寧波材料所在多軸銑削/旋轉(zhuǎn)超聲加工方面取得進(jìn)展

　　石英玻璃、工程陶瓷等硬脆材料具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、耐熱震性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、電子、冶金等工業(yè)領(lǐng)域，但是該類(lèi)韌性和強(qiáng)度不同于彈塑性金屬類(lèi)材料，在加工時(shí)材料承受的載荷很容易超過(guò)彈性極限而發(fā)生斷裂破壞。因此，采用傳統(tǒng)加工方式加工效率低，刀具磨損嚴(yán)重、破碎崩邊顯著、加工成本高。

　　旋轉(zhuǎn)超聲加工是附有金剛石磨粒的刀具在沿軸線旋轉(zhuǎn)、沿軸向超聲頻率振動(dòng)及沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)復(fù)合后與加工材料發(fā)生交互作用以實(shí)現(xiàn)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(shù)難題。它的材料去除方式不同于傳統(tǒng)砂輪直接機(jī)械磨削，而是金剛石磨粒對(duì)工件的高頻振動(dòng)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(jìn)制造領(lǐng)域的高性能加工技術(shù)，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(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)；多軸加工可解決低維加工難以實(shí)現(xiàn)的加工瓶頸，為包含復(fù)雜型面特征的零部件制造提供有效的解決方案。旋轉(zhuǎn)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(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬先進(jìn)制造所激光與智能能量場(chǎng)制造團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列硬脆材料多軸銑削/旋轉(zhuǎn)超聲加工方面的研究。研究小組密切結(jié)合團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)材料激光加工領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)航空航天、光電等領(lǐng)域硬脆材料加工的技術(shù)需求，進(jìn)行了一系列針對(duì)涉及刀軸矢量?jī)?yōu)化控制的硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲加工科學(xué)機(jī)理、工藝規(guī)律及優(yōu)化研究。

　　研究人員將多軸高速銑削與超聲加工結(jié)合，以期進(jìn)一步發(fā)揮各種制造原理與技術(shù)的物理優(yōu)勢(shì)。在彈塑性材料多軸高速銑削方面進(jìn)行了一系列前期基礎(chǔ)研究，發(fā)現(xiàn)多軸球銑刀具-工件接觸區(qū)各量化指標(biāo)隨刀具傾角變化顯著，提交論文并在“十三屆切削與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”（5月22-24日，2015，太原）進(jìn)行了報(bào)告(Key Engineering Materials, 2016, 693:788-794)。刀軸矢量控制是多軸加工中的關(guān)鍵問(wèn)題，工藝優(yōu)化是工程應(yīng)用的橋梁，表面質(zhì)量的傾角效應(yīng)直接影響最終成型表面的性能。因此，研究人員針對(duì)性研究了傾角和銑削模式對(duì)表面質(zhì)量的影響，并進(jìn)行了初步工藝優(yōu)化研究，提煉了理想的工藝條件，相關(guān)成果發(fā)表在制造類(lèi)國(guó)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(duì)石英玻璃、工程陶瓷等硬脆材料，研究人員進(jìn)行了石英玻璃旋轉(zhuǎn)超聲端銑試驗(yàn)與有限元建模仿真，相關(guān)成果將發(fā)表在《工具技術(shù)》2017第1期；并且通過(guò)納米壓痕試驗(yàn)證實(shí)了石英玻璃材料在載荷激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生彈性恢復(fù)及塑性變形現(xiàn)象（in press, Procedia Engineering, Elsevier）；分析了金剛石磨粒的空間運(yùn)動(dòng)軌跡變化及多軸條件下工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度和表面形貌的影響，結(jié)果表明：合理調(diào)控超聲及工藝參數(shù)可在提高效率的前提下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量表面加工，充分利用超聲優(yōu)勢(shì)（in press, Procedia Engineering, Elsevier）；通過(guò)工藝復(fù)合創(chuàng)新，提出了一種高效精密激光預(yù)制微織構(gòu)超聲銑削工藝方法及加工系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的配置方式（發(fā)明專(zhuān)利201510263505.1）；針對(duì)含量為99%的氧化鋁陶瓷，通過(guò)納秒激光單點(diǎn)多脈沖工藝和環(huán)切法進(jìn)行激光微織構(gòu)預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)多脈沖加工工藝易實(shí)現(xiàn)高效、較小殘余壓應(yīng)力孔陣列微織構(gòu)加工，加工質(zhì)量依賴(lài)光斑質(zhì)量，可通過(guò)優(yōu)化環(huán)切法加工工藝參數(shù)改善凹坑質(zhì)量，加工孔徑可更大，同時(shí)易產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力（in press, Procedia Engineering, Elsevier）。團(tuán)隊(duì)成員應(yīng)邀參加了“2016年全國(guó)超聲加工技術(shù)研討會(huì)”（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(guān)研究成果在會(huì)議上進(jìn)行了主題口頭報(bào)告，得到了國(guó)內(nèi)外同行的關(guān)注。

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

　　圖1 仿真結(jié)果與銑削試驗(yàn)表面形貌特征對(duì)應(yīng)區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象

　　圖2 石英玻璃材料納米壓痕載荷位移曲線

　　圖3 旋轉(zhuǎn)超聲多軸銑削表面形貌隨轉(zhuǎn)速的變化（tilt0°&lead20°, F=2000mm/min, ae=0.15mm, ap=0.03mm, UA percent=10%）

　　圖4 氧化鋁陶瓷納秒激光預(yù)制微織構(gòu)形貌特征