袁中行，方 斌，李德芃

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250353）

超聲振動輔助銑削（ultrasonic vibration assisted milling，UVAM）是在銑削加工中對刀具或工件施加超聲振動，控制其振動頻率、振動幅度和振動方向，使銑刀和工件產(chǎn)生周期性的高頻分離的加工方式，可有效改善材料的加工性能、提高工件的加工質(zhì)量。與傳統(tǒng)銑削 （conventional milling，CM）相比，UVAM具有降低切削力和切削溫度、減少刀具磨損、利于斷屑及提高表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。UVAM的振動方式、振動頻率、振幅等參數(shù)對加工過程中的切削力、切削溫度、表面質(zhì)量有明顯的影響。UVAM在鎳基合金等高塑性難加工材料、薄壁零件的加工等方面具有明顯優(yōu)勢,目前憑借其顯著的加工性能，正逐步被引入到微銑削加工領(lǐng)域中，這也是未來微銑削的發(fā)展趨勢。

1 超聲振動輔助銑削的分類

UVAM屬于振動切削的一種，隈部淳一郎[1]最早對振動切削進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，認(rèn)為在加工過程中刀具與工件會產(chǎn)生無規(guī)律的彈性振動，若將高頻率且有規(guī)律的正弦波振動施加到加工系統(tǒng)上，能夠緩解彈性振動，有利于改善加工過程。對于簡單的一維振動切削，刀具與工件的接觸過程如圖1所示，在刀具系統(tǒng)上施加超聲振動，使刀具產(chǎn)生簡諧振動，在A點(diǎn)時刀具開始與工件接觸；在A-C區(qū)間內(nèi)，刀具對工件進(jìn)行切削；在C點(diǎn)時，刀具與工件運(yùn)動方向一致且二者速度相等，刀-件即將分離，之后刀具速度將大于工件速度，刀-件分離；當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)D點(diǎn)時，刀具與工件又重新接觸，在D-F區(qū)間進(jìn)行切削，形成周期性的切削和刀-件分離加工過程，實現(xiàn)振動切削。

圖1 振動切削原理[1]

目前，超聲振動切削已經(jīng)應(yīng)用到車削、鉆削、銑削等多種加工方式上。銑削是一種多刃交替參與切削的加工方式，施加振動后的加工效果更加明顯，因此UVAM也被廣泛研究和應(yīng)用[2-3]。由于振動方向和維度改變，UVAM運(yùn)動更加復(fù)雜，但依然具有分離特性、沖擊特性、變速特性和往復(fù)熨壓特性[4]四種振動切削運(yùn)動特性。其中，分離特性必須選擇合適的切削參數(shù)和振動參數(shù)才能確定。Shen等[5-6]通過推導(dǎo)雙刃銑刀的刀尖運(yùn)動軌跡方程，模擬出振動前后的刀尖運(yùn)動軌跡（圖2），發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)給方向的λ（振動頻率與主軸回轉(zhuǎn)頻率之比）為奇數(shù)且A>fz/2時，振動前后兩個刀尖軌跡相交，即刀-件發(fā)生分離。

圖2 傳統(tǒng)銑削與UVAM的刀尖運(yùn)動軌跡[5]

UVAM按照施加振動的維度可分為一維UVAM、二維UVAM和三維UVAM。其中，一維UVAM是在X、Y、Z方向中的其中一個方向上施加超聲振動，主要包括軸向UVAM、進(jìn)給方向UVAM和垂直進(jìn)給方向UVAM三種（圖3）。

圖3 一維UVAM

二維UVAM的振動方向和振動軌跡在一個平面內(nèi)。二維UVAM可以是兩條直線振動的復(fù)合振動，也可以是軌跡為平面內(nèi)的曲線振動，主要包括扭轉(zhuǎn)UVAM和橢圓UVAM兩種（圖4）。

