模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器在精密加工中的研究進(jìn)展*

殷 振 朱 健 李 華 張 鵬 張 坤 李 闖

(①蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；②蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 215151)

超聲振動(dòng)加工技術(shù)是超聲學(xué)的重要分支，是現(xiàn)代精密加工中的重要組成部分，被廣泛運(yùn)用于切削、銑削、鉆削、砂輪修整以及滾壓等精密加工領(lǐng)域。超聲振動(dòng)加工技術(shù)相比于普通加工技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著降低切削力[1]，減少刀具磨損[2]，提高加工工件表面質(zhì)量[3-4]，延長(zhǎng)刀具使用壽命[5]。其中，超聲振動(dòng)換能器是超聲振動(dòng)加工系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是電學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)和材料學(xué)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物[6]。超聲振動(dòng)換能器利用壓電陶瓷在電壓作用下能夠產(chǎn)生形變的特性，將交變電能轉(zhuǎn)化為換能器的高頻機(jī)械振動(dòng)。根據(jù)超聲振動(dòng)換能器的振動(dòng)模式不同，可以將超聲振動(dòng)換能器分為單一振動(dòng)模態(tài)超聲振動(dòng)換能器和復(fù)合振動(dòng)模態(tài)超聲振動(dòng)換能器。其中，單一振動(dòng)模態(tài)包括縱振、彎振和扭振；復(fù)合振動(dòng)模態(tài)多由單一振動(dòng)模態(tài)復(fù)合而成，主要有縱彎復(fù)合振動(dòng)、縱扭復(fù)合振動(dòng)、彎扭復(fù)合振動(dòng)以及雙彎曲復(fù)合振動(dòng)等幾類[7]。

隨著超聲加工技術(shù)的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，縱振、彎振和扭振這3種單一振動(dòng)模態(tài)超聲振動(dòng)換能器難以滿足精密加工的需要，因此引入了復(fù)合振動(dòng)模態(tài)的超聲振動(dòng)換能器。目前，實(shí)現(xiàn)復(fù)合振動(dòng)模態(tài)的方法有多種，主要方法有[8]：一是對(duì)兩組或兩組以上的壓電陶瓷堆分別進(jìn)行電信號(hào)激勵(lì)，產(chǎn)生相應(yīng)的一維振動(dòng)且兩個(gè)或多個(gè)一維振動(dòng)之間存在一定相位差，從而耦合成復(fù)合振動(dòng)，采用這種方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合振動(dòng)的超聲振動(dòng)換能器稱之為多激勵(lì)超聲振動(dòng)換能器；二是通過模態(tài)轉(zhuǎn)換的方式，對(duì)一組壓電陶瓷堆進(jìn)行電信號(hào)激勵(lì)，產(chǎn)生一維振動(dòng)模態(tài)，通過巧妙設(shè)計(jì)模態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)變幅桿，從而從一維振動(dòng)模態(tài)誘發(fā)產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)模態(tài)，采用這種方式實(shí)現(xiàn)復(fù)合振動(dòng)的超聲振動(dòng)換能器稱之為模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器。

對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的研究進(jìn)展及其在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和歸納，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的優(yōu)點(diǎn)

多激勵(lì)超聲振動(dòng)換能器和模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器雖然都可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合超聲振動(dòng)，但是多激勵(lì)超聲振動(dòng)換能器需要多組壓電陶瓷堆來(lái)激勵(lì)產(chǎn)生具有相同諧振頻率的多個(gè)振動(dòng)模態(tài)，多組壓電陶瓷堆的諧振頻率難以調(diào)節(jié)至完全相同，并且需要為每一組壓電陶瓷堆配備單獨(dú)的電源信號(hào)，且各路電源信號(hào)需要設(shè)置合適的相位差，因此多激勵(lì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，難以安裝，控制難度較大，成本高等問題，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。圖1[9]所示的雙激勵(lì)超聲振動(dòng)換能器由兩個(gè)夾心式壓電換能器構(gòu)成，通過90°刀具架連接在一起，這就導(dǎo)致了雙激勵(lì)超聲振動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積偏大，難以在安裝空間較小的機(jī)床上進(jìn)行使用。

