微細(xì)超聲加工研究現(xiàn)狀

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

微結(jié)構(gòu)器件和微機(jī)電系統(tǒng)的制造是近年來微細(xì)制造領(lǐng)域的研究熱點，微機(jī)電產(chǎn)品正朝著微型化、精密化、智能化方向發(fā)展。隨著玻璃、工程陶瓷、硅晶體、石英晶體等硬脆性材料在微結(jié)構(gòu)器件和微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷拓寬,硬脆性材料的精密微細(xì)加工已經(jīng)成為微細(xì)加工的重要研究方向[1]。

在硬脆材料去除加工領(lǐng)域，機(jī)械加工利用工具對工件的作用力去除材料，工具磨損比較嚴(yán)重；電加工性能則受到工件材料導(dǎo)電性的限制；激光加工過程中產(chǎn)生的大量熱量易使工件表面形成裂紋與發(fā)生氧化；而超聲加工是非接觸加工，加工性能不依賴于材料的導(dǎo)電性，加工過程中產(chǎn)生的切削熱也很小，是玻璃、工程陶瓷、硅晶體、石英晶體等硬脆性材料最有效的加工方法[2-3]。微細(xì)超聲加工技術(shù)是超聲加工技術(shù)向高精度、微細(xì)化發(fā)展的重要方向，正越來越廣泛地應(yīng)用于精密微細(xì)制造領(lǐng)域，也將成為微型機(jī)械制造技術(shù)的有力補(bǔ)充[4]。

本文主要從微細(xì)超聲及其復(fù)合加工的材料去除機(jī)制、微細(xì)超聲孔加工、微細(xì)超聲成形加工以及微細(xì)超聲加工使能技術(shù)等方面，對近年來國內(nèi)外微細(xì)超聲材料去除加工的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和探討。

材料去除機(jī)制

1 超聲加工

超聲加工（Ultrasonic Machining，USM）是利用工具的超聲振動，在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中由磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕作用來去除材料的加工，或在工具或工件上沿一定方向施加超聲頻振動進(jìn)行加工，或利用超聲振動使工件相互結(jié)合的加工方法[5]。超聲加工一般有游離磨料超聲加工和固結(jié)磨料超聲加工兩種形式[6]。游離磨料超聲加工時，工具作高頻振動，帶動工具和工件間的磨料懸浮液沖擊工件表面，加工原理如圖1所示；固結(jié)磨料超聲加工時，燒結(jié)到工具表面的碳化硅或金剛石等磨料顆粒與工具端面的振幅和頻率相同，加工原理如圖2所示。

多年來，針對超聲加工的材料去除機(jī)理，眾多學(xué)者開展了相當(dāng)數(shù)量的基礎(chǔ)研究。Thoe等[7]將超聲加工材料去除機(jī)理概括為：（1）磨粒直接錘擊被加工工件表面的作用；（2）磨粒對被加工工件表面的微切削作用；（3）超聲空化作用；（4）工件與工作液之間的化學(xué)反應(yīng)作用。

2 微細(xì)超聲加工

1996年，東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所[5]利用電火花線切割加工工藝成功在線制作出微細(xì)工具，采用工件加振的超聲加工方式，在石英玻璃上加工出了深度32μm、直徑15μm的微細(xì)孔，這一成果標(biāo)志著超聲加工可以用于硬脆性材料的微細(xì)加工。

圖1 游離磨料超聲加工原理Fig.1 Illustration of ultrasonic machining of free abrasives

圖2 固結(jié)磨料超聲加工原理Fig.2 Illustration of ultrasonic machining with solidified abrasives

一般認(rèn)為，微細(xì)超聲加工（Micro Ultrasonic Machining，MUSM）的材料去除機(jī)制與超聲加工基本相同[8-9]。微細(xì)超聲加工是通過減小工具直徑、降低磨料粒度和減小超聲振幅來實現(xiàn)的[10]。與常規(guī)超聲加工相比，為避免工具振動和二次裝夾對加工精度的影響，微細(xì)超聲加工一般采用工件加振的振動方式及在線制備加工工具的方法，由于微細(xì)超聲加工振幅較小，一般僅幾μm，換能器自身的振幅即可達(dá)到加工要求，因而可取消變幅桿的制作和使用。微細(xì)超聲加工原理如圖3所示[11]。