圖4 二維UVAM

三維UVAM是在三維空間各個方向上都存在振動的銑削加工，可以是三個方向上的振動復(fù)合銑削加工，也可以是某個單方向振動與一個平面曲線振動復(fù)合的銑削加工。現(xiàn)在研究最多的是軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動共同施加到刀具上的一種復(fù)合振動銑削，即縱扭復(fù)合UVAM（圖5）。

圖5 三維UVAM

不同振動方式的UVAM，其適用的加工范圍也不同，目前一維UVAM應(yīng)用范圍最廣。軸向UVAM會產(chǎn)生較大的軸向沖擊，不適于加工硬脆的材料；采用一維UVAM和二維UVAM加工薄壁零件易造成工件變形、降低零件加工精度，而縱扭復(fù)合UVAM相比于一維UVAM和二維扭轉(zhuǎn)UVAM，可有效減小切削阻力并抑制加工過程中產(chǎn)生的顫振，在加工過程中具有更高的穩(wěn)定性，因此在薄壁零件的加工中更具優(yōu)勢[7-11]。

當(dāng)前有關(guān)一維UVAM和二維UVAM加工機(jī)理的研究較深入，而三維UVAM由于其運(yùn)動過程和振動施加方式復(fù)雜，相關(guān)加工機(jī)理和刀尖運(yùn)動軌跡等需進(jìn)一步研究。

2 不同振動方式UVAM對切削過程的影響

2.1UVAM對切削力的影響

在金屬切削加工過程中，切削力來源于克服被加工材料對彈性變形的抗力、被加工材料對塑性變形的抗力及切屑對刀具前刀面、工件過渡表面、已加工表面及對刀具后刀面的摩擦阻力。切削力的大小會影響刀具的壽命及加工系統(tǒng)穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)亟档颓邢髁捎行Ц纳魄邢骷庸み^程，提高已加工表面質(zhì)量和刀具使用壽命。

在一維 UVAM 中，Shen 等[5，7，12]在不同振幅條件下研究了進(jìn)給方向UVAM切削力的變化，發(fā)現(xiàn)選擇較小的振幅能有效降低平均切削力，存在切削力不斷回零的現(xiàn)象，證明了刀具與工件為高頻斷續(xù)切削（圖6），當(dāng)振幅過大時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械振動和沖擊，切削力峰值增大。Zarchi等[13-14]認(rèn)為切削速度和振幅會影響刀具和工件的接觸情況，通過實驗發(fā)現(xiàn)切削速度過大或振幅過小，會使刀具與工件分離現(xiàn)象不明顯，且進(jìn)給方向UVAM產(chǎn)生的切削力接近傳統(tǒng)銑削。羅海泉等[15]研究了進(jìn)給方向UVAM對切削力的影響，發(fā)現(xiàn)選擇合適的每齒進(jìn)給量可實現(xiàn)刀-件分離，進(jìn)而降低加工過程中的切削力。Hsu等[16]進(jìn)行了濕切削實驗，最后給出了合理的切削液與切削深度的匹配關(guān)系，有利于降低切削力。任利偉等[17]采用正交試驗研究了轉(zhuǎn)速、切深、每齒進(jìn)給量、步距及振幅五個參數(shù)對切削力的影響規(guī)律，并得出振幅是影響三個切削分力最重要的因素。

圖6 CM和進(jìn)給方向UVAM的切削分力變化[5]

當(dāng)施加軸向振動時，軸向切削分力峰值會出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，軸向高頻沖擊力會使刀具崩斷或彎曲變形，影響加工系統(tǒng)穩(wěn)定性。軸向UVAM不適用于硬脆材料的加工，在較小切削深度和進(jìn)給速度條件下可用于鎳基合金等高塑性難加工材料的加工[8，18-19]。

