超聲加工

二維超聲技工技術

隨著難加工材料精度要求的提高，特別是航空 航天零件，一維超聲加工已經明顯不能滿足生產的需要，二維超聲振動加工應運而生了。超聲波橢圓振動切削已受到國際學術界和企業界的重視，美國、英國、德國和新加波等國的大學以及國內的北京航空航天大學和上海交通大學已開始這方面的研究工作。日本企業界（如日立、多賀和 Towa 公司等）已開始這方面的實用化研究。 Chandra Nath 等人研究硬質合金刀尖圓弧半徑在超聲橢圓振動切削下的影響中，闡述了刀具的幾何形狀，特別是刀具的圓弧半徑對一維超聲振動切削性能的影響。利用實驗表明了刀具圓弧半徑在 0.6mm 或更低（例如0.2mm 或 0.4mm）和更高的圓弧半徑（例如 0.8mm）下，超聲橢圓振動切削在各個方面明顯表現更好。N.Suzuki 等人利用超聲橢圓振動切削鎢合金模具的光學玻璃零件中表明，由於傳統振動切削不能獲得更準確的精度，主要是因為刀具的快速磨損，脆性材料的破裂及黏糊在刀具上。而超聲橢圓切削能獲得更實用的超精密模具，成功應用於玻璃的成型。我國設計出高頻超聲橢圓振動精密切削，其相對一般的橢圓振動和普通低頻超聲振動具有減低切削力、提高加工精度的效果，並且可採用更高切削速度，從而可以提高工作效率。但是，超聲波橢圓振動切削在理論和應用方面還有許多工作要做。尤其是對硬脆性材料的超精密切削加工、微細部位和微細模具的超精密切削加工等方面還需要進一步深入研究。 

超聲振動切削技術

長春汽車工業高等專科學校採用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠生產的一直齒齒輪的滾齒加工進行了工藝實驗,通過生產現場各種工藝參數實驗及小批量試生產,收到了令人滿意的效果,具有較好的發展前景。 

北京裝甲兵技術學院提出了一種超聲微振車削的新工藝。其特點是功率小(50 W)、振幅小(2~5μm),同樣可獲得一般振動車削的效果。 

超聲振動切削的應用也日趨廣泛，對其的研究主要應從幾個方面進行：

（1）研製和採用新的刀具材料； 

（2）研製和採用高效的振動切削系統；

（3）對振動切削機理深入研究； 

（4）超聲橢圓振動切削的研究與推廣； 

（5）超聲銑削加工技術。 

微細超聲加工

微細超聲加工在原理上與常規的超聲加工相似，是通過減小工具直徑、磨料粒度和超聲振幅來實現。以微機械為代表的微細製造是現代製造技術中的一個重要組成部分，晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在微機械中的廣泛應用，使脆硬材料的高精度三維微細加工技術成為世界各國製造業的一個重要研究課題。超聲加工與電火花加工、電解加工、激光加工等技術相比，既不依賴於材料的導電性又沒有熱物理作用，與光刻加工相比又可加工高深寬比三維形狀，這決定了超聲加工技術在陶瓷、半導體硅等非金屬硬脆材料加工方面有著得天獨厚的優勢。 

數控超聲加工

當前，製造業現代化水平不斷提高，機床向數控方向不斷發展，而我國製造行業和企業的生產加工裝備絕大多數仍是傳統的機床，比如車床、銑床、磨床、鑽床、鏜床等，其刀具相對工件作直線運動，使得其加工精度遠遠不能滿足需求，直接影響企業的生存和發展。將超聲加工技術應用到數控機床上，使得刀具相對工件作不規則運動，使工件精度得以進一步提高。

超聲波加工塑性材料用剛玉磨料，脆性材料用碳化硅磨料，加工硬質合金用碳化硼磨料，加工金剛石則用金剛石粉磨料。

利用作超聲頻小振幅振動的工具，並通過它與工件之間遊離於液體中的磨料對被加工表面的捶擊作用，使工件材料表面逐步破碎的特種加工,英文簡稱為USM。超聲加工可用於穿孔、切割、焊接（見超聲波焊）、套料和拋光。