與多激勵(lì)超聲振動(dòng)換能器相比，模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器只需要一個(gè)夾心式壓電換能器，且只需要一路電信號(hào)對(duì)換能器進(jìn)行激勵(lì)，不需要考慮電源信號(hào)的相位差等問題，大大簡(jiǎn)化了超聲振動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)控制電路、超聲電源微型化，可在安裝空間較小的機(jī)床上進(jìn)行安裝使用，其振動(dòng)穩(wěn)定性也更容易得以控制。

2 模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器應(yīng)用研究現(xiàn)狀

超聲振動(dòng)換能器通過模態(tài)轉(zhuǎn)換的方式可以實(shí)現(xiàn)單一振源下的縱彎復(fù)合、雙彎曲和縱扭復(fù)合等幾類復(fù)合超聲振動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這幾類復(fù)合振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)開展了大量研究工作，使用模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器在切削、表面滾壓、砂輪修整、焊接以及電火花加工等精密加工領(lǐng)域取得了較多的研究成果。

2.1 縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器

在切削加工領(lǐng)域，北京航空航天大學(xué)的李勛[10]、蘇州科技大學(xué)的殷振[11]以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊倡榮[12]等，通過改變超聲振動(dòng)換能器前端變幅桿的結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對(duì)稱性，在單一縱向振動(dòng)的激勵(lì)下，使偏離軸線位置的刀具實(shí)現(xiàn)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)。

北京航空航天大學(xué)的李勛等[10]通過在變幅桿尾端附加一個(gè)質(zhì)量相對(duì)較大的質(zhì)量塊，從而使刀具在縱向振動(dòng)的基礎(chǔ)上通過模態(tài)轉(zhuǎn)換的方式產(chǎn)生一個(gè)彎曲振動(dòng)，并且縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)之間具有一定相位差，從而使刀具產(chǎn)生縱彎復(fù)合橢圓超聲振動(dòng)(圖2)。李勛利用研制的縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)加工裝置對(duì)LY12實(shí)心件進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，與普通車削相比，縱彎復(fù)合橢圓超聲振動(dòng)車削主切削力降低了50%，薄壁工件的圓度大幅提高，粗糙度大幅降低，表面粗糙度達(dá)到0.091 9 μm，并且刀具幾乎沒有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

蘇州科技大學(xué)的殷振等[11]通過在縱向振動(dòng)變幅桿上開設(shè)非對(duì)稱矩形缺口的形式，實(shí)現(xiàn)了變幅桿由縱向振動(dòng)到彎曲振動(dòng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)出一套具有非對(duì)稱缺口的縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)加工裝置(圖3)。采用光纖測(cè)振儀測(cè)得其軸向振動(dòng)振幅為10.3 μm，彎曲振動(dòng)振幅為4.2 μm，測(cè)得刀具能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)短軸比為2.45的超聲橢圓軌跡振動(dòng)。

而后，蘇州科技大學(xué)的殷振等[13]基于機(jī)械振動(dòng)理論研制了一套復(fù)合梁變幅桿超聲振動(dòng)切削裝置(圖4)，通過斜梁和直梁構(gòu)成的復(fù)合梁變幅桿，將超聲振動(dòng)換能器產(chǎn)生的一維縱向超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)化為刀具的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，兩個(gè)振動(dòng)分量頻率相同且具有一定的相位差，可實(shí)現(xiàn)刀具的縱彎復(fù)合橢圓軌跡振動(dòng)。采用復(fù)合梁變幅桿超聲振動(dòng)切削裝置對(duì)2021鋁合金進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，與普通切削相比，復(fù)合梁變幅桿超聲振動(dòng)切削的切削力降低了30%～60%，表面粗糙度降低了40%～70%，最佳表面粗糙度可達(dá)到Ra0.08 μm。該裝置可以有效實(shí)現(xiàn)刀具的縱彎復(fù)合超聲橢圓軌跡振動(dòng)，但是整套裝置體積偏大，不利于在安裝空間較小的機(jī)床上進(jìn)行安裝使用。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊倡榮等[12]研制了一套縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)切削裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)由縱向振動(dòng)到彎曲振動(dòng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換(圖5)?？v向超聲振動(dòng)換能器經(jīng)過電信號(hào)激勵(lì)后產(chǎn)生縱向振動(dòng)，部分縱向振動(dòng)分量經(jīng)過橫向彎曲振動(dòng)變幅桿轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢駝?dòng)分量，在刀具前端形成縱彎復(fù)合振動(dòng)軌跡。采用該裝置對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行了車削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：施加超聲振動(dòng)對(duì)于工件表面質(zhì)量有很大的改善作用，相較于普通切削，表面粗糙度降低了20%，最佳表面粗糙度可達(dá)到Ra0.132 μm。但是該裝置中的變幅桿采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，存在變幅桿剛性較弱的問題。