在二維UVAM中，扭轉(zhuǎn)UVAM會在切向產(chǎn)生高頻沖擊，使材料更易去除（圖7）。當(dāng)振動速度超過銑削速度時，刀尖與切削層的連續(xù)接觸會轉(zhuǎn)化為斷續(xù)接觸，使平均摩擦力和平均切削力降低[20-21]。封志彬等[22]進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)UVAM加工鈦合金的有限元模擬，發(fā)現(xiàn)切削力隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，在較小的振幅范圍內(nèi)，切削力會隨著振幅增加而減小，而振動頻率對切削力的影響不大。Hu等[23]通過仿真和實驗研究發(fā)現(xiàn)，每齒進(jìn)給量是影響切削力的最重要因素，每齒進(jìn)給量越小，切削力越小。姜興剛等[24]通過刀尖軌跡對比實驗分析，發(fā)現(xiàn)橢圓UVAM具有實現(xiàn)刀尖線速度高速化的特性，并能大幅降低切削力。張明亮[25-26]通過研究發(fā)現(xiàn)每齒進(jìn)給量在一定范圍內(nèi)變化時，橢圓UVAM鈦合金薄壁件時，可有效降低切削力，F(xiàn)x方向上的銑削力降幅達(dá)35%以上。

圖7 扭轉(zhuǎn)UVAM去除切屑的過程

由于一維UVAM會在振動方向產(chǎn)生較大的沖擊力，易產(chǎn)生刀具變形和崩刃等現(xiàn)象，有學(xué)者提出了三維UVAM。Xiang等[27]進(jìn)行了縱扭復(fù)合UVAM實驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合振動可有效地克服單純軸向振動產(chǎn)生較大軸向沖擊力的問題，相比于CM，其切削力明顯降低。Tong等[28]進(jìn)行了縱扭復(fù)合UVAM加工鈦合金薄壁零件的仿真，發(fā)現(xiàn)各切削力分力發(fā)生頻繁回零現(xiàn)象，平均切削力也明顯降低，不僅降低了軸向沖擊對加工過程的影響，也減小了薄壁零件加工過程中的變形。

不同振動方式的UVAM與CM相比，可降低加工過程的切削力，但在加工硬脆材料時，軸向UVAM存在瞬時軸向力過大的弊端，故不宜采用?？v扭復(fù)合UVAM繼承了傳統(tǒng)振動銑削的優(yōu)勢并削弱了傳統(tǒng)振動銑削的劣勢，復(fù)合振動銑削將是未來加工領(lǐng)域發(fā)展方向之一。

2.2 UVAM對切削溫度的影響

在加工過程中，由于彈性和塑性變形所消耗的功以及切屑與前刀面、工件與后刀面摩擦所消耗的功會產(chǎn)生大量的熱，前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度上升，過高的切削溫度會使刀具與工件間發(fā)生粘刀和熱變形等。當(dāng)施加超聲振動后，刀-件分離，這不僅有利于切削液的進(jìn)入，可改善切削過程中的冷卻潤滑，而且減少了凈切削時間，有利于切削溫度的降低[1，29-30]。刀-件分離階段即溫度擴(kuò)散期，此時振幅越大，擴(kuò)散期越長，散熱效果越明顯。但是當(dāng)振幅過大時，刀具和切屑摩擦產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)高于擴(kuò)散的熱量，會導(dǎo)致切削溫度升高[12，31]。

在一維UVAM中，趙云峰[31]研究了進(jìn)給方向UVAM加工LY12（即2A12）鋁合金的切削溫度變化，發(fā)現(xiàn)施加超聲振動可使斷屑頻率增加，切屑帶走大部分熱量，相比于CM，其切削溫度明顯降低；隨著每齒進(jìn)給量的增大，切削溫度越高，最終接近于CM的情況；當(dāng)振幅過大時，隨著振幅的增大，刀具后刀面與工件摩擦增大，切削溫度上升。沈?qū)W會[12]通過有限元仿真的方法分析了進(jìn)給方向UVAM的溫度場分布、刀尖溫度峰值和熱生成率，發(fā)現(xiàn)施加振動后銑削區(qū)和切屑溫度明顯下降。