1927年美國物理學家R.W.伍德和A.L.盧米斯最早作了超聲加工試驗，利用強烈的超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鑽孔，但當時並未應用在工業上。1951年，美國的A.S.科恩製成第一台實用的超聲加工機。50年代中期，日本、蘇聯將超聲加工與電加工（如電火花加工和電解加工等）、切削加工（如磨削和車削等）結合起來，開闢了複合加工的領域。這種複合加工的方法能改善電加工或金屬切削加工的條件，提高加工效率和質量。1964年，英國又提出使用燒結或電鍍金剛石工具的超聲旋轉加工的方法，克服了一般超聲加工深孔時加工速度低和精度差的缺點。

超聲技術在工業中的應用開始於20世紀10～20年代，它是以經典聲學理論為基礎，同時結合電子技術、計量技術、機械振動和材料學等學科領域的成就發展起來的一門綜合技術。超聲技術的應用可劃分為功率超聲和檢測超聲兩大領域。其中，功率超聲是利用超聲振動形成的能量使物質的一些物理、化學和生物特性或狀態發生改變，或者使這種狀態改變加快的一門技術。功率超聲在機械加工方面的應用，按其加工工藝特徵大致分為2類，一類是帶磨料的超聲磨料加工（包括遊離磨料和固結磨料），另一類是採用切削刀具與其他加工方法相結合形成的超聲複合加工。

1927年，美國物理學家伍德和盧米斯最早作了超聲加工試驗，利用超聲振動對玻璃板進行雕刻和快速鑽孔。但當時超聲加工並未應用到工業上，直到大約1940年在文獻上第一次出現超聲加工（USM－Ultrasonic Machining）工藝技術描述以後，超聲加工才吸引了大家的注意，並且逐漸融入到其他的工業領域。1951年，科恩研製了第一台實用的超聲加工機，為超聲加工技術的發展奠定了基礎。

USM提供了比常規機械加工技術更多的優點。例如，導電和非導電材料它都可以加工，並且加工複雜的三維輪廓也可以像簡單形狀那樣快速。此外，超聲加工過程不會產生有害的熱區域，同時也不會在工件表面帶來化學/電氣變化，而且加工時在工件表面上所產生的有壓縮力的殘餘應力可以增加被加工零件的高周期性疲勞強度。

然而，在USM中必須供給磨料工作液，並且要保證加工過程中能有效清除刀具和工件間隙中的切屑和磨損磨粒。因此，材料的去除速率相當慢，甚至於在切削深度較大時會停止工作。而且，在磨粒及切屑混合液的流通過程中，對已加工表面或者孔壁會造成二次磨蝕，導致工件加工精度的降低，尤其是小孔加工。此外，磨料工作液還會磨蝕刀具本身，它將引起刀具端面及徑向的大量磨損，從而很難保證加工精度。

為了克服這些問題，P. Legge提出採用固結金剛石刀具，結合工件的旋轉進行孔加工的方法，形成了最初的旋轉超聲加工。這種加工方法克服了普通超聲加工中遊離超硬磨料液在刀具和工件之間流通不暢，以及磨料對加工刀具和加工孔壁的磨蝕等問題，同時使加工精度和材料的去除率得到了顯著提高。後來研製了一種具有旋轉超聲振動系統的超聲加工機床，固結式金剛石刀具以一定的靜壓力作用到工件材料上，並以一定振幅作軸向超聲頻振動，同時還作相對於工件的高速旋轉運動，並且冷卻液不斷地被輸送到刀具和工件表面之間，這種方法已被證實是一種高效低成本的硬脆性材料加工方法。

超聲加工技術的發展迅速，在超聲振動系統、深小孔加工、拉絲模及型腔模具研磨拋光、超聲複合加工領域均有較廣泛的研究和應用，尤其是在難加工材料領域解決了許多關鍵性的工藝問題，取得了良好的效果。

