超声钻削研究综述

柏广才

摘要：超声钻削技术以其独特的优越性在精密与特种孔加工中得到广泛的应用，本文介绍超声钻削相较于传统钻削的在钻削力、钻削热、钻头寿命和孔质量方面的优势与机制，给出超声钻削技术类别和技术特点。随之从切削力、精度及加工质究、新材料上的应用和超声辅助钻削装置四个方面论述了超声钻削理论和技术的发展过程和现状，并对超声辅助钻削的发展前景作了展望。

关键词：超声加工;辅助钻削;超声加工

中图分类号：TG506.5                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0096-02

0  引言

传统钻削过程受钻削空间的限制，导致排屑和冷却困难，是钻削轴向力较大，同时过大的轴向力在钻头钻穿工件时使工件变形增大，造成钻削过程的飞边和毛刺;而切屑在顺着排屑槽排出时会与已加工表面划擦，造成钻削温度较高和孔表面质量变差[1]。同时普通钻削过程，特别是小孔钻削过程，钻头的刚度较差，若工件表面不平经常出现钻头偏置，导致孔的位置精度较低。

针对传统钻削中存在的上述问题，学者通过研究提出了超声辅助钻削技术，即在传统钻削的过程中施加一个高频的振动，辅助钻削过程。超声振动的引入是原有的钻削运动过程中引入另一个运动，形成新的刀具运动轨迹和形成新的切削动力学过程，通过合理的匹配振动的频率和振幅，优化传统的钻削过程。高频振动的引入使钻削过程中刀具不断的与工件接触和分离，使原来的连续钻削过程转变为断续切削过程，促使切屑断裂和冷却液进入，降低切削刃的温度，减小磨损;同时高频振动不断的摩擦孔壁，降低孔的表面粗糙度，提升孔的加工质量。

1  超声钻削技术分类与特点

超声辅助钻削技术按不同振动的来源、形式和作用位置的不同可以划分成不同的类别。

①超声辅助钻削中依据振动来源的不同可分为自激振动和受迫振动辅助钻削。自激振动中的振动来源于系统自身，如机床收到敲击后引起的自身的振动，通过将振动传递到工件，迫使工件振动，自激振动受系统阻尼的影响无法持续，同时振动的频率受系统结构的限制，无法调节，致使整个振动过程无法控制，因此一般不在实际钻削过程中使用。强迫振动通过外部的驱动电路和结构产生有规律的振动并将振动传递到工件或者钻头，实现振动辅助加工，强迫振动的频率和振幅均有电路控制，可调节性强，因此被广泛使用。目前采用的超声辅助钻削技术多为强迫辅助钻削。

②超声辅助钻削过程钻头的进给方向为钻头的轴向，因此振动均出现在轴向方向，按超聲振动形式的不同可以分为轴向振动、轴向扭转振动钻削以及轴向扭转复合振动钻削。轴向振动是指振幅的方向与钻头轴线方向一致，这是最常见也是最简单的一种振动形式;扭转辅助钻削是指振动方向与钻头旋转方向一致，如此使钻头不断的过切和欠切，达到振动辅助的目的;轴向扭转复合振动钻削同时进行轴向与扭转振动辅助。

③从振动作用的位置不同可分为工件振动和刀具振动两种实现形式。随着振动刀柄的出现，即在现有的CNC机床刀柄上集成超声振动装置就可以高效的实现振动辅助，目前在生产中应用较为广泛，而工件振动需要驱动整个工件或者工作台振动，通常工件的总量较刀具都大，导致惯性更大，振动的幅值无法加大，同时对振动系统的刚度、能量和能耗都要求更高，因此很少用于生产过程，仅在实验室使用。

与传统的钻削相比，超声辅助钻削技术通过改变钻头与工件的接触和切削形式，减小轴向力;高频振动促进钻头的侧刃与孔表面的摩擦和挤压作用，降低孔表面的粗糙度;同时促进切屑断裂，使切屑成碎片甚至粉末化，促进排屑，抑制积屑瘤产生;促进冷却液进入，降低钻削区域的温度和热膨胀，进而减小摩擦和钻削扭矩，提升刀具的寿命。

2  发展现状

隈部淳一郎于上世纪五六十年代提出超声辅助钻削技术并验证了超声辅助钻削相较于传统钻削过程存在的优越性。随后大量的学者围绕超声辅助钻削过程切削力、加工精度和表面质量等方面开展了研究工作。

2.1 钻削力

在钻削力采集方面，通过压电晶体传感器可以实时的钻削力和钻削扭矩动态监测。相比于传统的钻削，超声钻削轴向力一般较低，这主要是由于超声辅助加工中的断屑和排屑条件都得到改善，切屑的挤压程度降低，使得轴向力更小;实验观察到的超声钻削时的切削尺寸明显减小，高速相机拍摄的钻削过程上也观察到了切削飞出，而在普通钻削中只能看到切屑随着排屑槽流出。

同时采用红外热像仪监测到的超声钻削的切削刃上的温度也高于普通钻削，且温度正比于超声振幅，主要由于超声增加了切削刃与工件材料间的摩擦。

在理论与仿真研究钻削力的过程中，由于钻头的切削刃位于螺旋弧上，导致钻头的前角和刃倾角不断变化，借鉴微分和有限元的思想，通常江钻头的横刃和主切削刃分割成有限个单位，并将每个单元近似看作前角和刃倾角不变的车刀，然后依据斜角切削理论构建各个切削单元的轴向力和扭矩模型，进而预测钻头的轴向力和扭矩，通过在钻削力上添加振动的影响，即可实现对振动辅助钻削的钻削力的计算和分析。