蘇州科技大學(xué)的李華[14]基于薄板振動(dòng)理論研制了一種新型的縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)切削裝置(如圖6)。通過在變幅桿上開設(shè)具有特殊角度的橫向斜槽，使縱向超聲振動(dòng)換能器產(chǎn)生的部分縱向振動(dòng)分量通過斜槽轉(zhuǎn)換為彎曲振動(dòng)分量，最終在刀尖處復(fù)合形成縱彎復(fù)合軌跡振動(dòng)。對(duì)YL12、7A09、20號(hào)鋼、45號(hào)鋼這幾種材料進(jìn)行了超聲振動(dòng)切削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)切削與傳統(tǒng)切削加工相比可以顯著降低切削力、提高加工表面質(zhì)量、提高加工效率和減少刀具磨損。王曉等[15]基于振動(dòng)基本理論和彈性波入射理論設(shè)計(jì)了一種開斜槽式階梯型變幅桿(圖7)，并通過有限元方法證明了在階梯型變幅桿上開斜槽可以實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)，形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。

在砂輪修整技術(shù)領(lǐng)域，河南理工大學(xué)的高國(guó)富[16]等，通過在階梯型變幅桿上開設(shè)斜槽，通過斜槽的模態(tài)轉(zhuǎn)換作用，將超聲振動(dòng)換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換為金剛石筆的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)，研制出一套縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)金剛石砂輪修整裝置(圖8)。砂輪修整實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)的金剛石砂輪修整裝置相比，其修整效率提高一倍以上，吃刀抗力降低90%，主切削力降低70%，修整精度更高，金剛石筆磨損更慢。

在表面滾壓領(lǐng)域，南昌航空航天大學(xué)的吳宜斌等[17]在圓錐形變幅桿的兩側(cè)開出3個(gè)錯(cuò)位分布的鍵槽形缺口(如圖9)，研制了一套縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)滾壓裝置。由于鍵槽形缺口的存在，輸入端的縱向振動(dòng)將在輸出端轉(zhuǎn)化為縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)。采用設(shè)計(jì)的模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)滾壓裝置對(duì)6063鋁合金棒料進(jìn)行滾壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)滾壓加工相比于普通滾壓加工能夠獲得更低的表面粗糙度和更高的顯微硬度，縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)滾壓后零件的表面粗糙度比普通滾壓后零件的表面粗糙度降低了28%，最小值可達(dá)到Ra0.091 μm。

縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器通過巧妙設(shè)計(jì)模態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)變幅桿，能夠有效實(shí)現(xiàn)縱向振動(dòng)分量到彎曲振動(dòng)分量的模態(tài)轉(zhuǎn)換，在刀尖處實(shí)現(xiàn)縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于切削加工、砂輪修整和表面滾壓等精密加工領(lǐng)域。縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的裝置結(jié)構(gòu)與縱向超聲振動(dòng)換能器接近，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅變幅桿結(jié)構(gòu)有所不同，但存在變幅桿剛度低，裝置體積偏大的問題。研制剛度高、體積小巧的新型縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器是未來(lái)的研究趨勢(shì)之一。

2.2 雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器

目前，大部分的雙彎曲復(fù)合超聲振動(dòng)換能器均是由兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角為90°的彎曲振動(dòng)壓電陶瓷單元組成[18]，分別對(duì)兩個(gè)相互垂直的彎曲振動(dòng)單元進(jìn)行電信號(hào)激勵(lì)，可以實(shí)現(xiàn)刀具的橢圓軌跡振動(dòng)。雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器是在一維超聲振動(dòng)換能器的驅(qū)動(dòng)下，通過模態(tài)轉(zhuǎn)換的方式形成兩個(gè)彎曲振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)而在變幅桿末端復(fù)合形成雙彎曲復(fù)合超聲振動(dòng)。