圖3 微細(xì)超聲加工原理Fig.3 Illustration of micro ultrasonic machining

近年來，學(xué)者們對微細(xì)超聲加工的材料去除做了多方面的探索。Hu[12]通過試驗，研究和分析了微細(xì)超聲加工材料去除機(jī)理、可加工特征尺寸范圍、加工參數(shù)對加工效率和表面特征的影響，并提出了一種計算材料去除率（Material Removal Rate，MRR）的力學(xué)模型。朱永偉等[13]認(rèn)為，微細(xì)超聲加工時，工具頭作縱向超聲振動，工具與工件間有微小壓力接觸，加工區(qū)域懸浮液中的磨粒在工具帶動下以高速度、高加速度持續(xù)撞擊、拋磨工件表面,從而實現(xiàn)材料去除，而加工區(qū)域內(nèi)超聲振動引起的空化效應(yīng)在工件表面產(chǎn)生細(xì)微裂紋,懸浮液在液壓沖擊下“鉆入”工件表面微細(xì)裂紋處，加劇了工件表面材料的脫離剝落。Lee等[14]基于陶瓷的壓痕模型，研究了超聲加工中單顆粒沖擊下工件表面裂紋的形成擴(kuò)展及碎屑的最終形成，Zarepour[15-16]首次在微細(xì)超聲加工中提出單顆粒沖擊的方法，研究了不同振動振幅和不同顆粒尺寸下單顆粒子撞擊形成的凹坑的形貌，又從試驗的角度，基于工件和磨粒的特性，提出了一種預(yù)測模型，用于判斷脆性材料在微細(xì)超聲加工過程中受到單個尖銳磨粒沖擊時的材料去除模式是脆性去除還是塑性去除。宋家雯等[17]開展了大量的晶體硅表面微細(xì)超聲加工的試驗，發(fā)現(xiàn)單晶硅<100＞面表面微細(xì)超聲加工的脆塑性去除判別標(biāo)準(zhǔn)可以用粗糙度值Rpk來衡量，汪濤等[11]設(shè)計了不同磨粒濃度、不同磨粒半徑、不同設(shè)定力的系列試驗對該脆塑性去除判別標(biāo)準(zhǔn)是否具有廣泛適應(yīng)性進(jìn)行了驗證，在此基礎(chǔ)上，Li等[18]以Z-cut石英晶體樣品為試驗材料，通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，Rpk值小于350nm時微細(xì)超聲加工的材料表面光滑，去除模式為柔性去除。Agarwal[19]通過對玻璃超聲加工過程的分析、建模和試驗，認(rèn)為超聲加工材料去除主要是由于加工過程中工件表面產(chǎn)生微觀脆性斷裂，并基于斷裂力學(xué)建立了材料去除率表達(dá)式。工具損耗是微細(xì)超聲加工中一個比較突出的問題，Yu等[20-21]通過試驗建立了損耗率（即工具損耗除以材料去除總量）與超聲振幅、懸浮液濃度、工具轉(zhuǎn)速以及施加的加工載荷之間的關(guān)系，還提出了一種估算刀具磨損率的理論模型，以鎢和不銹鋼316L作為工具材料的試驗結(jié)果表明該理論模型可以用來預(yù)估微細(xì)超聲加工中的刀具磨損率。

在微細(xì)超聲加工的材料去除機(jī)制方面，國內(nèi)外許多學(xué)者從理論建模的角度或試驗觀測的角度，對微細(xì)超聲加工材料去除的機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，研究重點主要集中在基于力的分析、仿真和計算，根據(jù)加工過程中工具和工件之間存在的微小接觸壓力，基于力學(xué)理論，提出材料的去除模式或材料的去除率模型，然而，微細(xì)超聲加工過程中的加工力很小，單顆磨粒的加工力就更小，實際加工中檢測難度很大。

3 微細(xì)超聲復(fù)合加工

微細(xì)超聲復(fù)合加工是微細(xì)超聲加工與其他方式加工同時在加工部位上對工件進(jìn)行加工的工藝方法。隨著微細(xì)超聲加工技術(shù)的不斷發(fā)展，微細(xì)超聲復(fù)合電火花加工、微細(xì)超聲復(fù)合電解加工、微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲加工等技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和運用。

學(xué)者們在超聲振動對微細(xì)電火花放電狀態(tài)、加工效率、加工精度、材料去除率、電極磨損、表面粗糙度等的影響等方面開展了研究。Yeo[22]將超聲振動引入微細(xì)電火花加工過程，發(fā)現(xiàn)該方法加工時可以產(chǎn)生的深寬比超過當(dāng)時的各種微孔加工方法得到的深寬比。于濱等[23]通過理論分析與大量試驗證明，超聲振動可以大幅提高微小異形孔加工效率及加工精度。蔣凱等[24]研究了采用激波壓力擾動輔助電火花加工方法加工高深寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)。Jia等[25]采用倒置式電火花超聲復(fù)合加工方法加工出了大深徑比深微孔，還研究了將微細(xì)超聲、微細(xì)電火花、微細(xì)電解加工組合在同一系統(tǒng)中的微細(xì)特種加工組合技術(shù)，試驗表明，該組合擴(kuò)大了微細(xì)特種加工的范圍，提高了加工效率。王丹等[8]的試驗表明，超聲振動改善了微細(xì)電火花加工過程的放電狀態(tài)，可以提高材料去除率并減小工具電極相對損耗率（Relative Tool Wear Ratio，RTWR），提高加工精度。Ichikawa等[26]研究了在微細(xì)電火花加工工作液中施加超聲振動，試驗結(jié)果表明，超聲振動有助于工作液的循環(huán)和清除間隙區(qū)的碎片，工作液振動引起的攪拌效應(yīng)甚至?xí)归g隙區(qū)內(nèi)的碎片和碳顆粒分散，從而減少短路和異常放電，最終提高加工速度。Lin等[27]開發(fā)了超聲振動輔助磁場力電火花復(fù)合加工工藝，通過試驗探討了該復(fù)合工藝的主要加工參數(shù)對材料去除率（MRR）、電極的磨損率（EWR）、表面粗糙度（SR）和加工SKD61模具鋼的表面形貌的影響。汪衍濤等[28]利用電火花-超聲復(fù)合加工方法制備出的直徑小于1μm的鎳微球的比例大幅提高。