1、超聲振動系統的研究進展及其應用

超聲振動系統由換能器、變幅桿和工具頭等部分組成，是超聲設備的核心部分。在傳統應用中，超聲振動系統大都採用一維縱向振動方式，並按“全調諧”方式工作。但近年來，隨著超聲技術基礎研究的進展和在不同領域實際應用的特殊需要，對振動系統的工作方式和設計計算、振動方式及其應用研究都取得了新的進展。

日本研究成功一種半波長彎曲振動系統，其切削刀具安裝在半波長換能振動系統細端，該振動系統換能器的壓電陶瓷片採用半圓形，上下各兩片，組成上下兩個半圓形壓電換能器(壓電振子)，其特點是小型化，結構簡單，剛性增強。

日本還研製成一種新型“縱-彎”型振動系統，並已在手持式超聲複合振動研磨機上成功應用。該系統壓電換能器也採用半圓形壓電陶瓷片產生“縱-彎”型複合振動。

日本金澤工業學院的研究人員研製了加工硬脆材料的超聲低頻振動組合鑽孔系統。將金剛石中心鑽的超聲振動與工件的低頻振動相結合，製造了一台組合振動鑽孔設備，該設備能檢測鑽孔力的變化以及鑽孔精度和孔的表面質量，並用該組合設備在不同的振動條件下進行了一系列實驗。實驗結果表明，將金剛石中心鑽的超聲振動與工件的低頻振動相結合是加工硬脆材料的一種有效方法。

東南大學研製了一種新型超聲振動切削系統。該系統採用壓電換能器，由超聲波發生器、匹配電路、級聯壓電晶體、諧振刀桿、支承調節機構及刀具等部分組成。當發生器輸出超聲電壓時，它將使級聯晶體產生超聲機械伸縮，直接驅動諧振刀桿實現超聲振動。該裝置的特點是：能量傳遞環節少，能量泄漏減小，機電轉換效率高達90%左右，而且結構簡單、體積小，便於操作。

瀋陽航空工業學院建立了鏜孔用超聲扭轉振動系統，採用磁致伸縮換能器，將超聲波發生器在扭轉變幅桿的切向作縱向振動時在扭振變幅桿的小端就輸出沿圓周方向的扭轉振動，鏜刀與扭振變幅桿之間採用莫氏錐及螺紋連接，輸出功率小於500W，頻率為16～23 kH z，具有頻率自動跟蹤性能。

西北工業大學設計了一種可在內圓磨床上加工硬脆材料的超聲振動磨削裝置。該裝置由超聲振動系統、冷卻循環系統、磨床連接系統和超聲波發生器等組成，其超聲換能器採用縱向複合式換能器結構，冷卻循環系統中使用磨削液作為冷卻液；磨床連接系統由輔助支承、制動機構和內圓磨床連接桿等組成。該磨削裝置工具頭旋轉精度由內圓磨床主軸精度保證，結構比專用超聲波磨床的主軸系統要簡單得多，因此成本低廉，適合於在生產中應用。

另一種超聲扭轉振動系統已在“加工中心”用超聲扭轉振動裝置上應用。主要用作電火花加工后的模具異形(如三角形、多邊形)孔和槽底部尖角研磨拋光，以及非導電材料異形孔加工。該振動系統的換能器是採用按圓周方向極化的8塊扇形壓電陶瓷片構成，產生扭轉振動。2 、超聲加工技術應用研究

2.1 深小孔加工

眾所周知，在相同的要求及加工條件下，加工孔比加工軸要複雜得多。一般來說，孔加工工具的長度總是大於孔的直徑，在切削力的作用下易產生變形，從而影響加工質量和加工效率。特別是對難加工材料的深孔鑽削來說，會出現很多問題。例如，切削液很難進入切削區，造成切削溫度高；刀刃磨損快，產生積屑瘤，使排屑困難，切削力增大等。其結果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具壽命短。採用超聲加工則可有效解決上述問題。

