寧波材料所金剛石刀具旋轉超聲加工研究取得進展

石英玻璃、工程陶瓷等硬脆材料具有耐高溫、膨脹系數低、耐熱震性、高化學穩定性等優異性能，廣泛應用于航空航天、化工、電子、冶金等工業領域，但是該類韌性和強度不同于彈塑性金屬類材料，在加工時材料承受的載荷很容易超過彈性極限而發生斷裂破壞。因此，采用傳統加工方式加工效率低，刀具磨損嚴重、破碎崩邊顯著、加工成本高。

旋轉超聲加工是附有金剛石磨粒的刀具在沿軸線旋轉、沿軸向超聲頻率振動及沿進給方向運動復合后與加工材料發生交互作用以實現材料去除的有效的特種加工方法，尤其可解決硬脆材料加工的技術難題。它的材料去除方式不同于傳統砂輪直接機械磨削，而是金剛石磨粒對工件的高頻振動錘擊、滑擦、耕犁及磨蝕等作用的疊加。高速切削、多軸加工是先進制造領域的高性能加工技術，高速切削具有切削力小、切削溫度低、加工效率高以及表面質量好等優點；多軸加工可解決低維加工難以實現的加工瓶頸，為包含復雜型面特征的零部件制造提供有效的解決方案。旋轉超聲加工、高速切削及多軸加工的融合可有效拓展各加工工藝的技術優勢。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所所屬先進制造所激光與智能能量場制造團隊開展了一系列硬脆材料多軸銑削/旋轉超聲加工方面的研究。研究小組密切結合團隊在先進材料激光加工領域的優勢，針對航空航天、光電等領域硬脆材料加工的技術需求，進行了一系列針對涉及刀軸矢量優化控制的硬脆材料旋轉超聲加工科學機理、工藝規律及優化研究。

研究人員將多軸高速銑削與超聲加工結合，以期進一步發揮各種制造原理與技術的物理優勢。在彈塑性材料多軸高速銑削方面進行了一系列前期基礎研究，發現多軸球銑刀具-工件接觸區各量化指標隨刀具傾角變化顯著，提交論文并在“十三屆切削與先進制造技術學術會議”(5月22-24日，2015，太原)進行了報告(Key Engineering Materials, 2016, 693:788-794)。刀軸矢量控制是多軸加工中的關鍵問題，工藝優化是工程應用的橋梁，表面質量的傾角效應直接影響最終成型表面的性能。因此，研究人員針對性研究了傾角和銑削模式對表面質量的影響，并進行了初步工藝優化研究，提煉了理想的工藝條件，相關成果發表在制造類國際期刊(Int J Adv Manuf Tech, 2015, 77: 2035-2050.; Int J Adv Manuf Tech, 2016,DOI:10.1007/s00170-016- 9143-x)。

針對石英玻璃、工程陶瓷等硬脆材料，研究人員進行了石英玻璃旋轉超聲端銑試驗與有限元建模仿真，相關成果將發表在《工具技術》2017第1期；并且通過納米壓痕試驗證實了石英玻璃材料在載荷激勵后會產生彈性恢復及塑性變形現象(in press, Procedia Engineering, Elsevier)；分析了金剛石磨粒的空間運動軌跡變化及多軸條件下工藝參數對表面粗糙度和表面形貌的影響，結果表明：合理調控超聲及工藝參數可在提高效率的前提下實現高質量表面加工，充分利用超聲優勢(in press, Procedia Engineering, Elsevier)；通過工藝復合創新，提出了一種高效精密激光預制微織構超聲銑削工藝方法及加工系統功能結構的配置方式(發明專利201510263505.1)；針對含量為99%的氧化鋁陶瓷，通過納秒激光單點多脈沖工藝和環切法進行激光微織構預處理，發現單點多脈沖加工工藝易實現高效、較小殘余壓應力孔陣列微織構加工，加工質量依賴光斑質量，可通過優化環切法加工工藝參數改善凹坑質量，加工孔徑可更大，同時易產生更大的殘余壓應力(in press, Procedia Engineering, Elsevier)。團隊成員應邀參加了“2016年全國超聲加工技術研討會”(10月21-23日，2016，大連)及“13th Global Congress on Manufacturing and Management, GCMM 2016”(11月28-30日，2016，鄭州)，相關研究成果在會議上進行了主題口頭報告，得到了國內外同行的關注。

上述工作得到了國家自然科學基金青年科學基金項目(51505468)、寧波市自然科學基金(2015A610104)、中國博士后科學基金面上項目(2015M571907)以及中國博士后科學基金第九批特別資助(2016T90555)的支持。