近十幾年來，隨著硬脆材料在航空航天、精密電子、精密醫(yī)療器械等行業(yè)的應(yīng)用迅速發(fā)展，硬脆材料的切割技術(shù)發(fā)展迅速，超聲線切割因其切割對象廣、切割力小、切割質(zhì)量優(yōu)異等特點得到了廣泛而快速地發(fā)展，研究者們分別從超聲振動施加在電極絲、工作液、工件等幾個方面展開了大量的理論和試驗研究。

Guo等[29]較早開展超聲線切割復(fù)合加工技術(shù)的試驗研究，其研究結(jié)果表明，施加在電極絲上的超聲振動對加工間隙的狀態(tài)、切割穩(wěn)定性、脈沖的利用率、減少斷絲的發(fā)生、工件表面質(zhì)量等均有所改善。張樹彩等[30]對超聲振動施加在電極絲上的低速走絲電火花線切割加工進(jìn)行了研究，分析了電極絲的運動形態(tài)，建立了電極絲受迫振動的數(shù)學(xué)模型，探索了超聲振動對電火花線切割加工影響的機(jī)理。Mohammadi等[31]將超聲振動施加在電極絲上，研究功率、脈沖關(guān)斷時間、主軸轉(zhuǎn)速、超聲振動這4種設(shè)計因素對材料去除率的影響，試驗結(jié)果表明，超聲振動和功率是影響材料去除率最重要的參數(shù)。Nani等[32]為線切割電極絲配備了產(chǎn)生超聲波激勵的裝置，其試驗結(jié)果表明，施加在電極絲上的超聲振動能提高尺寸精度、減小工件形狀誤差和表面粗糙度。黃瑞寧等[33]將超聲振動施加在工件上，由超聲振動調(diào)制脈沖電源放電，探索超聲振動對加工效率、穩(wěn)定性和表面質(zhì)量的影響。王璟等[34]實施了在工件上施加超聲振動的電火花線切割復(fù)合加工試驗，發(fā)現(xiàn)加工效率提高約15%，表面粗糙度減小約10%，切割出來的TC4鈦合金工件表面的小凹坑更加均勻規(guī)則且邊緣光滑。Hoang等[35]研究了將振動分別施加到工件和電極絲上的效果對比，試驗結(jié)果表明，當(dāng)振動施加到工件上時，加工效率可以比不施加振動提高2.5倍，比在電極絲上施加振動的效率提高1.5倍。張遼遠(yuǎn)課題組[36-38]對基于超聲振動的電鍍金剛石線鋸鋸切工藝進(jìn)行了深入研究，并通過正交試驗對鋸切工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)鋸切材料去除率在加入超聲振動后可達(dá)25mm/min以上，加工零件的表面粗糙度可達(dá)Ra=0.7～0.8μm，與不施加超聲振動相比，材料去除率提高了1.5～3.5倍。

胡建華等[39]開展了超聲輔助光刻電解加工的試驗，發(fā)現(xiàn)超聲振動能明顯改善電極間工作液的循環(huán)狀況，若合理選擇極間距離、電參數(shù)和聲場參數(shù)等工藝條件，材料蝕除速率可達(dá)到30μm/min，加工出的孔壁表面光滑，微細(xì)群孔尺寸直徑可達(dá)300μm，且尺寸一致性較好。朱永偉等[40]對微細(xì)超聲復(fù)合電解加工微結(jié)構(gòu)的機(jī)理、超聲頻振動沖擊及負(fù)壓空化作用消除電解鈍化作用的機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為微細(xì)超聲復(fù)合電解加工的材料去除主要是離子溶解，微量超聲加工效應(yīng)輔助及時去除電解產(chǎn)物，加工區(qū)磨粒的存在可有效降低電解加工過程中短路的發(fā)生。Skoczypiec[41]基于流體動力學(xué)方法，建立了描述電解質(zhì)沿間隙流動的方程，使在加工區(qū)內(nèi)獲得壓力、速度和空化強(qiáng)度分布具有可能性。王藝鋼等[42]通過試驗發(fā)現(xiàn)，微細(xì)電解加工在加入超聲輔助電解液擾動后，加工效率和加工出的微細(xì)圓柱電極質(zhì)量明顯提高。王蕾等[43]通過試驗還發(fā)現(xiàn)，微細(xì)電解加工在加入超聲輔助電解液擾動后，其定域蝕除能力、加工穩(wěn)定性、加工精度及工件表面質(zhì)量均得到了改善。