2.2 精度及加工质量研究

针对钻头入钻精度不高的问题，隈部淳一郎教授在其超声辅助钻削理论研究中提出了钻头静止化和刚性化理论，实现对入钻精度的提升。国内部分学者通过分析超声辅助钻削中钻头寿命、横向偏移机理，指出振动辅助钻削中脉冲式非连续进给能有效的协助钻头钻出，减小甚至消除入钻位置偏移，提升钻孔的定位精度。同时指出超声辅助钻削时钻头对材料的挤压效用减小，出口处材料的变形减小，出口处剩余材料的体积较大，产生塑性变形能力较弱，因此毛刺高度有所降低。

2.3 在新材料上的应用

超声钻削在硬脆材料的加工方面也具有明显的优势，以氧化锆陶瓷为例，通过控制载荷和超声振幅可以将孔径误差和表面粗糙度控制在可接受的范围内。同时超声钻削也适用于新型的复合材料加工，具有明显加工经济性和材料保持性，如CFRP制孔。对铝基碳化硅超声钻削过程中发现切屑的卷曲程度减小，刀刃的后刀面磨损程度也降低，且积屑瘤也消失，加工质量明显改善。对于非金属陶瓷材料，存在明显的应变率增韧效应，采用高频超声产生大的应变率，改善被加工陶瓷表面的韧性，抑制材料表面的裂纹扩展，提高加工效率与加工质量。对比783镍基高温合金的超声和普通钻削实验结果，发现超声钻削孔壁粗糙度降低60%，钻头磨损显著下降，孔出口处的毛刺消失，孔的圆度、圆柱度、表面粗糙度和扩孔量均有所提升。

针对CFRP复合材料的超声钻孔研究发现，超声钻削时的轴向力明显下降，同时CFRP在传统钻削过程中的分层现象消失。进一步的实验结果表明超声钻削横刃上的钻削力下降较大，减小了CFRP。针对碳纤维复合材料和钛合金叠层材料等航空航天高性能材料的超声钻削试验表明，超声钻削在刀具磨损、出口毛刺/分层和孔精度具有明显的优势，特别适用于该类难加工材料的加工。

2.4 超声装置和机床研制进展

隈部淳一郎教授基于其首创的超声钻孔技术开发了磁致伸缩和电致伸缩超声装置，通过将上述装置安装与车床上实现了超声加工，实际意义上的开出了第一套超声加工机床。随后在学者隈部淳一郎教授的超声发生装置和机床的基础上不断的开发和研究，并将其推广到钻床和加工中线，同时超声装置的集成化和控制系统的小型化也使其不断的与机床深度融合，为其大面积应用奠定了基础。发展到1980年左右，日本开发了世界首台高频换能器（频率可以达到40 kHz），并将运用于钻削设备实现了扭转钻削机床，如图 1所示。此后许多机床厂家开始在机床上集成超声设备，开发了专用的超声加工设备，如在钻削设备上集成纵向换能器，实现扭转超声辅助钻削设备;超声科技、超声铣削、德玛吉、Kerry超音波工业等公司在机床添加了旋转超声，研发了相应的设备，以德玛吉研制的Ultrasonic 50机床为例，该机床已广泛应用于小孔加工，能够提供的超声辅助频率为17.5～30 kHz，深受消費者喜爱。

国内学者对超声辅助加工的研究也有较长的一段历史，成果斐然。如刘华明教授团队早于1986年就自主研发了超声辅助钻床设备，并在上面开展了大量的实验研究。随后的超声辅助钻削设备和技术迅速发展。如今国内已经聚集了一大批长期从事超声辅助加工设备和技术研究的专家学者，如北京航空航天大学张德远教授团队、河南理工大学赵波教授团队和中北大学祝锡晶教授团队，他们系统的从超声发生器、超声电源和跟踪电路、超声变幅杆和超声加工机理等方面进行了研究，针对加工机床和加工对象的特点，设计了可以适应多种形状厚度工件的超声辅助平台和机床，加工超声辅助钻削加工技术广泛的应用于航空航天和工业生产实践中，突破了欧美专家在超生钻削设备方面的垄断，实现了超声设备的自制和国产化。

3  发展前景

超声辅助钻孔技术可以提高孔的加工精度和质量，同时提升加工区的冷却效果，从而降低加工区域刀具的温度，减少磨损，提高刀具的寿命，具有广泛的应用前景，特别是对于难加工材料的制孔，具有显著的优势。常规的超声钻孔设备已经比较成熟，但通用性较差，特殊用途下超声设备还需要进一步优化，特别是针对难加工材料制孔的专用超声钻削成套设备目前尚未成熟，机床系统的可靠性和长期运行的稳定性有待深入考核评价，该类设备在航空航天领域等高附加值领域具有比较大的需求。将目前超声辅助钻削技术的各项研究成果加以集成，发展专用超声辅助钻削设备将成为下一阶段的研究重点之一。

参考文献：

[1]孙鑫.航空材料自动化精密制孔工艺研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.

[2]温泉.C/E 复合材料制孔损伤形成机理与评价方法研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[3]LI Z， YANG D， HAO W， et al. A novel technique for micro-hole forming on skull with the assistance of ultrasonic vibration [J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2015，57： 1-13.