前蘇聯在20世紀60年代就生產出帶磨料的超聲波鑽孔機床。在美國，利用工具旋轉同時作軸向振動進行孔加工已取得了較好的效果。日本已經製成新型UMT-7三坐標數控超聲旋轉加工機，功率450 W，工作頻率20 kHz，可在玻璃上加工孔徑1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圓度可達0.005 mm，圓柱度為0.02 mm。英國申請了電火花超聲複合穿孔的專利，該裝置主要用於加工在導電基上有非導電層的零件，如在金屬基上塗有壓電陶瓷層的零件。整個加工過程分兩個階段進行：首先用超聲振動將非導電層去除掉，當感測器感知金屬層出現時，即改用電加工或電火花與超聲複合的方法進行加工。該裝置有效地解決了具有導電層和非導電層零件孔的加工問題。

1996年，日本東京大學在超聲加工機床上，利用電火花線切割加工工藝在線加工出微細工具，並成功地利用超聲加工技術在石英玻璃上加工出直徑為φ15μm的微孔。1998年又成功地加工出直徑為φ5μm的微孔。

湘潭大學進行了內圓表面的超聲光整強化研究。該方法是在鑽孔后對孔進行精加工處理，通過機械——超聲強化處理，在普通機床上達到精鉸、研磨的精度，可實現機械化。初步實驗結果表明，該方法加工效果顯著，表面粗糙度值可大大降低，內圓表面形成有益的殘餘壓應力，有較高的顯微硬度，提高了工件的耐用度，同時內圓表面呈網狀紋絡，特別適合像軸瓦等表面貯油工件的精加工，並可大大降低生產成本。

哈爾濱工業大學研究了Ti合金深小孔的超聲電火花複合加工。該工藝將超聲振動引入到精密電火花加工中，通過研究超聲振動對電火花精加工過程的影響，開發出了一種將超聲和電火花結合在一起的新型4軸電火花加工裝置。實驗研究表明，應用該裝置可以在Ti合金上加工出φ<0.2 mm、且深徑比>15的深小孔。

兵器工業五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法——超聲振動磨削，進行了超聲振動磨削和普通磨削陶瓷深孔的對比實驗。結果表明，超聲振動磨削可明顯提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削產生的表面裂紋和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。

2.2 拉絲模及型腔模具研磨拋光

聚晶金剛石拉絲模超聲研磨拋光技術在國內外已獲得廣泛應用，新的超聲研磨拋光方法和設備已出現。北京市電加工研究所提出的“超硬工具材料電火花超聲波複合拋光方法”，其特點是：採用超聲頻信號調製高頻電火花脈衝電源與超聲加工複合進行聚晶金剛石拉絲模研磨拋光。該技術已獲得國家專利，並在生產中獲得應用。

台灣的H.Hocheng等人對模具鋼的超聲拋光進行了基礎性研究，研製了一套高效的超聲拋光系統，應用該系統對模具鋼進行了拋光試驗，研究結果表明此系統大大提高了模具鋼的拋光質量。

日本研製的UMA-1型數控超聲研磨機，其研磨時間在1～999 s範圍內可任意設定；頻率自動跟蹤；研磨鋼針夾持可靠，發熱少，鋼針磨耗能自動修整；鋼針以固定速度進給，具有研磨時間短、精度高的優點。

浙江大學進行了超聲波-電化學複合研磨硬質合金拉絲模的實驗研究。

吉林大學對機器人超聲-電火花複合加工模具曲面進行了研究，結果證明該方法可改善加工質量，模具曲面精加工效率提高4倍以上。

哈爾濱工業大學針對目前模具光整加工難以實現高精度、高效率加工的實際問題，將電解加工、機械研磨及超聲加工相複合，提出了一種新型的光整加工方法——電化學超精密研磨技術，開發研製了一種數控展成超精密光整加工的新工藝及設備。通過對模具型腔高效鏡面加工的實驗，表明選配適當工藝參數進行光整加工，可以獲得表面粗糙度Ra0.025μm的鏡面，效率較普通研磨提高10倍以上，較電解研磨提高1倍以上。2.3 難加工材料的超聲加工

