针对难加工材料的超声 辅助切削加工开展了大量的研究， 一 些机床生产商还开发了超声辅助切 削加工机床。超声辅助切削加工技 术已成为难加工材料零部件加工中 主要先进加工技术之一， 具有重要的 应用价值和广阔的应用前景。 。 本文针对航空航天等领域中典 型难加工材料零件加工的技术需求 和应用背景， 结合作者和国内外学者 的研究成果， 介绍了几种超声辅助切 削加工技术的原理、 特点和应用效 果， 以及这一复合加工技术的一些新 的进展。超声辅助切削加工技术的 原理、

8、 系统与分类超声辅助切削加工是在传统切 削加工中工具与工件相对运动的基 础上， 在切削工具或工件上施加超声 振动， 以获得更好加工性能的加工方 法。超声辅助切削加工过程中， 通过 工具对被加工材料的机械和超声复 合作用， 使工具与被加工材料的接触 状态和作用机制发生变化， 主要通过机械切削作用、 高频微撞击作用以及 超声空化作用等进行材料去除。由 于超声振动的引入， 改变了材料去除 机理， 降低了工具与工件之间的摩擦 力， 减少了工具与工件的接触时间， 增强了工具对工件的切削去除作用， 从而有效地提高了材料去除率， 减小 切削力， 降低切削热， 减少刀具磨损， 改善加工精度和质量。 超声辅助切

9、削加工系统主要由 超声电源、 超声能量传输系统、 超声 换能器、 超声变幅杆、 工具或工件、 冷 却液供给单元等组成。在超声辅助 切削加工过程中， 超声电源通过超声 发生器将产生大于 15kHz 的高频电 信号， 并经过功率放大后输出功率超 声信号， 通过传输系统将功率超声信 号传输到超声换能器， 再经过超声换 能器将电信号转换成相应频率的机 械振动， 通过超声变幅杆将机械振动 的幅度增大， 并传递给工具或工件， 使其产生超声振动， 实现超声辅助切 削加工。根据超声辅助切削加工的 方式不同， 超声辅助切削加工技术的 分类如图 2 所示。 本文结合航空航天难加工材料飞机复合材料结构件铝基复材支架

10、复合材料舱段复合材料刹车盘陶瓷反射镜发动机陶瓷活塞激光陀螺玻璃腔体光学玻璃棱镜图1 典型的难加工材料零件FORUM论坛46航空制造技术2012 年第 16 期零件的加工， 介绍了超声辅助车削、 超声辅助钻孔、 超声辅助磨削和超声 辅助切割等几种先进加工技术。超声辅助车削技术超声辅助车削是在普通车削机 床运动基础上， 在车刀上施加超声振 动。超声振动方向主要有沿着工件 旋转方向切向的振动和沿着进给方 向的振动。图 3 为作者研制的一种 安装在普通卧式车床上的超声辅助 车削加工装置。采用聚晶金刚石 （PCD） 刀具普 通车削和超声辅助车削碳纤维复合 材料的加工表面形貌和刀具磨损对 比如图 4 和图

11、 5 所示。 与普通车削加工表面相比， 超 声辅助车削表面碳纤维和基体过渡 部位相对较光滑， 碳纤维复合材料 表面加工质量明显改善， 刀具磨损 量可减小约 30% 左右1-2。采用硬质合金刀具普通车削和超声辅助车 削 Ni718 和 C263 等高温合金并和普 通车削加工质量进行对比试验表明，超声辅助车削的加工表面粗糙度降 低 25%50%， 圆度提高 40%50%3。 超声辅助车削还可应用于铝基碳化 硅等金属基复合材料的加工， 和普 通车削加工相比表面粗糙度可降低 25% 左右， 切削力降低 1/31/24。超声辅助车削作为先进的复合加工技 术， 已在发动机轴、 叶轮胚体、 机匣和 活塞等航