北京航空航天大學(xué)的季遠(yuǎn)等[19]設(shè)計(jì)了一套縱振激勵(lì)雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器(如圖10)，當(dāng)彎曲振動(dòng)桿為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)，彎曲振動(dòng)桿產(chǎn)生固有頻率不同的同階彎曲振動(dòng)模態(tài)，同時(shí)由于相位差的存在，在不對(duì)稱彎曲振動(dòng)桿末端形成雙彎曲復(fù)合振動(dòng)軌跡。季遠(yuǎn)等采用自行設(shè)計(jì)的雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器和彎曲振動(dòng)超聲振動(dòng)換能器對(duì)9Cr18不銹鋼棒料進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)切削能有效抑制刀具磨損，降低刀具的低頻顫振，與一維彎曲振動(dòng)切削相比，工件表面粗糙度降低60%。

蘇州科技大學(xué)的李華[20]通過建立懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型，采用有限元分析方法，通過在彎曲振動(dòng)換能器前端的彎曲振動(dòng)桿上開設(shè)矩形截面的方式，設(shè)計(jì)了一套雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器。并通過實(shí)驗(yàn)得出：通過改變彎曲振動(dòng)換能器前端變幅桿的形狀，能夠改變兩個(gè)相互垂直的極慣性矩和兩個(gè)振動(dòng)方向的相位差，從而實(shí)現(xiàn)變幅桿末端的雙彎曲復(fù)合超聲振動(dòng)(圖11)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的研究較少，雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器在精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有見到。探索雙彎曲模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的新型結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用于精密加工領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者值得研究的方向之一。

2.3 縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器

與縱彎復(fù)合超聲振動(dòng)和雙彎曲復(fù)合超聲振動(dòng)相比，由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量的存在，縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)更適用于旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)切削加工。在變幅桿上開設(shè)斜槽、斜梁和螺旋槽的方式，是實(shí)現(xiàn)縱向振動(dòng)到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換的重要手段，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的主要選擇。

20世紀(jì)60年代末，Rozenberg L D等[21]提出在縱向超聲振動(dòng)換能器的前端開設(shè)漸變螺旋槽，可使縱向振動(dòng)產(chǎn)生周向位移，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量，從而在刀具的前端實(shí)現(xiàn)縱扭復(fù)合橢圓軌跡振動(dòng)。1999年，陜西師范大學(xué)的林書玉等[22]利用機(jī)電等效電路方法分析了斜槽角度對(duì)傳振桿諧振頻率的影響規(guī)律，推導(dǎo)出縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)的頻率方程。2008年，華僑大學(xué)的皮鈞等[23-24]研究應(yīng)力波反射作用原理，研究了斜槽角度和斜槽距離對(duì)縱扭超聲振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換的影響規(guī)律，研制出一套圓環(huán)斜槽縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)切削裝置(如圖12)。在此基礎(chǔ)上，證明了通過在變幅桿上開斜槽的方式，可以實(shí)現(xiàn)由縱向振動(dòng)分量到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量的模態(tài)轉(zhuǎn)換。并利用該裝置對(duì)玻璃、淬硬鋼和不銹鋼進(jìn)行了縱扭超聲振動(dòng)銑削實(shí)驗(yàn)，對(duì)比縱扭超聲振動(dòng)銑削和傳統(tǒng)銑削的加工效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：縱扭超聲振動(dòng)銑削加工能夠獲得更高的表面質(zhì)量，更低的切削力，更低的切削溫度和刀具損耗。

2010年，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的Cardoni A等[25]通過在變幅桿的端部設(shè)置具有一定傾斜角度的斜梁，使得變幅桿末端具有縱振和扭振的分量，研制了一套斜梁式縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)鉆削裝置。利用該裝置進(jìn)行砂巖的鉆削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)鉆削比無(wú)斜槽縱向振動(dòng)鉆削的材料去除率提高了3.68倍。2011年，Asami T等[26]利用斜槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一套壓電縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)換能器(如圖13)，并通過試驗(yàn)探究了斜槽位置、深度、角度以及斜槽數(shù)量對(duì)縱扭超聲振動(dòng)換能器縱向振幅和扭轉(zhuǎn)振幅大小的影響規(guī)律，并采用設(shè)計(jì)的縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)換能器對(duì)鈉鈣玻璃進(jìn)行了打孔實(shí)驗(yàn)，證明了該裝置在硬脆材料孔加工中的有效作用。