旋轉(zhuǎn)超聲加工是近些年來研究的熱點之一。旋轉(zhuǎn)超聲加工中，固結(jié)磨料（金剛石、CBN等）的刀具在高速旋轉(zhuǎn)的同時，又沿著刀具軸線方向做超聲頻率（20～40kHz）的微小振動，刀具以恒力或恒速方式向工件進(jìn)給實現(xiàn)材料去除。目前旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床可以實現(xiàn)3種具體加工形式，分別是鉆孔加工、端面銑削加工和側(cè)面銑削加工，前兩者中，刀具端面的磨粒主導(dǎo)或參與材料的去除，此時旋轉(zhuǎn)超聲加工可以看作復(fù)合了超聲加工和普通磨削（Conventional Grinding，CG）的材料去除機(jī)理，而在側(cè)面銑削加工中，只有刀具的側(cè)面磨粒參與材料去除，這種加工形式與軸向超聲振動輔助磨削加工（Ultrasonic Vibration Assisted Grinding，UVSG）相同，從材料去除機(jī)理上更適合歸類于超聲振動輔助磨削加工[44]。

一段時間內(nèi)，學(xué)者們認(rèn)為旋轉(zhuǎn)超聲加工硬脆材料時僅存在脆性斷裂去除，去除過程為[45]工具的超聲頻振動沖擊使得硬脆性材料表面產(chǎn)生大量的微觀和宏觀裂紋，當(dāng)這些裂紋擴(kuò)展至一定深度時就發(fā)生材料的破碎和去除?；诖嘈詳嗔讶コ牟牧先コＰ陀蒔rahbakar[46]首次建立。此后，Pei等[47]建立了基于Hertz理論的旋轉(zhuǎn)超聲加工脆性斷裂去除材料的去除率模型，Zhang[48]提出基于壓痕斷裂力學(xué)（Indentation Fracture Mechanics，IMF）的材料去除模型。Hu等[49]提出了一種計算方法，用來計算旋轉(zhuǎn)超聲加工陶瓷材料的去除率模型。然而，Pei等[50-51]在大量試驗后發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)超聲加工中不僅只存在材料的脆性斷裂去除，還存在塑性去除，并首次提出基于塑性去除的旋轉(zhuǎn)超聲加工材料去除模型，基于此，林濱等[52]通過研究陶瓷材料延性域去除的臨界條件發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)陶瓷材料的無損傷加工，應(yīng)確保加工應(yīng)力σ不得超過臨界應(yīng)力σcr。目前材料去除模式中計算切入深度的方法主要基于材料力學(xué)、IMF或Griffith能量守恒原理等理論，在計算時假設(shè)工件受到靜壓力或緩慢加載壓力，而實際加工時，工具以超聲頻率振動，磨粒和工件的接觸力是不斷變化的，因而上述假設(shè)并不成立，故加工過程中磨粒切入深度的計算，目前還沒有比較準(zhǔn)確可靠的方法，關(guān)于旋轉(zhuǎn)超聲加工的材料去除模式仍有待進(jìn)一步研究。除了對材料去除模型進(jìn)行研究外，軸向力也是很多學(xué)者研究旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)理的重要切入點。Li[53]通過試驗發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)超聲加工聚晶金剛石（PCD）工件過程中軸向力很大。Qin等[54]建立了基于工具的恒速進(jìn)給塑性去除模式下的加工力模型。Churi[55]設(shè)計了系列工藝試驗對鈦合金和陶瓷進(jìn)行加工，分析了不同工藝參數(shù)對加工力的影響。張承龍等[56]建立了旋轉(zhuǎn)超聲恒進(jìn)給率鉆削的切削力數(shù)學(xué)預(yù)測模型，Liu等[57]提出了基于脆性斷裂去除的旋轉(zhuǎn)超聲切削力數(shù)學(xué)模型。雖然目前對旋轉(zhuǎn)超聲加工中的軸向力也進(jìn)行了大量的理論和試驗研究，但是對軸向力的大小和成分及微細(xì)尺度加工中的軸向力研究較少，軸向力模型中材料去除模式的假設(shè)、加工力模型中磨粒的假設(shè)等過于理想，這些對軸向力的計算也造成一定的誤差。

