石英玻璃、工程陶瓷等硬脆材料具有耐高温、膨胀系数低、耐热震性、高化学稳定性等优异性能，广泛应用于航空航天、化工、电子、冶金等工业领域，但是该类韧性和强度不同于弹塑性金属类材料，在加工时材料承受的载荷很容易超过弹性极限而发生断裂破坏。因此，采用传统加工方式加工效率低，刀具磨损严重、破碎崩边显著、加工成本高。

　　旋转超声加工是附有金刚石磨粒的刀具在沿轴线旋转、沿轴向超声频率振动及沿进给方向运动复合后与加工材料发生交互作用以实现材料去除的有效的特种加工方法，尤其可解决硬脆材料加工的技术难题。它的材料去除方式不同于传统砂轮直接机械磨削，而是金刚石磨粒对工件的高频振动锤击、滑擦、耕犁及磨蚀等作用的叠加。高速切削、多轴加工是先进制造领域的高性能加工技术，高速切削具有切削力小、切削温度低、加工效率高以及表面质量好等优点；多轴加工可解决低维加工难以实现的加工瓶颈，为包含复杂型面特征的零部件制造提供有效的解决方案。旋转超声加工、高速切削及多轴加工的融合可有效拓展各加工工艺的技术优势。

　　宁波材料所所属先进制造所激光与智能能量场制造团队开展了一系列硬脆材料多轴铣削/旋转超声加工方面的研究。研究小组密切结合团队在先进材料激光加工领域的优势，针对航空航天、光电等领域硬脆材料加工的技术需求，进行了一系列针对涉及刀轴矢量优化控制的硬脆材料旋转超声加工科学机理、工艺规律及优化研究。

　　研究人员将多轴高速铣削与超声加工结合，以期进一步发挥各种制造原理与技术的物理优势。在弹塑性材料多轴高速铣削方面进行了一系列前期基础研究，发现多轴球铣刀具-工件接触区各量化指标随刀具倾角变化显著，提交论文并在“十三届切削与先进制造技术学术会议”（5月22-24日，2015，太原）进行了报告(Key Engineering Materials, 2016, 693:788-794.)。刀轴矢量控制是多轴加工中的关键问题，工艺优化是工程应用的桥梁，表面质量的倾角效应直接影响最终成型表面的性能。因此，研究人员针对性研究了倾角和铣削模式对表面质量的影响，并进行了初步工艺优化研究，提炼了理想的工艺条件，相关成果发表在制造类国际期刊（Int J Adv Manuf Tech, 2015, 77: 2035-2050.; Int J Adv Manuf Tech, 2016,DOI:10.1007/s00170-016- 9143-x.）。

　　针对石英玻璃、工程陶瓷等硬脆材料，研究人员进行了石英玻璃旋转超声端铣试验与有限元建模仿真，相关成果将发表在《工具技术》2017第1期；并且通过纳米压痕试验证实了石英玻璃材料在载荷激励后会产生弹性恢复及塑性变形现象（in press, Procedia Engineering, Elsevier）；分析了金刚石磨粒的空间运动轨迹变化及多轴条件下工艺参数对表面粗糙度和表面形貌的影响，结果表明：合理调控超声及工艺参数可在提高效率的前提下实现高质量表面加工，充分利用超声优势（in press, Procedia Engineering, Elsevier）；通过工艺复合创新，提出了一种高效精密激光预制微织构超声铣削工艺方法及加工系统功能结构的配置方式（发明专利201510263505.1）；针对含量为99%的氧化铝陶瓷，通过纳秒激光单点多脉冲工艺和环切法进行激光微织构预处理，发现单点多脉冲加工工艺易实现高效、较小残余压应力孔阵列微织构加工，加工质量依赖光斑质量，可通过优化环切法加工工艺参数改善凹坑质量，加工孔径可更大，同时易产生更大的残余压应力（in press, Procedia Engineering, Elsevier）。团队成员应邀参加了“2016年全国超声加工技术研讨会”（10月21-23日，2016，大连）及“13th Global Congress on Manufacturing and Management, GCMM 2016”（11月28-30日，2016，郑州），相关研究成果在会议上进行了主题口头报告，得到了国内外同行的关注。

　　上述工作得到了国家自然科学基金青年科学基金项目（51505468），宁波市自然科学基金（2015A610104），中国博士后科学基金面上项目（2015M571907）以及中国博士后科学基金第九批特别资助（2016T90555）的支持。

图1 仿真结果与铣削试验表面形貌特征对应区域应力集中现象

图2 石英玻璃材料纳米压痕载荷位移曲线

　　图3 旋转超声多轴铣削表面形貌随转速的变化

　　（tilt0°&lead20°, F=2000mm/min, ae=0.15mm, ap=0.03mm, UA percent=10%）

　　图4 氧化铝陶瓷纳秒激光预制微织构形貌特征

（先进制造所 陈晓晓，田传鑫，李德鑫）