2013年，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的AL-Budairi H[27]在前人的基礎(chǔ)上，采用在變幅桿上開設(shè)漸變螺旋溝槽的方法，對(duì)縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)換能器上漸變螺旋溝槽處的力進(jìn)行合成和分解，建立了縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)系統(tǒng)的等效網(wǎng)絡(luò)模型。2013年，Liu C等[28]基于數(shù)值分析法研究了斜槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)變幅桿諧振頻率的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了一套符合預(yù)計(jì)超聲頻率的斜槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器。2015年，河南理工大學(xué)的唐軍等[29-30]基于斜梁振動(dòng)原理，研制了一種斜梁式縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)，斜梁起到由縱向振動(dòng)到縱扭復(fù)合振動(dòng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換及復(fù)合作用(如圖14)，采用自行研制的縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：普通銑削的碳纖維束呈撕裂狀，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑削的碳纖維束呈現(xiàn)剪切狀，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)銑削能夠有效改善碳纖維束銑削撕裂狀況，降低工件表面粗糙度，降低刀具的粘結(jié)磨損。

2016年，武漢理工大學(xué)的劉武等[31]基于聲波傳播的原理，通過有限元方法對(duì)縱扭超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，研究了斜槽各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)斜槽長(zhǎng)度和深度對(duì)諧振頻率的影響最大。同年，北京航空航天大學(xué)的袁松梅等[32]基于有限元分析方法研究了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)諧振頻率的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的諧振頻率的簡(jiǎn)并，設(shè)計(jì)了一套附加螺旋槽的縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)(如圖15)。

2018年，清華大學(xué)的王健健等通過有限元分析方法設(shè)計(jì)了一種螺旋槽式縱扭復(fù)合超聲刀具(如圖16)，可以實(shí)現(xiàn)超聲刀具末端進(jìn)行縱向振動(dòng)到縱扭復(fù)合振動(dòng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)換，并對(duì)光學(xué)石英玻璃[33]和C/SiC陶瓷基復(fù)合材料[34]進(jìn)行了銑削實(shí)驗(yàn)，縱扭旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)光學(xué)石英玻璃銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與縱向超聲振動(dòng)銑削相比，縱扭旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)銑削可以使切削力減小55%，孔出口的邊緣碎屑尺寸減小45%。對(duì)C/SiC陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行了鉆孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：縱扭旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆削與縱向旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)鉆削相比，軸向鉆削力減小了50%以上。

2019年，清華大學(xué)的張巧麗等[35]從超聲波斜入射理論出發(fā)，通過振幅比值量化模態(tài)轉(zhuǎn)換效率，利用有限元分析方法研究了不同斜槽結(jié)構(gòu)對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計(jì)的模態(tài)轉(zhuǎn)換縱扭超聲振動(dòng)換能器能產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向振動(dòng)的振幅比可達(dá)3.05∶1。2020年，南京理工大學(xué)的顧磊等[36]為了解決縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)存在的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量小的問題，通過數(shù)值計(jì)算和有限元分析方法設(shè)計(jì)了一種新型的螺旋槽式縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)加工系統(tǒng)，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明：變幅桿末端縱向振幅為9.3 μm，扭轉(zhuǎn)振幅為4.5 μm。

縱扭模態(tài)超聲振動(dòng)換能器不僅被應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)切削加工領(lǐng)域，也被應(yīng)用于表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，河南理工大學(xué)的韓杰、鄭建新等[37]通過波動(dòng)理論研究，探究了圓環(huán)斜槽傳振桿縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理，研制了一套縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)深滾加工系統(tǒng)(圖17)。利用自主研制的縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)深滾加工裝置對(duì)Q235鋼進(jìn)行了深滾加工正交試驗(yàn)[38]，探索了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度和顯微硬度的影響規(guī)律，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了表面粗糙度和顯微硬度的預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：經(jīng)過縱扭超聲振動(dòng)深滾加工后，工件表面粗糙度相比常規(guī)深滾加工降低了73.36%，顯微硬度提高了184.9%。