微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲加工是旋轉(zhuǎn)超聲加工在微細(xì)尺度上的應(yīng)用。Sarwade[58]通過試驗研究了主軸轉(zhuǎn)速、磨料粒度、振幅等工藝參數(shù)對微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲加工性能的影響，初步的試驗結(jié)果顯示，超聲振動、工具旋轉(zhuǎn)能提高微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲加工的材料去除率。高飛等[59]對微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲加工碳化硅（SiC）陶瓷過程中軸向力的頻譜進(jìn)行了分析，研究了主軸轉(zhuǎn)速、超聲振動能量、進(jìn)給速率等參數(shù)對軸向力的影響，給出了優(yōu)化參數(shù)。Jain[60]對微細(xì)旋轉(zhuǎn)超聲加工過程中刀具磨損的影響因素進(jìn)行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)超聲振幅、振動頻率和主軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)對刀具磨損均有影響，其中振動頻率影響最大。

加工方法

1 微細(xì)超聲孔加工

隨著航空航天、精密電子、精密醫(yī)療器械的發(fā)展，越來越多帶有微細(xì)深孔的零部件得到廣泛應(yīng)用。微細(xì)深孔的加工是孔加工中最為困難的工藝之一，傳統(tǒng)微細(xì)孔加工技術(shù)在不斷發(fā)展，一些新的微細(xì)孔加工方法也陸續(xù)涌現(xiàn)出來[61]。表1從微細(xì)孔的尺寸、深徑比、微細(xì)孔類型、材料等方面對近20年來微細(xì)超聲及其復(fù)合加工微細(xì)孔的主要研究進(jìn)行了梳理和對比。

1996年增澤隆久等利用電火花線切割加工工藝成功在線制作出微細(xì)工具，在硅和玻璃上采用工件加振的超聲加工方式，加工出了深度為32μm、直徑15μm的微細(xì)孔。自此開始，國內(nèi)外學(xué)者開始了微細(xì)超聲加工微細(xì)孔的多方面研究[5]。韓國在微細(xì)超聲電解復(fù)合加工孔方面也做了探索和研究，在304不銹鋼上加工出了直徑<80μm的微孔[69]。德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)采用微細(xì)電火花復(fù)合加工技術(shù)在金屬上加工出的微孔直徑<90μm，深徑比＞40，是目前所見報道中深徑比最高的[73]。日本東北大學(xué)基于微細(xì)超聲電火花復(fù)合加工技術(shù)，加工出的微孔直徑達(dá)到10μm，深徑比＞20，代表了目前微孔加工的較高水平[74]。根據(jù)現(xiàn)有報道，目前，國外微細(xì)超聲加工出的微孔尺寸最小直徑在5μm[61]。

南京航空航天大學(xué)是國內(nèi)較早開展微細(xì)超聲及其復(fù)合加工技術(shù)加工孔研究的院校。近年來，各高校和研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展各種微細(xì)超聲及其復(fù)合加工技術(shù)的研究，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)[8]、大連理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校研究成果較為突出。哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于超聲波、微細(xì)電火花、磨料復(fù)合加工技術(shù)解決了傳統(tǒng)電火花加工微小孔生產(chǎn)率和表面質(zhì)量不能兼顧的矛盾[76]，利用倒置式電火花-超聲復(fù)合工藝加工出了深徑比最優(yōu)可到25的微細(xì)孔[70]，達(dá)到國際先進(jìn)水平，并對微細(xì)超聲復(fù)合電火花加工微細(xì)陣列軸、陣列孔進(jìn)行了大量深入的研究。上海交通大學(xué)對微細(xì)超聲及其復(fù)合加工技術(shù)開展了理論和試驗研究，尤其對硬脆非金屬材料的微細(xì)超聲復(fù)合電火花微孔加工進(jìn)行了深入的研究[8]。大連理工大學(xué)采用微細(xì)超聲電火花加工技術(shù)對多種材料、多種形狀（圓形、方形、十字形、陣列等）的微孔進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)和試驗研究，獲得了可喜的研究成果[71]。南京航空航天大學(xué)對微細(xì)超聲加工、微細(xì)超聲復(fù)合電火花加工、微細(xì)超聲復(fù)合電解加工開展了多方面的研究，在微細(xì)超聲復(fù)合電火花加工深小孔、微細(xì)超聲復(fù)合電解加工群孔、微細(xì)超聲加工硬脆材料方面取得了一定的成果[39，62，67]。其他高校、研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過多年潛心研究，也均有相應(yīng)的研究成果。

表1 微細(xì)超聲孔加工的發(fā)展

從表1還可以看出，目前，國內(nèi)微細(xì)超聲及其復(fù)合加工孔所研究的材料主要有硅、玻璃、陶瓷、不銹鋼等材料，對于像藍(lán)寶石、氧化鋯、金剛石等硬度較高的硬脆材料，孔加工研究報道較少。

2 微細(xì)超聲成形加工

隨著微機(jī)電系統(tǒng)尺寸不斷減小，微結(jié)構(gòu)在機(jī)械電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等許多工業(yè)領(lǐng)域都顯示出重要的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景，在國防領(lǐng)域的作用尤為重要。微結(jié)構(gòu)的成形加工有多種方式，微細(xì)超聲成形加工是近年來的研究熱點之一。表2從微結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)、微結(jié)構(gòu)類型、材料等方面對近20年來微細(xì)超聲及其復(fù)合加工微結(jié)構(gòu)的主要研究情況進(jìn)行了梳理和對比。

