隨著工業技術的發展，硬脆材料在航空航天、汽車、模具、光學以及半導體等領域展現出廣闊的應用前景。光學玻璃常被用來制作偵查衛星照相機鏡頭、隱形雷達探照鏡、高速飛行器窗口、天文望遠鏡的大型反射鏡以及激光發射裝置中的光學透鏡、棱鏡等。硬脆材料光學元件常規切削加工非常困難，通常通過超精密研磨、拋光及超精密磨削加工獲得，但該方式加工時間長，加工成本較高，需尋求一種若干能量場融合的先進復合加工工藝來解決這一加工難題。超聲加工作為20世紀初發展并開始應用于工業領域的一種非常有效的特種加工方法，可減小切削力和切削溫度，減小刀具磨損，提高加工質量，拓展可加工材料范圍，是硬脆性先進材料加工的有效方法之一，特別適合加工玻璃、陶瓷、石英、金剛石以及硅等各種硬脆材料。旋轉超聲加工是目前超聲輔助加工領域的關鍵工藝，是硬脆材料加工的有效方法之一。復雜型面在現代產品中的設計應用及加工要求日趨增多，對復雜零部件的加工能力提出了更高的要求。目前，關于光學硬脆材料復雜幾何特征超聲輔助銑削工藝研究比較缺乏。 

寧波材料所所屬先進制造技術研究所激光與智能能量場制造團隊在旋轉超聲加工領域進行了一定的積累并取得新的進展，針對K9光學玻璃材料，加工了各類型腔、表面、孔、薄壁以及復雜曲面等特征。 
 

　　
圖1. 三軸旋轉超聲銑削加工孔/凸臺/型腔等特征

課題組成員自行搭建了三軸聯動超聲輔助加工系統，超聲振動頻率可達19000Hz以上。在該自主搭建的超聲輔助加工系統上進行的部分孔、凸臺、型腔等特征加工試驗（圖1），發現：使用合理的工藝參數，采用空間螺旋插補進刀及超聲輔助三坐標聯動空間螺旋銑削K9光學玻璃產生的孔特征邊緣無崩邊，孔壁及孔底質量均比較理想；帶超聲或無超聲加工相同特征效果會有差別，如無超聲輔助三角形型腔銑削后，加工底面會有較明顯的刀痕：不同工藝參數對加工效果影響顯著，如采用較大的切削深度時，銑削的方形或圓形型腔外邊特征會出現崩邊等缺陷特征；而采用合適的切削深度和走刀策略會產生理想的加工特征，如右側的曲面側壁型腔。 

DMG ultrosonic 80 eVo linear超聲輔助五軸聯動加工機床（圖2）加工的平面、傾斜面、孔、環以及薄壁等特征（圖3）。該DMG加工系統最大轉速18000r/min，X、Y、Z行程分別為850mm、650mm、550mm。使用超聲刀柄，可自動搜頻，同時，可手動調整頻率與振幅。所加工的特征中，傾斜平面與Z軸夾角45°，并在斜面上銑削加工了直徑8mm的孔特征，在圓形凸臺內加工出1mm圓環薄壁。使用直徑6mm中空金剛石電鑄刀具加工平面薄壁特征時，進給速度為600mm/min，主軸轉速為5500r/min，切寬2.4mm，切深0.03mm，最小薄壁厚度達0.3mm，取得了理想的加工效果。 　　  

　　
圖2. DMG ultrosonic 80 eVo linear超聲輔助五軸聯動加工系統 

　圖3.多軸旋轉超聲銑削加工的傾斜表面/孔/凸臺/薄壁等特征 

圖4.旋轉超聲銑削加工的復雜曲面 

圖5. 局部加工區域檢測結果（200X） 　　  

前期的旋轉超聲加工試驗為該復合加工工藝的應用奠定了一定的工藝基礎。團隊已具備復雜幾何特征光學硬脆材料的加工能力，打通了CAD、CAM、計算機虛擬加工仿真、后處理以及零部件或模具產品實際加工等整條加工技術鏈，可為復雜幾何特征零部件的高性能加工提供堅實的技術支持。 

目前，正在進一步進行科學機理與工藝規律的研究。在機理研究與工藝規律探索方面的推進，將為旋轉超聲加工性能的改善及加工效果的大幅提升提供強有力的支撐。 

在DMG系統上旋轉超聲銑削加工的復雜曲面CAD模型、CAM刀軌及加工效果（圖4），光學玻璃復雜曲面加工效果理想。加工區域A1（圖5）局部形貌檢測結果，檢測區域的表面粗糙度Ra大約0.65μm。