軸向UVAM使銑刀端面與已加工表面斷續(xù)接觸，減少了后刀面與已加工表面的接觸時間，有利于散熱，因此軸向UVAM在降低切削溫度方面有很大的優(yōu)勢。Hsu等[16]研究了軸向UVAM加工Mar-M247鎳基合金的性能，發(fā)現(xiàn)銑削速度是影響切削溫度的主要因素，銑削速度越高，產(chǎn)生的熱量越高，因此要選擇較低的銑削速度及合理的進(jìn)給速度才能降低切削溫度。Verma等[32]對工件施加軸向振動，認(rèn)為超聲振動對工件有軟化作用，將超聲振動對工件的聲軟化效應(yīng)和斷續(xù)切削作用添加到原有的溫度預(yù)測模型內(nèi)，建立新的溫度預(yù)測模型，為切削溫度的預(yù)測研究提供了可靠的方法。

在二維UVAM中，當(dāng)扭轉(zhuǎn)UVAM的扭振角速度大于刀具的旋轉(zhuǎn)角速度且方向相反時，刀具與切屑出現(xiàn)分離，從而減少凈切削時間和摩擦?xí)r間，降低切削溫度。封志彬等[22]通過對扭轉(zhuǎn)UVAM加工鈦合金的有限元模擬，發(fā)現(xiàn)切削溫度隨著轉(zhuǎn)速和振幅的增大而升高，振動頻率對切削溫度的影響較小。

縱扭復(fù)合UVAM是一種完全分離型的斷續(xù)切削過程，扭振和縱振相互協(xié)調(diào)工作，在縱向和切向都存在分離現(xiàn)象，使切削區(qū)域充分散熱，顯著降低了切削溫度[8-10]。

不同振動方式UVAM都具有降低切削溫度的作用，其最重要的原因在于振動切削的分離特性，因此在研究UVAM的降溫效果時，應(yīng)著重考慮刀-屑分離條件。

3 不同振動方式UVAM對表面質(zhì)量的影響

表面質(zhì)量直接影響零件的使用性能和壽命。評價表面質(zhì)量的指標(biāo)主要有表面粗糙度、表面形貌、殘余應(yīng)力和加工硬化等[33]。

3.1 UVAM對表面粗糙度及表面形貌的影響

施加超聲振動改變了刀具與工件的接觸關(guān)系，兩者之間的相對軌跡也變得更加復(fù)雜。一般情況下，UVAM的已加工表面質(zhì)量優(yōu)于CM加工表面質(zhì)量。在一維UVAM中，Tao等[33-35]對比了魚表面的鱗狀特征和進(jìn)給方向UVAM的加工表面特征（圖8），發(fā)現(xiàn)兩種表面紋路為同一類型的函數(shù)曲線，在較大進(jìn)給量時，進(jìn)給方向UVAM的表面粗糙度值比CM的低。

圖8 仿生表面形貌[34]

喻宏慶等[36]研究了UVAM加工TC4鈦合金后的表面形貌（圖9），發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加振幅可減少已加工表面較深且不規(guī)則的劃痕，但振幅過大會產(chǎn)生一些凹坑，反而降低表面質(zhì)量。馬超等[37]對UVAM加工鈦合金表面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)每齒進(jìn)給量較小時，振動撞擊起主導(dǎo)作用，表面粗糙度值隨著振幅增加而增大；當(dāng)每齒進(jìn)給量較大時，彈塑性切削機(jī)制起了主導(dǎo)作用，表面粗糙度值隨著振幅增加而減小。韓光超等[38]研究了不同參數(shù)下UVAM產(chǎn)生的表面質(zhì)量，分析認(rèn)為每齒進(jìn)給量接近最低切削厚度時對表面質(zhì)量的改善效果最明顯。因此，要想獲得理想的表面粗糙度，需對振幅和每齒進(jìn)給量進(jìn)行合理的匹配。

圖9 不同振幅下TC4鈦合金加工表面SEM圖[36]