1996年Sun等[77]利用分層加工的方法，在300μm厚的硅<100＞表面成功加工出了一個中心微孔直徑為80μm,空氣通道寬100μm，深200μm微細(xì)空氣渦輪，自此，國內(nèi)外學(xué)者對采用微細(xì)超聲及其復(fù)合加工技術(shù)加工微結(jié)構(gòu)開展了多方面的研究。

2004年Yu等[20]采用分層加工、往復(fù)掃描、工具軌跡重合、工具損耗補(bǔ)償?shù)燃庸げ呗?，利用自行研制的微?xì)超聲加工試驗系統(tǒng)，在硅材料上加工出微三維型腔，尺寸為221.75μm×221.75μm×55μm，內(nèi)有1/8球瓣（半徑50μm）。2005年,德國不來梅大學(xué)采用軌跡控制分層掃描的方式加工出了螺線槽結(jié)構(gòu)的零件，充分證實了采用微細(xì)超聲加工方法可加工出復(fù)雜微三維結(jié)構(gòu)[78]。2006年，美國密西根大學(xué)的Li等[79]利用微細(xì)超聲組合加工的技術(shù)，在陶瓷基片上加工出三維圖案。

國內(nèi)微細(xì)超聲加工微結(jié)構(gòu)方面，南京航空航天大學(xué)云乃彰教授課題組[4]較早開展了單晶硅、壓電陶瓷、硬質(zhì)合金等硬脆材料的微小三維階梯結(jié)構(gòu)、微小軸、微細(xì)十字筋的探索研究和加工試驗，在這些研究的基礎(chǔ)上，又利用微細(xì)槽和微細(xì)十字筋兩種微細(xì)工具頭探索了微細(xì)超聲加工其他微結(jié)構(gòu)的可行性。此外，還采用微細(xì)超聲復(fù)合電解加工技術(shù)，開展了多種材料、多種形狀微結(jié)構(gòu)微細(xì)超聲復(fù)合加工的試驗。上海交通大學(xué)采用微細(xì)超聲加工工藝，對典型并有廣泛應(yīng)用前景的硬脆非金屬材料開展了研究，在微晶云母陶瓷上加工出了喉部直徑為170μm的微細(xì)拉瓦爾噴管[8]。張勤儉等[81]研究了采用微細(xì)超聲加工工藝加工金剛石微絲拉拔模具，加工后的模具孔徑誤差為0.42μm，形狀誤差0.18μm，完全達(dá)到了日本和德國的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

表2 微細(xì)超聲加工微結(jié)構(gòu)的發(fā)展

從目前的研究來看，由于復(fù)雜形狀的微細(xì)加工工具制備困難，微細(xì)超聲加工微結(jié)構(gòu)在微結(jié)構(gòu)的尺寸、性能參數(shù)、形狀等方面均有很大的研究空間。微細(xì)超聲復(fù)合加工的方法可以有效改善和提高加工出的微器件的表面質(zhì)量、加工精度及加工速度。從表2可以看出，微細(xì)超聲及其復(fù)合加工目前主要還只能涉及微米級的精度、結(jié)構(gòu)和形貌，這是由現(xiàn)有的微細(xì)超聲加工技術(shù)所能達(dá)到的加工能力和工業(yè)生產(chǎn)需求決定的，但是，從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來看，微細(xì)超聲及其復(fù)合加工技術(shù)必將向納米尺度領(lǐng)域發(fā)展。微細(xì)超聲加工技術(shù)只是微細(xì)加工技術(shù)群的一個組成部分，需要與其他加工方法相輔相承，未來能承擔(dān)更多的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工任務(wù)。

使能技術(shù)

超聲加工技術(shù)基礎(chǔ)要素包括超聲裝置、超聲激勵、超聲工藝條件等，這些要素的適應(yīng)性決定了超聲加工應(yīng)用的可能性[82]，下面對這些超聲加工要素的研究進(jìn)展做綜述。

