摘要：旋轉超聲波加工（RUM）適用于脆硬材料的加工，如陶瓷、玻璃等。本研究利用RUM方法對聚晶立方氮化硼（PCBN）進行加工并研究其表面粗糙度；表面粗糙度對焊接工藝有重要影響，特別是對粘連能力的影響。實驗制備了摩擦攪拌焊（FSW）工藝用的工具，用于機械性能增強型材料的焊接。工具的表面粗糙度如果過大，焊接材料就會粘附在工具上，無法完成焊接。本研究實驗表明RUM方法適宜制備FSW工具，其表面粗糙度低至0.24μm。
       關鍵詞：旋轉超聲波加工,PCBN,表面粗糙度,先進加工方法
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。但在一些設備中，仍需要對PCBN進行加工；對此類硬質材料的加工就不能再利用傳統加工方法，需要考慮先進加工工藝。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；文獻中關于對PCBN進行加工的研究也比較少。一些先進的加工方法有：激光束加工（LBM）、金剛石磨削和旋轉超聲波加工等。本研究則利用旋轉超聲波對PCBN進行加工。
       摩擦攪拌焊（FSW）工具就可以用到PCBN，FSW工藝利用特殊設計的頂針和肩形突出部構成的工件，通過旋轉壓入焊接材料界面，如圖一所示。在焊接過程中，大部分機械能轉化為熱量。FSW工藝主要用于低熱輸入、低殘余應力、高機械性能、安全、環保和無填充金屬焊接應用。

       FSW工藝所用的焊接工具要有足夠的韌性，穩定性好且耐磨，耐高溫、抗氧化、熱導率低；肩形突出部為凹形設計。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導致頂針的損壞甚至整個焊接工具都會報廢。因此，對于這些先進材料的焊接，PCBN不失為焊接工具材料的首選。實驗利用RUM法采用FSW工藝對2mm厚的鋼板進行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
       本實驗采用旋轉超聲波加工（RUM），利用金剛石工具繞縱軸旋轉并通過垂直方向上的超聲頻率發生振蕩。一些加工系統利用了比超聲頻率更低的振動設備，但工作效率不如超聲波系統。旋轉運動和振動作用會引起表面發生微裂紋，但隨著冷卻液的使用，這些裂紋會隨之導走。通過空化效應，冷卻液也可以增強這種效果；因此，在工件-工具界面使用適當的冷卻液是必要的。這種工藝的優勢有：切削力低、產生熱量少、工件不受化學反應影響、工具壽命增強、機械表面性能改善。實驗利用ULTRASONIC 20線型旋轉超聲波銑床，可連續五軸加工操作，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到的表面粗糙度對加工面的表面質量進行評估。
4、結果
       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粗糙度評估截面，如右圖所示。

       表二為求得的9個2D表面參數和9個3D表面參數

表二：PCBN表面粗糙度

       下一步實驗中，我們將對殘余應力和硬度變化進行評估求值，并將得到結果和其他工藝的實驗結果進行對比，如LBM加工。
結論
       旋轉超聲波工藝在加工FSW工藝用PCBN材料的焊接工具時可以實現較低的表面粗糙度（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這類硬質材料時，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FSW工藝的影響將在下一步研究中進行。（編譯：中國超硬材料網）