在超聲波焊接技術(shù)領(lǐng)域，日本神奈川大學(xué)的Tsujino J[39]基于圓環(huán)斜槽傳振桿的模態(tài)轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)出27 kHz和40 kHz的兩套縱扭復(fù)合超聲波振動(dòng)焊接系統(tǒng)，并使用這兩個(gè)焊接系統(tǒng)對(duì)0.3～1.0 mm厚度的鋁板進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)焊接后的鋁板強(qiáng)度幾乎等于原鋁板試樣本身的強(qiáng)度。

在電火花加工技術(shù)領(lǐng)域，為解決傳統(tǒng)電火花機(jī)床加工微小孔時(shí)遇到的加工效率低、深徑比較小的問題，四川大學(xué)的唐祥龍等[40]將縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)與電火花加工技術(shù)結(jié)合，通過在傳振桿上開設(shè)斜槽，實(shí)現(xiàn)由縱向振動(dòng)到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一套縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)電火花微小孔加工裝置(圖18)。與未加超聲的傳統(tǒng)電火花微小孔加工極限深度相比，縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)電火花微小孔加工可以有效提高深徑比到10以上，且可以有效提高電火花加工效率，減少小孔入口和出口邊緣毛刺。

除了通過在變幅桿上設(shè)置斜槽/斜梁/螺旋槽的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換，還可以采用復(fù)合振動(dòng)變幅桿的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換，如復(fù)合振動(dòng)指數(shù)型變幅桿[41]。根據(jù)振動(dòng)原理，通過數(shù)值計(jì)算使變幅桿的某一階的縱振頻率與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率一致，當(dāng)與之匹配的縱向超聲振動(dòng)換能器的縱振頻率與變幅桿的諧振頻率相同時(shí)，通過縱向超聲振動(dòng)換能器的驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)變幅桿末端的縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)此功能的變幅桿種類較少。

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)的各種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(斜槽、斜梁、螺旋槽)的不斷深入研究，模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)切削加工、表面強(qiáng)化、焊接和電火花加工等精密加工領(lǐng)域，能夠有效提高加工效率和工件表面質(zhì)量，但是縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器仍存在由縱向振動(dòng)至扭轉(zhuǎn)振動(dòng)轉(zhuǎn)換效率較低的問題，該問題是縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器研究中一個(gè)值得深入探討的難點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)加工方式，縱彎、雙彎曲和縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)加工在精密加工領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高加工精度和加工效率，實(shí)現(xiàn)硬脆性等難加工材料的精密加工，且可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空、國(guó)防以及電子等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。隨著加工技術(shù)向著精密、高效和超精密的方向不斷發(fā)展，有關(guān)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器仍有較多的科學(xué)技術(shù)問題值得研究和探討。

(1)現(xiàn)有的模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器仍存在負(fù)載能力弱、體積較大等問題，研制剛度高、負(fù)載能力強(qiáng)、體積小巧的新型結(jié)構(gòu)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器亦是未來(lái)的重要研究方向之一。

(2)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡的大小與形狀的調(diào)整控制不夠簡(jiǎn)便靈活，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器輸出端的運(yùn)動(dòng)軌跡的大小與形狀的靈活控制研究，也具有重要的研究意義。

(3)縱彎超聲振動(dòng)換能器和縱扭超聲振動(dòng)換能器的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量是通過縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換而來(lái)，轉(zhuǎn)換后存在彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分量較小的問題。國(guó)內(nèi)外有關(guān)提高模態(tài)轉(zhuǎn)換效率的研究較少，因此，研究新型的模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器，提高模態(tài)轉(zhuǎn)換效率也是模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的重要研究方向之一。

(4)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器在切削、表面滾壓、砂輪修整、焊接以及電火花加工等精密加工領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，加強(qiáng)模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器的研究工作，擴(kuò)展模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲振動(dòng)換能器在其他精密加工領(lǐng)域乃至其他如電子、醫(yī)療、航空航天、生物等領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有重要的社會(huì)價(jià)值和科學(xué)意義。