金屬和非金屬硬脆材料的使用越來越廣泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨損、耐高溫、化學穩定性好、不易氧化、腐蝕等優點。然而，由於工程陶瓷等難加工材料具有極高的硬度和脆性，其成形加工十分困難，特別是成形孔的加工尤為困難，嚴重阻礙了應用推廣。因此，國內外許多學者展開了對難加工材料加工方法的研究，其中以超聲加工較多。

英國阿伯丁大學國王學院研究了超聲鑽削難加工材料時工藝參數對材料去除率的影響，建立了間斷性衝擊過程的非線性模型，對衝擊力的特性進行了研究，提出了一種新的材料去除率的計算方法，這種方法首次解釋了材料去除率在較高的靜態力作用下減小的原因。

美國內布拉斯加大學和內華達大學對Al2O3陶瓷材料微去除量精密超聲加工技術進行了研究。通過模擬陶瓷材料超聲加工的力學特性對材料去除機制進行分析，研究發現，低衝擊力會引起陶瓷材料結構的變化和晶粒的錯位，而高衝擊力會導致中心裂紋和凹痕。美國內布拉斯加大學還第一次分析了Al2O3陶瓷精密超聲加工的機理、過程動力學以及發展趨勢，並詳細討論了超聲技術在陶瓷加工方面的應用情況。

巴西的研究人員對石英晶體的超聲研磨技術進行了研究，發現石英晶體的材料去除率取決於晶體的晶向，研磨晶粒的尺寸影響材料去除率和表面粗糙度。研究指出，加工過程中材料產生微裂紋是材料去除的主要原因。

美國堪薩斯州立大學提出了一種超聲旋轉加工陶瓷材料去除率模型的計算方法，並將其應用到氧化鋯陶瓷的加工中，確定了材料去除率和加工參數之間的關係，該研究大大推動了陶瓷材料旋轉加工技術的發展。

山東大學研究開發了工程陶瓷小孔的超聲振動脈衝放電加工技術，工具電極的超聲振動引起脈衝放電，從而代替了傳統電火花加工的專用脈衝發生器。另外，工具電極的超聲振動還可以起到清洗縫隙的作用，並採用該技術對Al2O3/(W，Ti)C、Al 2O3/Ti B2、Al2O3/TiB2/SiCw3種Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔進行加工，研究了其加工機理和加工參數對不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影響規律。結果表明，該複合加工技術有效地結合了超聲加工和放電加工的特點，能高效、高質量地加工陶瓷材料。

山東大學還利用超聲加工技術對大理石的孔加工進行了研究，並與陶瓷材料進行了對比研究。結果表明，材料去除率與大理石的力學性能有關，在同樣的加工條件下，材料的強度和斷裂韌性越高，其去除率越低，加工精度越高。

天津理工學院對大理石超聲精密雕刻技術進行了研究，開發了大理石超聲精雕系統。該系統解決了大理石雕刻中微小異形表面高效精加工的難題，使大理石精雕質量和水平跨上了新台階。

同濟大學對超聲加工建築玻璃小孔的實驗進行了研究，探討了工具振動的振幅、頻率、工件材料、進給壓力、工作介質等主要加工參數對材料去除率的影響規律。結果表明，超聲加工建築玻璃小孔的精度、表面質量均可滿足建築安裝、裝潢的要求。該研究對其他玻璃材料的加工具有一定參考價值。

北京航空航天大學和哈爾濱工業大學將超聲振動引入普通聚晶金剛石(PCD)的研磨加工，顯著地提高了研磨效率，並在分析PCD材料的微觀結構和去除機理的基礎上，對PCD超聲振動研磨機理進行了深入研究。研究指出，研磨軌跡的增長和超聲振動脈衝力的作用是提高研磨效率的根本原因。

