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       摘要：旋转超声波加工（RUM）适用于脆硬材料的加工，如陶瓷、玻璃等。本研究利用RUM方法对聚晶立方氮化硼（PCBN）进行加工并研究其表面粗糙度；表面粗糙度对焊接工艺有重要影响，特别是对粘连能力的影响。实验制备了摩擦搅拌焊（FSW）工艺用的工具，用于机械性能增强型材料的焊接。工具的表面粗糙度如果过大，焊接材料就会粘附在工具上，无法完成焊接。本研究实验表明RUM方法适宜制备FSW工具，其表面粗糙度低至0.24μm。
       关键词：旋转超声波加工,PCBN,表面粗糙度,先进加工方法
1、引言
       聚晶立方氮化硼（PCBN）是一种硬度仅次于金刚石的超硬材料，在1500℃温度和5GPa压力下利用粉末冶金工艺制备而成。PCBN超高的硬度可以省去额外的加工处理，直接制备成最终成形工件。但在一些设备中，仍需要对PCBN进行加工；对此类硬质材料的加工就不能再利用传统加工方法，需要考虑先进加工工艺。不少研究者都将PCBN作为一种切削材料，而将其作为工件材料的研究则比较少；文献中关于对PCBN进行加工的研究也比较少。一些先进的加工方法有：激光束加工（LBM）、金刚石磨削和旋转超声波加工等。本研究则利用旋转超声波对PCBN进行加工。
       摩擦搅拌焊（FSW）工具就可以用到PCBN，FSW工艺利用特殊设计的顶针和肩形突出部构成的工件，通过旋转压入焊接材料界面，如图一所示。在焊接过程中，大部分机械能转化为热量。FSW工艺主要用于低热输入、低残余应力、高机械性能、安全、环保和无填充金属焊接应用。

       FSW工艺所用的焊接工具要有足够的韧性，稳定性好且耐磨，耐高温、抗氧化、热导率低；肩形突出部为凹形设计。工具制备因尺寸、形状各有不同：尺寸取决于焊接条厚度，形状取决于焊接材料。焊接工具的材料取决于焊接材料。由高速钢（HSS）制备而成的焊接工具可以用来焊接镁合金和铝合金等材料；但不能用于高强度材料如钛合金和不锈钢材料的焊接，否则工具钢的回火会导致顶针的损坏甚至整个焊接工具都会报废。因此，对于这些先进材料的焊接，PCBN不失为焊接工具材料的首选。实验利用RUM法采用FSW工艺对2mm厚的钢板进行PCBN工具（12mm直径）的焊接加工，并研究RUM是否适用于较低表面粗糙度的FSW工艺。

2、加工方法
       本实验采用旋转超声波加工（RUM），利用金刚石工具绕纵轴旋转并通过垂直方向上的超声频率发生振荡。一些加工系统利用了比超声频率更低的振动设备，但工作效率不如超声波系统。旋转运动和振动作用会引起表面发生微裂纹，但随着冷却液的使用，这些裂纹会随之导走。通过空化效应，冷却液也可以增强这种效果；因此，在工件-工具界面使用适当的冷却液是必要的。这种工艺的优势有：切削力低、产生热量少、工件不受化学反应影响、工具寿命增强、机械表面性能改善。实验利用ULTRASONIC 20线型旋转超声波铣床，可连续五轴加工操作，可用于超声辅助加工。所用超声铣刀直径为24mm，利用CAD软件和NC程序建立一个3D工件模型。

图三：摩擦搅拌焊接用工具示意图

       主轴速度为8000rpm，进给速度为300mm.min-1，切削深度为0.003mm，振荡频率为21.6kHz，震荡幅度为6μm。利用共聚焦显微镜观测到的表面粗糙度对加工面的表面质量进行评估。
4、结果
       利用共聚焦显微镜获取加工表面的形貌，如图四所示。左图为3D展示，中间红线为2D粗糙度评估截面，如右图所示。

       表二为求得的9个2D表面参数和9个3D表面参数

表二：PCBN表面粗糙度

       下一步实验中，我们将对残余应力和硬度变化进行评估求值，并将得到结果和其他工艺的实验结果进行对比，如LBM加工。
结论
       旋转超声波工艺在加工FSW工艺用PCBN材料的焊接工具时可以实现较低的表面粗糙度（Ra0.24μm）。RUM加工后的表面没有突起，这是由于切割深度比工具振荡幅度低所致。一般情况下，RUM用工具的寿命都比较长（加工常用材料），但在加工PCBN这类硬质材料时，工具磨损就比较明显；加工面的表面粗糙度较低。表面粗糙度对FSW工艺的影响将在下一步研究中进行。（编译：中国超硬材料网）