陳洪歡

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311402）

《中國(guó)制造2025》將航空航天裝備、5G智能裝備和先進(jìn)軌道交通裝備等列入高端裝備工程與十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料、高溫合金和石墨等新型材料在上述裝備的應(yīng)用成為提升裝備性能、取得技術(shù)突破的關(guān)鍵所在。對(duì)上述材料的制備和超精密加工技術(shù)成為新材料領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象[1-2]。

1 技術(shù)背景

現(xiàn)有的典型難加工硬脆材料超精密加工過(guò)程中存在加工精度低、穩(wěn)定性差、壽命短等問(wèn)題。比如：碳纖維復(fù)合材料采用高速銑削加工時(shí)，存在工件固持困難、加工表面有纖維拔出或拉斷等質(zhì)量缺陷問(wèn)題。這些表面的質(zhì)量缺陷會(huì)導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在工作時(shí)浸漬層脫落，嚴(yán)重影響承載能力和吸波效果，現(xiàn)有高速銑削加工技術(shù)無(wú)法很好地滿足碳纖維復(fù)合材料的加工要求。高溫合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的重要材料，其在高速切削加工時(shí)存在切削溫度高、刀具磨損快等問(wèn)題，容易發(fā)生崩刃現(xiàn)象。主切削刃附近的應(yīng)力過(guò)于集中，容易產(chǎn)生工件回彈，造成切削振動(dòng)，加工精度和加工效率較低，嚴(yán)重影響零件表面完整性。

目前，國(guó)際上公認(rèn)滿足上述新型材料加工性能要求的高效加工方式之一是超聲精密加工。超聲加工方法與數(shù)控技術(shù)融合開發(fā)的超聲復(fù)合數(shù)控機(jī)床，已成為新型硬脆材料精密加工當(dāng)下最先進(jìn)的設(shè)備。超聲復(fù)合數(shù)控機(jī)床通過(guò)在加工刀柄產(chǎn)生超聲波頻率的諧振，將傳統(tǒng)的連續(xù)切削轉(zhuǎn)為高頻脈沖式的斷續(xù)切削，切削力以高頻脈沖波形的方式起作用，實(shí)現(xiàn)材料的高效分離。

筆者對(duì)面向硬脆材料的超聲輔助精密加工技術(shù)展開研究，首先闡述了超聲復(fù)合機(jī)床總體方案，接著對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行說(shuō)明，最后介紹超聲復(fù)合機(jī)床產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用加工的具體案例。

2 超聲加工系統(tǒng)研究

超聲復(fù)合機(jī)床相較于傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床增加了超聲加工系統(tǒng)，部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。超聲加工系統(tǒng)主要可分為超聲驅(qū)動(dòng)器、非接觸式電能傳輸裝置和超聲刀柄3個(gè)部分[3]。

圖1 超聲加工系統(tǒng)部分構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖

2.1 超聲刀柄

各系列超聲刀柄如圖2所示。超聲刀柄直接作用于加工工件，與普通加工刀柄相比，它的關(guān)鍵部件是壓電換能器。基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，壓電換能器能夠?qū)⒊曭?qū)動(dòng)器所提供的電能轉(zhuǎn)換成超聲波級(jí)別的高頻振動(dòng)，此種振動(dòng)頻率為幾萬(wàn)赫茲，振動(dòng)幅值為幾微米到幾十微米。

圖2 各系列超聲刀柄

2.2 超聲驅(qū)動(dòng)器

超聲驅(qū)動(dòng)器又名超聲電源或超聲發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它的基本工作原理是通過(guò)AC-DCAC電路將工頻交流電轉(zhuǎn)換成高頻高壓交流電，然后利用高頻高壓交流電驅(qū)動(dòng)超聲刀柄產(chǎn)生超聲波頻率級(jí)別的振動(dòng)。

圖3 超聲驅(qū)動(dòng)器

超聲刀柄存在諧振頻率，只有被外部與其諧振頻率一致的高頻高壓交流電激勵(lì)時(shí)，超聲刀柄才能產(chǎn)生較強(qiáng)高頻振動(dòng)。實(shí)際加工過(guò)程中，由于負(fù)載變化和溫升等因素會(huì)導(dǎo)致超聲刀柄頻率發(fā)生變化，又因超聲刀柄Q值較大，只要實(shí)際工作頻率與諧振頻率偏差超過(guò)幾赫茲，就會(huì)導(dǎo)致超聲加工效果嚴(yán)重下降。所以超聲驅(qū)動(dòng)器核心控制算法就是實(shí)現(xiàn)超聲刀柄諧振頻率的快速準(zhǔn)確跟蹤。

另外，現(xiàn)有數(shù)字式超聲驅(qū)動(dòng)器一般都支持外部通信接口，基于RS485通信的Modbus_RTU協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床對(duì)超聲系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和超聲配置參數(shù)的下發(fā)。

