超聲加工技術(shù)自從1950年代由日本宇都宮大學(xué)隈部淳一郎教授提出振動切削方法以來，得到了學(xué)者廣泛關(guān)注和系統(tǒng)研究，到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了60多個年頭。隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，中國超聲加工技術(shù)正由研究規(guī)模向應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，2015年10月于廈門召開了首屆超聲加工技術(shù)論壇，2016年5月中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會成立了超聲加工技術(shù)委員會，2016年10月于大連召開了首屆全國超聲加工技術(shù)研討會。為更好地了解中國超聲加工技術(shù)研究的現(xiàn)狀，本刊以“超聲加工專欄”形式刊登中國超聲加工技術(shù)研究的概況。本文作為專欄序文概括論述我國超聲加工技術(shù)研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

超聲加工從狹義上看是一種高頻振動能量附加到機(jī)械加工過程的一種加工方法，超聲振動能量來源通常是電壓驅(qū)動壓電伸縮振動或電流驅(qū)動磁致伸縮振動，所以超聲加工屬電加工范疇；從振動切削運(yùn)動學(xué)廣義上看，該領(lǐng)域也包括低頻振動加工；從超聲加工工藝學(xué)廣義上看，該領(lǐng)域以振動切削為主體外還包括超聲成形、超聲焊接、超聲處理等；從超聲加工對象廣義上看，該領(lǐng)域主要面向工業(yè)產(chǎn)品制造外還可以作為醫(yī)療手術(shù)用超聲手術(shù)工具。超聲加工已經(jīng)逐步成為提高機(jī)械加工能效的一種重要手段，特別是新材料與難加工材料、難加工結(jié)構(gòu)與表面、高表面完整性加工等需求不斷增多，使超聲加工的可應(yīng)用優(yōu)勢范圍不斷擴(kuò)大，從而引起更多學(xué)者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究與應(yīng)用。

國內(nèi)真正開始系統(tǒng)研究超聲加工技術(shù)是從1980年代開始的，具代表性的國內(nèi)早期研究學(xué)者是原吉林工業(yè)大學(xué)的王立江教授、廣西大學(xué)的阮世勛教授等，主要以振動切削機(jī)理試驗研究為主，幾乎沒有走出實驗室向工程應(yīng)用。后來逐步擴(kuò)大到1990年代的第二代研究力量，逐步研發(fā)實用性超聲加工裝置，并出現(xiàn)了橢圓超聲加工技術(shù)，克服了單向超聲振動切削的崩刃問題，為工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。再后來2000年代以后超聲加工技術(shù)逐步走出實驗室，通過在工程上逐步擴(kuò)大應(yīng)用而快速推進(jìn)超聲加工技術(shù)發(fā)展。近十年國內(nèi)超聲加工研究單位迅猛增多，導(dǎo)致中國超聲加工研究論文在國內(nèi)外期刊發(fā)表數(shù)量急劇增加，在SCI、EI檢索論文中中國學(xué)者的超聲加工論文數(shù)量處于地位，迎來了超聲加工研究中國鼎盛時期。

超聲振動切削技術(shù)自從20世紀(jì)50年代提出以來，歷經(jīng)60多年發(fā)展一直沒有突破切削速度限問題，即切削速度大于振動速度后振動切削效果基本消失。北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊2010年提出、2016年試驗證實、2017年在線發(fā)表了“高速斷續(xù)超聲振動切削加工方法”，*打破傳統(tǒng)振動切削反向速度分離的理念，通過切削橫向分離方式實現(xiàn)高速斷續(xù)超聲切削，*打破了以往振動切削的切削速度限。這種新的振動切削模式不僅保持了脈沖式振動切削降低切削力特性，而且斷續(xù)空切冷卻潤滑延長刀具壽命，實現(xiàn)增速不增磨的高速斷續(xù)切削理念，還通過振動相位差控制表面加工質(zhì)量。這一新模式同時還打破了普通切削(如車削、銑削、鉆削等)的切削速度限，實現(xiàn)了宏觀高速切削，微觀高速斷續(xù)切削的新機(jī)理，這對于解決難加工材料高速切削難題開辟了全新途徑。振動切削領(lǐng)域、普通切削領(lǐng)域兩個切削速度極限的突破，對顯著提升難加工材料總體加工效率具有極其重要的應(yīng)用價值。

