摘要：旋轉(zhuǎn)超聲波加工（RUM）適用于脆硬材料的加工，如陶瓷、玻璃等。本研究利用RUM方法對(duì)聚晶立方氮化硼（PCBN）進(jìn)行加工并研究其表面粗糙度；表面粗糙度對(duì)焊接工藝有重要影響，特別是對(duì)粘連能力的影響。實(shí)驗(yàn)制備了摩擦攪拌焊（FSW）工藝用的工具，用于機(jī)械性能增強(qiáng)型材料的焊接。工具的表面粗糙度如果過大，焊接材料就會(huì)粘附在工具上，無法完成焊接。本研究實(shí)驗(yàn)表明RUM方法適宜制備FSW工具，其表面粗糙度低至0.24μm。
       關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)超聲波加工,PCBN,表面粗糙度,先進(jìn)加工方法
1、引言
       聚晶立方氮化硼（PCBN）是一種硬度僅次于金剛石的超硬材料，在1500℃溫度和5GPa壓力下利用粉末冶金工藝制備而成。PCBN超高的硬度可以省去額外的加工處理，直接制備成最終成形工件。但在一些設(shè)備中，仍需要對(duì)PCBN進(jìn)行加工；對(duì)此類硬質(zhì)材料的加工就不能再利用傳統(tǒng)加工方法，需要考慮先進(jìn)加工工藝。不少研究者都將PCBN作為一種切削材料，而將其作為工件材料的研究則比較少；文獻(xiàn)中關(guān)于對(duì)PCBN進(jìn)行加工的研究也比較少。一些先進(jìn)的加工方法有：激光束加工（LBM）、金剛石磨削和旋轉(zhuǎn)超聲波加工等。本研究則利用旋轉(zhuǎn)超聲波對(duì)PCBN進(jìn)行加工。
       摩擦攪拌焊（FSW）工具就可以用到PCBN，F(xiàn)SW工藝?yán)锰厥庠O(shè)計(jì)的頂針和肩形突出部構(gòu)成的工件，通過旋轉(zhuǎn)壓入焊接材料界面，如圖一所示。在焊接過程中，大部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱量。FSW工藝主要用于低熱輸入、低殘余應(yīng)力、高機(jī)械性能、安全、環(huán)保和無填充金屬焊接應(yīng)用。

       FSW工藝所用的焊接工具要有足夠的韌性，穩(wěn)定性好且耐磨，耐高溫、抗氧化、熱導(dǎo)率低；肩形突出部為凹形設(shè)計(jì)。工具制備因尺寸、形狀各有不同：尺寸取決于焊接條厚度，形狀取決于焊接材料。焊接工具的材料取決于焊接材料。由高速鋼（HSS）制備而成的焊接工具可以用來焊接鎂合金和鋁合金等材料；但不能用于高強(qiáng)度材料如鈦合金和不銹鋼材料的焊接，否則工具鋼的回火會(huì)導(dǎo)致頂針的損壞甚至整個(gè)焊接工具都會(huì)報(bào)廢。因此，對(duì)于這些先進(jìn)材料的焊接，PCBN不失為焊接工具材料的首選。實(shí)驗(yàn)利用RUM法采用FSW工藝對(duì)2mm厚的鋼板進(jìn)行PCBN工具（12mm直徑）的焊接加工，并研究RUM是否適用于較低表面粗糙度的FSW工藝。

2、加工方法
       本實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)超聲波加工（RUM），利用金剛石工具繞縱軸旋轉(zhuǎn)并通過垂直方向上的超聲頻率發(fā)生振蕩。一些加工系統(tǒng)利用了比超聲頻率更低的振動(dòng)設(shè)備，但工作效率不如超聲波系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)作用會(huì)引起表面發(fā)生微裂紋，但隨著冷卻液的使用，這些裂紋會(huì)隨之導(dǎo)走。通過空化效應(yīng)，冷卻液也可以增強(qiáng)這種效果；因此，在工件-工具界面使用適當(dāng)?shù)睦鋮s液是必要的。這種工藝的優(yōu)勢(shì)有：切削力低、產(chǎn)生熱量少、工件不受化學(xué)反應(yīng)影響、工具壽命增強(qiáng)、機(jī)械表面性能改善。實(shí)驗(yàn)利用ULTRASONIC 20線型旋轉(zhuǎn)超聲波銑床，可連續(xù)五軸加工操作，可用于超聲輔助加工。所用超聲銑刀直徑為24mm，利用CAD軟件和NC程序建立一個(gè)3D工件模型。

圖三：摩擦攪拌焊接用工具示意圖

       主軸速度為8000rpm，進(jìn)給速度為300mm.min-1，切削深度為0.003mm，振蕩頻率為21.6kHz，震蕩幅度為6μm。利用共聚焦顯微鏡觀測(cè)到的表面粗糙度對(duì)加工面的表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。
4、結(jié)果
       利用共聚焦顯微鏡獲取加工表面的形貌，如圖四所示。左圖為3D展示，中間紅線為2D粗糙度評(píng)估截面，如右圖所示。

       表二為求得的9個(gè)2D表面參數(shù)和9個(gè)3D表面參數(shù)

表二：PCBN表面粗糙度

       下一步實(shí)驗(yàn)中，我們將對(duì)殘余應(yīng)力和硬度變化進(jìn)行評(píng)估求值，并將得到結(jié)果和其他工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如LBM加工。
結(jié)論
       旋轉(zhuǎn)超聲波工藝在加工FSW工藝用PCBN材料的焊接工具時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較低的表面粗糙度（Ra0.24μm）。RUM加工后的表面沒有突起，這是由于切割深度比工具振蕩幅度低所致。一般情況下，RUM用工具的壽命都比較長（加工常用材料），但在加工PCBN這類硬質(zhì)材料時(shí)，工具磨損就比較明顯；加工面的表面粗糙度較低。表面粗糙度對(duì)FSW工藝的影響將在下一步研究中進(jìn)行。（編譯：中國超硬材料網(wǎng)）