2.3 非接觸式電能傳輸裝置

非接觸式電能傳輸裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它用于解決機(jī)床加工時(shí)主軸高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致超聲驅(qū)動(dòng)器輸出能量不能穩(wěn)定傳輸?shù)膯?wèn)題。數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，其轉(zhuǎn)速一般都會(huì)達(dá)到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)碳刷導(dǎo)電方式存在能量傳輸不穩(wěn)定的問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。借鑒變壓器傳輸原理，非接觸電能傳輸裝置一般采用松耦合變壓器式，以保證機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)情況下驅(qū)動(dòng)器輸出能量的穩(wěn)定傳輸[4]。

圖4 非接觸式電能傳輸

圖5 接觸式電能傳輸

超精密加工過(guò)程中要求單一發(fā)射環(huán)匹配多類刀柄接收環(huán)，且工藝要求發(fā)射環(huán)與接收環(huán)之間存在一定的間隙余量，以避免高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)射環(huán)與接收環(huán)產(chǎn)生摩擦。針對(duì)換刀過(guò)程中圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致主軸狀態(tài)異常、高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)射環(huán)/接收環(huán)間隙不均勻等問(wèn)題，一般可通過(guò)優(yōu)化發(fā)射環(huán)及刀柄接收環(huán)的磁芯材料、磁芯結(jié)構(gòu)、線型及繞線方式等參數(shù)和設(shè)計(jì)包括諧振式、弧形、榫卯式等結(jié)構(gòu)形式的多款松耦合變壓器來(lái)解決。

以上即為對(duì)機(jī)床超聲加工系統(tǒng)3個(gè)核心裝備的介紹。超聲復(fù)合機(jī)床基本控制流程是機(jī)床控制系統(tǒng)通過(guò)協(xié)議下發(fā)加工振幅和加工模式等加工參數(shù)到超聲驅(qū)動(dòng)器，機(jī)床主軸移動(dòng)到需要加工的工件上方，機(jī)床控制系統(tǒng)通過(guò)協(xié)議控制超聲驅(qū)動(dòng)器開啟超聲輸出，輸出電能經(jīng)過(guò)非接觸式電能裝置到達(dá)超聲刀柄，超聲刀柄將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，機(jī)床主軸按照用戶設(shè)定程序完成機(jī)械加工，完成加工后機(jī)床控制系統(tǒng)關(guān)閉超聲驅(qū)動(dòng)器輸出，結(jié)束整個(gè)流程。

3 應(yīng)用案例

高溫合金（例如GH4169）作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的重要材料，傳統(tǒng)加工方法高速切削加工時(shí)存在削力大、切削溫度高、刀具磨損快等問(wèn)題，要求刀具具有優(yōu)異的抗黏結(jié)磨損性能、抗磨粒磨損性能，同時(shí)具有高紅硬性、抗高溫氧化性能。采用超聲復(fù)合機(jī)床加工高溫合金材料，可有效提高加工精度和加工效率[5-6]。

3.1 被加工工件表面粗糙度

根據(jù)硬質(zhì)合金立銑刀面銑高溫合金和硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔高溫合金兩個(gè)加工工藝的測(cè)試可知，超聲復(fù)合機(jī)床可明顯提高被加工工件表面粗糙度。其中，在硬質(zhì)合金立銑刀面銑高溫合金加工中，選擇D6-4刃銑刀時(shí)，超聲波加工會(huì)改善高溫合金的表面粗糙度，優(yōu)化效果達(dá)16%，如表1所示；在硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔高溫合金加工中，對(duì)比多組超聲鉆孔與無(wú)超聲鉆孔的孔壁粗糙度數(shù)據(jù)，超聲鉆孔可有效改善高溫合金的孔壁表面粗糙度，優(yōu)化效果約為35%，如表2所示。

表1 硬質(zhì)合金立銑刀面銑高溫合金粗糙度表

表2 硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔高溫合金粗糙度表

3.2 加工刀具的壽命

根據(jù)多款硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔TC4鈦合金的測(cè)試結(jié)果，超聲復(fù)合機(jī)床可大幅度提高加工刀具的壽命。通過(guò)對(duì)比加工刀具在無(wú)超聲輔助和有超聲輔助兩種工藝下的最大加工孔數(shù)，可知超聲加工可最大提升刀具壽命1 627%，具體如表3所示。

表3 硬質(zhì)合金鉆頭鉆孔TC4鈦合金測(cè)試結(jié)果表

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了能夠端到端升級(jí)傳統(tǒng)機(jī)床的超聲加工系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了超聲刀柄、超聲控制器和非接觸電能傳輸裝置3個(gè)核心裝置?；诔晱?fù)合機(jī)床加工高溫合金的測(cè)試結(jié)果可知，超聲復(fù)合機(jī)床能夠有效改善加工工件表面粗糙度以及延長(zhǎng)刀具壽命，具有廣泛的應(yīng)用前景。