12、空难加工材料零件加工领 域获得了重要应用。 二 维 的 超 声 椭 圆 振 动 车 削 （UEVC）是新发展起来的一种加工 方法。目前 UEVC 的驱动主要包括 两种方式： 一种是非共振方式， 目前 主要是基于平行配置压电叠堆和相 互垂直配置压电叠堆的直驱结构， 这 种椭圆振动需要两个激振源同时激振， 其工作原理和基于该原理研制的 加工装置如图 6 所示5。另一种是共振方式， 主要是利用变幅杆的两个 模态振动组合实现椭圆振动， 其工作 原理如图 7 所示。 研究表明， 这种方法不仅能够减 小切削力， 改善加工精度和表面质 量， 减少刀具磨损， 而且能实现脆性 材料延性切削， 既可以用于宏观加

13、工， 也可以进行微细结构加工。近几 年来这种加工方法受到国际学术界 和工程界的高度关注。此外， 名古屋 大学的社本教授等人还提出了三维 UEVC 的概念， 代表了 UEVC 的最新 进展6。图2 超声辅助切削加工分类超声辅助套料加工超声辅助铣削超声辅助砂带磨削超声辅助钻削超声辅助珩磨超声辅助车削超声辅助磨削超声辅助切割超声辅助切削超声辅助固结磨粒加工超声辅助切削加工图3 超声辅助车削加工装置（a） 普通车削 图5 刀具后刀面磨损（b） 超声辅助车削300m300mL=645mL=470m（a） 普通车削 （b） 超声车削图4 碳纤维复合材料车削表面形貌50m50m加工方向加工方向复合加工技术C

14、omplex Machining Technology2012 年第 16 期航空制造技术47超声辅助钻削技术超声辅助钻削技术是在传统钻 削机床的加工运动基础上， 在旋转的 钻削工具上施加超声振动， 实现超声 辅助钻削。图 8 所示为作者研制的 超声辅助钻削装置。超声辅助钻削较早应用于钛合 金、 高温合金和复合材料等难加工材 料的钻削加工。利用硬质合金钻头 超声辅助钻削和普通钻削镍基高温 合金材料的出口形貌和切屑形貌如 图 9 和图 10 所示。结果表明， 超声 辅助钻削的出口毛刺小且少， 切屑为断续切屑， 利于切屑的排出。与普通 钻削加工相比， 超声辅助钻削高温 合金的表面粗糙度可以降低 6

15、0%9。 利用 WC 硬质合金钻头超声辅助钻 削 Ti6Al4V 钛合金材料时， 切削力比 普通钻削降低 20% 左右10。目前，超声辅助钻削在航天器、 飞机机体和 发动机中难加工材料关键零部件的 定位孔、 连接孔、 冷却孔和深小孔的 加工中具有重要应用价值和应用前景， 特别在航空航天结构件的加工装 配中， 可用于钛合金蒙皮和复合材料 蒙皮与合金骨架之间装配连接孔加 工。复合材料 / 合金叠层结构的钻 孔加工， 可以减小钻削力， 延长刀具 寿命， 减小合金连续切屑对复合材料 的损伤， 改善钻孔质量。超声辅助磨削技术超声辅助磨削技术是采用电镀 或烧结法制备的固结超硬磨料 （金刚 石和立方氮化硼）

16、 磨削工具， 在磨削 工具或工件上施以超声振动的复合 加工方法。根据施加超声振动的方 式不同， 分为两种形式： 一种是在传 统磨床的基础上， 通过在工件上施加 超声振动， 实现超声辅助磨削加工。 图 11 所示为在一种在传统卧式平面 磨床上通过对工件上施加超声振动 进行加工的典型超声辅助磨削加工 装置11。另一种是利用数控机床或加工中心， 将超声振动施加于旋转的 磨削工具上实现超声辅助磨削加工， 也称为旋转超声加工 （RUM） 。图 12 所示为作者研制的采用超声振动旋 转工具的超声辅助磨削加工系统。 超声辅助磨削加工系统包括超声加 工电源、 超声功率传输装置、 超声振 动刀柄、 磨削工具和加工机床等， 该 系统中的超声振动刀柄内集成有超 声换能器和传输超声装置， 采用通用 刀柄 （如 HSK、 BT 和 SK 等刀柄系列） 结构与不同的数控机床或加工中心 的主轴连接， 可夹持杯型砂轮、 平行 砂轮、 空心磨头、 圆柱磨头、