機(jī)床是微細(xì)超聲加工的重要裝置。在超聲加工機(jī)床研究方面，張其馨等[83]在研究旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔技術(shù)的基礎(chǔ)上，自制便攜式旋轉(zhuǎn)超聲鉆孔設(shè)備，可對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行加工。王振龍等[64]自行研制出四軸聯(lián)動微細(xì)超聲電火花加工機(jī)床。德國DMG公司在第八屆中國國際機(jī)床展覽會上展出的DMS35Ultrasonic超聲振動加工機(jī)床可加工直徑小于0.3mm精密小孔，加工表面粗糙度Ra<0.2μm。華僑大學(xué)鄭書友[84]在解決了旋轉(zhuǎn)超聲用電源、振動系統(tǒng)和加工工具等設(shè)計方面的關(guān)鍵技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，研制了一臺旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床。房長興等[85]研制的倒置式微細(xì)電火花超聲復(fù)合加工裝置，X、Y坐標(biāo)的行程可達(dá)200mm，分辨率達(dá)0.2μm；Z坐標(biāo)的行程可達(dá)200mm，分辨率達(dá)0.1μm。安成明等[71]開發(fā)了一套立式微細(xì)超聲加工裝置，該裝置兼有微細(xì)電火花加工功能，可用于微細(xì)圓孔、方孔、陣列孔的加工。唐勇軍等[86]研制出的第3代數(shù)控旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床可實現(xiàn)3種振動模式，即工具頭縱向振動、工作臺縱向振動及二者同時振動。徐超亮等[87]自主研發(fā)出能實現(xiàn)四軸聯(lián)動的旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床，其機(jī)電控制系統(tǒng)以ACR9000控制器為核心，以Cylone為驅(qū)動器，通過PID調(diào)節(jié)參數(shù)來實現(xiàn)機(jī)床整體的平穩(wěn)運行。王晶東等[88]研制出的超聲振動輔助高速鉆削機(jī)床，結(jié)合了超聲振動鉆削和高速鉆削二者的優(yōu)點。在超聲加工機(jī)床主軸進(jìn)給控制方面，張云電等[89]設(shè)計了數(shù)控恒力進(jìn)給系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于光學(xué)玻璃細(xì)長孔的超聲加工中。丁瑞翔等[90]基于力電類比法研究了串聯(lián)諧振狀態(tài)下超聲振動系統(tǒng)等效阻抗與工具端面負(fù)載的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于等效阻抗的超聲加工自動進(jìn)給系統(tǒng)。微細(xì)超聲工作臺是微細(xì)超聲及其復(fù)合加工機(jī)床的關(guān)鍵零部件，其微振幅很難測量，連海山等[91]提出了一種基于恒力控制的微振幅測量方法，能測量出0.1μm的微振幅。

近年來，國外產(chǎn)品化旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床見表3[92]。

超聲激勵系統(tǒng)是超聲加工裝置的核心，主要包括超聲波發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿等。超聲波發(fā)生器是給換能器提供電能的裝置。清華大學(xué)戴向國[93]等研制出適合旋轉(zhuǎn)超聲加工用的超聲波發(fā)生器，該超聲波發(fā)生器具有粗精頻率跟蹤功能。趙磊等[94]研制的大功率超聲電源，控制系統(tǒng)以TMS320F2812為核心，可以自動跟蹤頻率、控制振幅恒定。袁秋玲等[95]基于換能器負(fù)載特性的分析，設(shè)計研發(fā)了智能化超聲恒流激勵電源。超聲換能器主要作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動的機(jī)械能。De Angelis[96]通過理論和試驗研究了壓電陶瓷換能器預(yù)應(yīng)力螺栓設(shè)計的多個方面，保證壓電陶瓷晶堆在工作過程中始終處于壓縮狀態(tài)，延長換能器的壽命。王天圣等[97]對壓電超聲換能器電負(fù)載調(diào)頻特性開展了研究，發(fā)現(xiàn)可以采用調(diào)節(jié)電負(fù)載的方式使換能器維持諧振頻率恒定狀態(tài)，以獲得更好的工作性能。顧煜炯等[98]基于變截面細(xì)桿縱向振動的有限元分析，開發(fā)出用于功率超聲振動系統(tǒng)固有特性分析的有限元仿真軟件包。

表3 國外產(chǎn)品化旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床

微細(xì)超聲加工的超聲振幅、超聲頻率、磨料類型、磨料粒度、懸浮液濃度、基液種類、進(jìn)給方式、進(jìn)給速度、工具材料等工藝參數(shù)對材料去除率、加工精度、表面粗糙度、工具損耗率等有重要的影響。Yan等[65]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)超聲振幅、工具轉(zhuǎn)速對加工出孔的錐度和圓度有影響，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲振幅選取較大時，會直接導(dǎo)致微細(xì)工具彎曲，從而加工出不規(guī)則圓孔。Hu等[99]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，磨料粒度對加工速度和刀具磨損率有顯著影響。安成明等[71]研究了微細(xì)超聲波加工中磨粒尺寸對加工出孔的精度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著磨粒尺寸的增大，加工間隙也逐漸增大。關(guān)于微細(xì)超聲加工進(jìn)給方式，目前主流的有恒力進(jìn)給和恒速進(jìn)給兩種。秦少明等[100]采用積分分離PID控制算法來實現(xiàn)微細(xì)加工過程中微小加工力的恒定控制，取得了一定的效果，能較好地控制加工力的波動范圍。但是，當(dāng)微細(xì)超聲加工工具很細(xì)時，許用壓力很小，要求壓力檢測裝置的靈敏度很高，一般情況下很難達(dá)到，Wang等[101]研究了恒速進(jìn)給的微細(xì)超聲加工系統(tǒng)，并以該進(jìn)給方式進(jìn)行了微孔加工，取得了不錯的效果，而丁瑞翔等[90]提出了基于等效阻抗的進(jìn)給控制策略，根據(jù)系統(tǒng)等效阻抗與設(shè)定阻抗閾值的比較結(jié)果來控制進(jìn)給。