超聲振動磨削脆性材料是超聲加工擅長的一種加工工藝方法，但是超聲加工表面裂紋與出口崩邊問題一直沒有得到很好解決。清華大學(xué)馮平法團(tuán)隊對超聲加工脆性材料進(jìn)行了深入的理論與試驗研究，理論分析與試驗證實了極限切削力是保證硬脆材料超聲磨鉆工藝有效的首要條件，減小亞表面損傷和減小刀具端面面積可以顯著降低出口崩邊，磨粒橫向振動軌跡可以提高脆性復(fù)合材料磨鉆的孔表面質(zhì)量、降低分層面積。這對于、高質(zhì)超聲加工脆性材料提供了新的理論基礎(chǔ)。

超聲切割加工是蜂窩芯復(fù)合材料的一種加工方法，但是在超聲切割加工過程中依然會出現(xiàn)不同程度的纖維拔出、酚醛清漆層剝落等加工缺陷特征。大連理工大學(xué)康仁科團(tuán)隊采用直刃刀超聲縱切、斜切、橫切三種方式，通過提高超聲刀具振幅、降低進(jìn)給量顯著降低了蜂窩芯加工過程中的酚醛清漆層剝落的幾率。理論分析與試驗驗證了直刃超聲切割的切削力變化規(guī)律，進(jìn)給方向超聲振幅和刀具前傾角對切削力的影響較大。這為實現(xiàn)大塊、極薄精密超聲切割蜂窩材料奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

超聲加工界面微觀機(jī)理極為復(fù)雜，直接關(guān)系到超聲加工效果的合理發(fā)揮和能力挖潛，值得微觀表征深入研究。其中有四項問題入選《一萬個科學(xué)難題-制造卷》，分別是北京航空航天大學(xué)張德遠(yuǎn)團(tuán)隊提出的“超聲加工的強(qiáng)沖擊變形機(jī)制問題”和“超聲手術(shù)的組織選擇性作用機(jī)理”，集美大學(xué)皮鈞團(tuán)隊提出的“超聲振動切削過程接觸界面材料塑性動力變形和粘彈潤滑機(jī)理問題”，天津大學(xué)宮虎團(tuán)隊提出的“金剛石刀具超聲輔助超精密車削黑色金屬的機(jī)理問題”。有待于今后通過多學(xué)科交叉深入解析超聲加工界面的多場作用機(jī)理，通過仿生技術(shù)、微納技術(shù)、新材料技術(shù)等改善界面條件，從而不斷提升超聲加工技術(shù)的工藝效果，擴(kuò)大其優(yōu)勢應(yīng)用范圍。

超聲加工裝備是實現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵，包括超聲載能裝備(機(jī)床、主軸、刀柄、刀具載能)、超聲激勵裝備(超聲換能器、供電環(huán)、發(fā)生器)等，超聲能量的適應(yīng)性、穩(wěn)定性是超聲加工應(yīng)用的基本條件。目前，國內(nèi)外超聲加工的主要差距就體現(xiàn)在超聲加工裝備的產(chǎn)品化上。德國DMG公司的超聲銑磨機(jī)床，主要加工脆性材料；美國EFM公司的超聲切割機(jī)床，主要用于蜂窩芯切割與銑切。這些數(shù)控機(jī)床配上性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的超聲加工裝置就形成的價格昂貴的超聲加工機(jī)床。為趕上或超過國外超聲加工裝備的技術(shù)水平，必須突破以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：機(jī)床本體化才能有超聲加工裝備高性能化的成本空間，這需要我國數(shù)控機(jī)床技術(shù)的突破；超聲加工裝備與機(jī)床本體高度融合化才能形成性能匹配好的超聲加工機(jī)床，這需要機(jī)床企業(yè)與超聲加工裝置研發(fā)單位之間合作機(jī)制上的突破；超聲諧振刀具與超聲加工刀柄之間批量互換匹配才能實現(xiàn)超聲加工工藝大面積推廣應(yīng)用，這需要刀具廠商與超聲加工裝備制造商之間聯(lián)合制定超聲加工刀具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；超聲加工裝備本身的陶瓷堆、感應(yīng)供電、阻抗匹配、變幅桿、發(fā)生器組成的諧振系統(tǒng)的諧振頻率、阻抗一致性好才能保證產(chǎn)品互換，這需要各子系統(tǒng)制造質(zhì)量的穩(wěn)定性與互換標(biāo)準(zhǔn)。這些問題恰恰是我國工業(yè)基礎(chǔ)件水平低、工業(yè)創(chuàng)新機(jī)制落后的具體表現(xiàn)，需要扎扎實實的努力盡快解決。