也有學(xué)者對已加工表面存在的凹坑、劃痕成因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這不僅是由運(yùn)動軌跡和顫振產(chǎn)生的，還可能是由刀具磨損和粘刀造成的，因此在選擇合適的切削參數(shù)和加工方式的前提下，通過采取適當(dāng)?shù)臐櫥绞?，減少加工過程中的摩擦熱及摩擦力，從而減少刀具磨損和粘連現(xiàn)象的發(fā)生。Ni等[39]引入了最低潤滑（MQL）概念，研究了CM、UVAM和最低潤滑條件下的UVAM的刀具磨損情況和已加工表面形貌，發(fā)現(xiàn)UVAM相比于CM對刀具磨損有抑制作用且會產(chǎn)生較均勻的紋理結(jié)構(gòu)，最低潤滑條件下的UVAM的改善效果最好，在刀具產(chǎn)生一定磨損時仍可獲得均勻性和致密性優(yōu)良的表面。

垂直進(jìn)給方向的UVAM在加工過程中必須施加較大的振幅才能實現(xiàn)刀-件分離，且無法保證有規(guī)律的分離，因此表面質(zhì)量較難保證[40-41]。Ko等[42-43]研究了進(jìn)給方向、垂直進(jìn)給方向和軸向超聲振動輔助側(cè)銑表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給方向UVAM更易獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量，軸向UVAM在進(jìn)給量較小時也能獲得較好的表面質(zhì)量，垂直進(jìn)給方向UVAM難以獲得較理想的結(jié)果。Hsu等[16]在工件下方施加超聲振動（圖10），經(jīng)過對表面粗糙度值的方差結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)較低的切削速度和進(jìn)給速度會產(chǎn)生較高的重疊和切割痕跡，從而產(chǎn)生更平滑的表面。

圖10 軸向UVAM設(shè)備[16]

Lian等[44]發(fā)現(xiàn)軸向UVAM的振幅存在最優(yōu)值，合適的振幅會獲得最低的表面粗糙度值。軸向UVAM加工SiCp/Al復(fù)合材料的表面形貌與CM相比，軸向振動對表面產(chǎn)生高頻沖壓、劃痕被壓平且去除碳化硅顆粒殘體效果明顯，有效改善了加工表面完整性（圖11）[45]。劉建慧等[46]研究了軸向UVAM加工7075鋁合金的表面形貌，發(fā)現(xiàn)振幅為2、4 μm時，其表面會出現(xiàn)均勻、規(guī)整的鱗片網(wǎng)格狀紋理，軸向UVAM的表面粗糙度值比CM的更低；當(dāng)振幅為6 μm時，網(wǎng)紋邊緣高度增加，表面粗糙度值增大甚至超過CM的表面粗糙度值。

圖11 CM與軸向UVAM加工表面形貌[45]

在二維UVAM中，扭轉(zhuǎn)UVAM使連續(xù)切削轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l斷續(xù)切削，接觸時以超高速撞擊工件材料，降低連續(xù)切削過程中的塑性變形和粘刀程度，并對已加工表面進(jìn)行高頻熨壓，可提高加工表面質(zhì)量。圖12是不同振幅條件下的加工表面鱗片分布。可見在一定范圍內(nèi)，振幅越大，表面鱗片分布越均勻；隨著銑削速度增加，振動角速度小于旋轉(zhuǎn)角速度，難以實現(xiàn)刀-件分離，超聲振動對加工影響較小，UVAM產(chǎn)生的加工表面質(zhì)量與CM相近[47-48]。

圖12 不同振幅下表面鱗片分布圖[47]

Zhang等[49]研究了橢圓UVAM對鈦合金表面加工硬化的影響，結(jié)果表明，施加超聲振動對已加工表面具有硬化作用，當(dāng)切削速度低于120 m/min時，振幅越大，變質(zhì)層越深，加工硬化越嚴(yán)重，而切削速度達(dá)到160 m/min時，振動硬化效果不明顯。董琦[50]對扭轉(zhuǎn)UVAM加工鈦合金表面形貌及涂層性能進(jìn)行了研究，采用Sa（算術(shù)平均高度）、Spd（山峰密度）、Str（紋理特征比）和 Svi（谷區(qū)液體滯留能力）四個參數(shù)來表征不同參數(shù)下的表面形貌特征，并對已加工表面鍍層在不同加工參數(shù)下的膜-基結(jié)合力變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)UVAM更易產(chǎn)生各向同性的表面，更有利于增強(qiáng)膜-基結(jié)合力。因此，在鍍層方面可通過UVAM改變已加工表面微織構(gòu)進(jìn)而解決膜-基結(jié)合力低等難題，提高涂層和基體間結(jié)合力，改善工件表面改性效果。