根據(jù)現(xiàn)有資料，目前國內(nèi)有一批學(xué)者對超聲加工裝置開展了多方面的研究，主要涉及超聲復(fù)合加工機(jī)床的研制、進(jìn)給系統(tǒng)自動化、超聲波發(fā)生器的智能化、超聲振動系統(tǒng)等方面，但仍有不少關(guān)鍵技術(shù)問題尚未解決，研制出的機(jī)床產(chǎn)品多數(shù)為原理樣機(jī)。就超聲加工機(jī)床的總體研制水平來看，國內(nèi)超聲加工機(jī)床研制工作尚處于初步探索階段，專門用于微細(xì)超聲及其復(fù)合加工的機(jī)床的相關(guān)研究更少，距離產(chǎn)業(yè)化還有較大的差距。超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)的工作效率。電聲效率、機(jī)械品質(zhì)因素、頻率特性、阻抗特性、機(jī)電耦合系數(shù)等參數(shù)是衡量超聲換能器的重要參數(shù)，不同用途的換能器對性能參數(shù)的要求也不同，目前，常規(guī)換能器的理論和試驗研究開展較多，而適于微細(xì)超聲專用的換能器的研究和產(chǎn)品都不多。

結(jié)論

以上介紹了近年來國內(nèi)外微細(xì)超聲材料去除加工的研究現(xiàn)狀，分別從材料去除機(jī)制、微細(xì)孔的加工、微結(jié)構(gòu)的加工、微細(xì)超聲加工使能技術(shù)研究等方面進(jìn)行了綜述。

在微細(xì)超聲加工的材料去除機(jī)制方面，研究者們做了大量的工作，提出了針對微細(xì)超聲加工的材料去除模型、材料去除模式等，有些能用于定性分析微細(xì)超聲加工材料去除機(jī)制，有些能定量計算微細(xì)超聲加工材料去除，但對實際加工條件、加工參數(shù)的選取如何影響材料的去除、加工中判斷加工狀態(tài)的其他參數(shù)的選取等仍需做進(jìn)一步的研究。

在微細(xì)超聲復(fù)合加工技術(shù)方面，微細(xì)超聲電火花復(fù)合加工目前主要側(cè)重于試驗研究，而基礎(chǔ)理論研究相對較少。超聲線切割對硬脆材料切割有著特有的優(yōu)勢，隨著硬脆材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，超聲線切割有著廣闊的應(yīng)用前景。微細(xì)超聲電解加工在理論研究和試驗研究方面均有一定的進(jìn)展，加入超聲振動之后的微細(xì)電解加工，電極間工作液的循環(huán)情況、工件表面質(zhì)量得到了改善，材料的蝕除率、加工精度、生產(chǎn)率等得到了提高，但是對微細(xì)超聲電解加工的工藝研究仍處于探索階段，在理論與應(yīng)用方面尚有許多問題有待研究。

在使用微細(xì)超聲及其復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行加工方面，國內(nèi)在加工極限尺寸方面基本達(dá)到國際水平，但是在產(chǎn)業(yè)化方面與國外相比仍有較大的差距。微細(xì)超聲加工在微細(xì)孔、微結(jié)構(gòu)的加工方面有很強(qiáng)的實用性，微細(xì)超聲復(fù)合加工可以在一定程度上改善和提高加工微細(xì)孔、微器件的精度、表面質(zhì)量及加工速度,對完善微細(xì)結(jié)構(gòu)加工工藝和微器件制作方法具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值，但仍存在加工效率低、深徑比有限等問題，表面質(zhì)量、孔的精度和錐度、微結(jié)構(gòu)的尺寸精度、形狀精度等也是微細(xì)超聲加工及其復(fù)合加工工藝優(yōu)化的重點。

在微細(xì)超聲加工使能技術(shù)的研究方面，國內(nèi)微細(xì)超聲加工設(shè)備研究仍以設(shè)備的改造和組裝為主，設(shè)備研制需要加大投入，才能加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，提高競爭力。微細(xì)孔、微結(jié)構(gòu)等需求的日漸增長推動了微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，研究人員需加大微細(xì)超聲加工振動系統(tǒng)、微細(xì)超聲加工設(shè)備的控制系統(tǒng)、微細(xì)超聲加工用超聲波發(fā)生器、微細(xì)超聲加工用換能器、微細(xì)超聲復(fù)合加工工藝等的關(guān)鍵技術(shù)的研究力度和深度。

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