超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域在我國目前主要集中在國防領(lǐng)域，按其有效性劃分，分為對難加工材料*的切削能力上的應(yīng)用、對弱剛度工藝系統(tǒng)極小的切削抗力上的應(yīng)用、對精細(xì)光整表面極微細(xì)的光整能力上的應(yīng)用、對抗疲勞表面*的強(qiáng)化能力上的應(yīng)用等，還有對生物活體組織微創(chuàng)手術(shù)中的極小創(chuàng)傷上的應(yīng)用。因此，超聲加工應(yīng)用領(lǐng)域劃分主要是從工件材料、結(jié)構(gòu)、表面形貌、表面力學(xué)等方面劃分，超聲加工已經(jīng)幾乎滲透到了切削磨削、特種加工的各種工藝中。從超聲加工的應(yīng)用行業(yè)來看，應(yīng)用多的是航空航天行業(yè)，因為這一行業(yè)的難加工材料居多、產(chǎn)品質(zhì)量要求高，使超聲加工工藝效果顯示度大；同時這一行業(yè)的零件批量小、生產(chǎn)節(jié)拍并不快，使以往超聲加工的極限速度弱勢沒有顯現(xiàn)出來。在兵器、核工業(yè)、船舶等國防其他行業(yè)也有大量的超聲加工應(yīng)用優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在難加工材料與難加工結(jié)構(gòu)加工的精密加工效果。隨著北航提出的高速超聲加工技術(shù)的不斷完善與提升，高速超聲加工在眾多行業(yè)均有廣闊的應(yīng)用前景。首先擴(kuò)大高速超聲加工在民用行業(yè)中的應(yīng)用，高速超聲加工工藝用于精密儀器、光學(xué)零件、微細(xì)零件、脆性材料、精密模具等行業(yè)，再擴(kuò)展到快節(jié)拍的汽車制造業(yè)中應(yīng)用高速超聲加工技術(shù)。隨著高速超聲加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和制造要求的不斷提高，高速超聲加工的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用行業(yè)會不斷擴(kuò)大，在機(jī)械制造行業(yè)中的作用會不斷加大，還會在生物制造、仿生制造、微納制造等新型行業(yè)中發(fā)揮不可替代的關(guān)鍵作用。

超聲加工領(lǐng)域人才培養(yǎng)主要集中在高校和研究所，覆蓋面比較寬，但缺乏超聲加工精品教材，缺乏學(xué)科交叉基礎(chǔ)性專著，缺乏超聲加工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相關(guān)研究計劃的學(xué)科目錄，缺乏超聲加工的專業(yè)雜志。因此，超聲加工技術(shù)與其他電加工技術(shù)相比，總體上還處于初期發(fā)展與應(yīng)用階段，必須在超聲加工人才培養(yǎng)過程中，不斷實現(xiàn)超聲加工理論與應(yīng)用技術(shù)的突破，為我國制造業(yè)做出重大貢獻(xiàn)。

張德遠(yuǎn)(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院)