對于一維振動存在加工不穩(wěn)定的現(xiàn)象，可通過復(fù)合振動方式來克服，從而提高表面質(zhì)量[51]。皮鈞[8]研究了CM和縱扭復(fù)合UVAM的加工表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)縱扭復(fù)合UVAM加工后的表面質(zhì)量明顯優(yōu)于CM加工后的表面質(zhì)量，加工脆性材料時對材料的擠裂更均勻，所形成的表面更平整，尤其是加工淬硬鋼和不銹鋼時會產(chǎn)生較均勻、平滑的網(wǎng)格狀，使表面粗糙度值明顯降低。童志強(qiáng)等[52]采用縱扭復(fù)合UVAM對12K碳纖維片材材料進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)由于縱扭復(fù)合UVAM產(chǎn)生瞬時沖擊力，纖維與基體瞬時分離，減少了纖維之間的滯留，使切屑的脫落更加干脆，可有效避免碳纖維片材在加工過程中易產(chǎn)生分層、撕裂等現(xiàn)象（圖13）；同時，刀具對已加工表面具有高頻熨壓的作用，最后得到更加平整的表面。

圖13 UVAM加工碳纖維的切屑分離情況[52]

在CM和一維UVAM加工薄壁零件時，工件易產(chǎn)生塑性變形和顫振現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量，而縱扭UVAM可降低加工不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生。Tong等[28]采用縱扭復(fù)合UVAM對鈦合金薄壁零件進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)縱扭復(fù)合UVAM可有效地抑制變形和顫振現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000～3000 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速增加，縱扭復(fù)合UVAM產(chǎn)生的顫振痕跡的變形和高度均增大，但薄壁件表面組織顫振痕跡的密度和高度均小于CM的情況，其表面更光整（圖14）。

圖14 不同轉(zhuǎn)速下縱扭復(fù)合UVAM和CM三維表面形貌[28]

綜上所述，UVAM可提高加工表面質(zhì)量，進(jìn)而提高工件使用性能。目前，應(yīng)用鍍層技術(shù)來提高工件表面性能的研究逐漸被重視，有關(guān)鍍層技術(shù)的研究首先應(yīng)從提升膜-基結(jié)合力著手。UVAM產(chǎn)生的均勻致密紋理表面可有效提高膜-基結(jié)合力，因此將UVAM與鍍層技術(shù)相結(jié)合的研究將是未來的一個發(fā)展趨勢。

3.2 UVAM對殘余應(yīng)力的影響

由于加工過程中有塑性變形、熱變形、相變等，已加工表面一般會存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。殘余拉應(yīng)力較大的，其表面耐疲勞性能和耐腐蝕性能較差，因此，降低表面殘余拉應(yīng)力或使表面形成殘余壓應(yīng)力可有效地提高零件使用壽命[53-54]。

Hu等[55]在施加進(jìn)給方向超聲振動的條件下進(jìn)行了有限元模擬（圖15），發(fā)現(xiàn)振動頻率越高，材料的斷裂效果越明顯，材料更易去除，殘余拉應(yīng)力也相應(yīng)降低；主軸轉(zhuǎn)速越高，切削溫度升高，由熱應(yīng)力產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力越大；彈性模量越大，塑性變形趨勢越大，越易產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。鈦合金等彈性模量較小的材料，采用軸向UVAM的改性效果明顯超過其他方式UVAM的改性效果。這是因為，一方面受高頻擠壓和軸向沖擊作用，產(chǎn)生較大的塑性變形；另一方面，高頻的刀-件分離現(xiàn)象，使切削溫度降低，由熱應(yīng)力產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力也相應(yīng)降低[18，56]。

李世永[47]和孫青[57]通過模擬得到了不同參數(shù)下扭轉(zhuǎn)UVAM獲得的表面殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加扭轉(zhuǎn)UVAM的頻率和振幅時，殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)向殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的趨勢；當(dāng)頻率和振幅過大時，刀-件摩擦加劇，切削溫度升高，擠壓產(chǎn)生的塑性變形不充分，由熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力提高；轉(zhuǎn)速增加會產(chǎn)生更多的摩擦熱，殘余拉應(yīng)力也會提高。Lu等[58]認(rèn)為每齒進(jìn)給量決定著材料去除率，也影響著切削溫度和塑性變形；通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，每齒進(jìn)給量越小，相應(yīng)的殘余拉應(yīng)力越小。

縱扭復(fù)合UVAM既有扭轉(zhuǎn)UVAM的切向分離特性，也有軸向UVAM的高頻沖擊改性優(yōu)勢，所加工表面為均勻網(wǎng)格分布且表面改性層的殘余應(yīng)力主要為殘余壓應(yīng)力，因此被廣泛應(yīng)用于難加工材料、零件的加工中[8，52，59]。

4 超聲振動在微銑削中的應(yīng)用

隨著零件精度要求的提高，微銑削憑借靈活、通用的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜微小零件的加工中，但微細(xì)加工的切削厚度與刀尖圓弧半徑屬于同一數(shù)量級。如圖16所示，當(dāng)實際切削厚度接近甚至小于最低切削厚度時，犁切效應(yīng)明顯，很難形成切屑（即尺寸效應(yīng)），尤其對于微槽銑削加工而言，由于受尺寸效應(yīng)影響，易產(chǎn)生大量毛刺。

圖15 殘余應(yīng)力與頻率、轉(zhuǎn)速、彈性模量的關(guān)系[55]

圖16 微切削加工情況

目前，微銑削面臨的最大難題便是毛刺處理，現(xiàn)有的激光、微銑削、微噴丸、超聲濕噴丸等技術(shù)在去除毛刺時仍存在易傷表面、易產(chǎn)生再生毛刺等問題[60-61]，不能從根本上解決毛刺去除的問題。因此，有學(xué)者考慮將超聲技術(shù)引入微銑削，通過優(yōu)化工藝參數(shù)來抑制毛刺生成。韓光超等[38，62]施加了進(jìn)給方向上的超聲振動，相比于傳統(tǒng)微銑削可明顯降低毛刺尺寸，且發(fā)現(xiàn)在每齒進(jìn)給量略高于最低切削厚度時對毛刺的控制最明顯。盡管超聲振動在微銑削領(lǐng)域的研究僅涉及進(jìn)給方向UVAM且研究的問題較少，但或?qū)⑹俏磥頇C(jī)械加工領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。

5 總結(jié)與展望

超聲振動輔助銑削是一種將超聲振動以不同方式施加到刀具或工件上，從而實現(xiàn)振動切削的加工方式。目前已發(fā)展為一維到多維振動的加工方式，對高溫合金、復(fù)合材料、脆性材料等難加工材料的加工具有獨(dú)特優(yōu)勢。在選擇合理的切削參數(shù)和振動參數(shù)條件下，超聲振動輔助銑削能降低平均切削力和切削溫度，增大零件表面的殘余壓應(yīng)力，改善表面質(zhì)量，細(xì)化表面晶粒，增強(qiáng)零件的抗疲勞、耐磨損、耐腐蝕性能，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來，微細(xì)零件的需求增加和加工精度越來越高，使超聲振動微切削技術(shù)廣泛應(yīng)用于微細(xì)零件的加工。為進(jìn)一步提高其加工效率和質(zhì)量，對超聲振動輔助微銑削的切削機(jī)理和表面成形機(jī)理還需進(jìn)行深入研究。