淮海工學院對燒結永磁體材料超聲振動加工過程中的材料去除機理進行了理論研究。該研究指出，磨料顆粒的尺寸與加工效率有密切的關係，對實際生產具有一定的指導作用。

瀋陽工業學院研究了採用電鍍金剛石工具頭對瑪瑙進行鑽孔的可行性以及加工參數與材料去除率的關係。研究表明，該方法不僅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同時，藉助於SEM分析了該方法加工瑪瑙的材料去除機理。2.4 超聲振動切削

超聲振動切削作為新興的特種加工技術，引起了國內外專家學者的廣泛興趣和極大關注。最早對振動切削進行比較系統的研究、可以稱為振動切削理論與應用技術奠基人的是日本學者隈部淳一郎。他在20世紀50～60年代發表了許多振動切削方面的論文，系統地提出了振動切削理論，並成功地實現了振動車削、振動銑削、振動鏜削、振動刨削、振動磨削等。隨後美國也對振動切削進行研究，到20世紀70年代中葉，振動車削、振動鑽孔、振動磨削、光整加工等均已達到實用階段，超聲加工在難加工材料和高精度零件的加工方面顯示了很大的優越性，取得了一系列研究成果，並在生產中得到推廣應用。

俄羅斯科學院和英國拉伯運大學對超聲振動切削的非線性過程進行了深入研究，利用流變模型對超聲振動切削實驗結果進行了理論解釋。通過對超聲切削的動力學研究，得到了振動工具的非線性振幅特性曲線，並討論了超聲振動切削的優越性及其應用領域。

日本工業大學提出了採用稍低頻率(3 000～5 000 Hz)的振動切削方法，並用於切削纖維型材料(如金屬短纖維)。另外，美國、英國、德國和新加坡等國的大學以及日本企業界如日立、多賀和Towa公司等還進行了超聲橢圓振動切削的研究。

中國對振動切削的研究起步稍晚。自廣西大學、南京電影機械廠和南京刃具廠聯合開發了我國第一台“CZQ—250A型超聲波振動切削系統”之後，許多大專院校、科研院所和工廠都開展了對振動切削的研究，取得了很多重要成果。研究內容從振動切削實驗到實際工藝應用，從振動切削實驗系統設計到對振動切削機理，範圍較廣泛，內容較深入。

山東大學對工程陶瓷的超聲振動鑽削加工進行了深入的研究，探討了超聲振動鑽削中各項工藝參數對加工效果的影響，並從理論上分析了超聲振動鑽削時的材料去除機理。

東南大學在研究超聲振動切削的刀具振動規律時得出：刀具與切削的分離作用是振動切削最根本的特點，正是這一特點才使得刀尖每次能以極大的加速度衝擊工件進行切割。

上海交通大學對超聲橢圓振動切削技術進行了研究，闡述了超聲波橢圓振動切削原理和刀具橢圓振動系統，分析了超聲波橢圓振動切削運動特性，介紹了超聲波橢圓振動切削的實際切削效果。

兵器工業五二研究所進行了超聲振動車削與普通車削、磨削加工陶瓷材料的對比試驗研究。研究結果表明，振動車削可明顯地提高陶瓷加工表面的質量，有效地消除普通車削、磨削中形成的表面微裂紋，因此是陶瓷精密加工的一種新方法。

長春汽車工業高等專科學校採用超聲振動切削方法對一汽變速箱廠生產的一直齒齒輪的滾齒加工進行了工藝實驗，通過生產現場各種工藝參數實驗及小批量試生產，收到了令人滿意的效果，具有較好的發展前景。

北京裝甲兵技術學院提出了一種超聲微振車削的新工藝。其特點是功率小(50 W)、振幅小(2～5μm)，同樣可獲得一般振動車削的效果。

2.5 超聲複合加工

將超聲加工與其他加工工藝組合起來的加工模式，稱為超聲複合加工。超聲複合加工，強化了原加工過程，使加工的速度明顯提高，加工質量也得到不同程度的改善，實現了低耗高效的目標。

羅馬尼亞的學者對工具電極在振動力作用下的電火花加工進行了研究，建立了電極在外力振動情形下的數學模型，該外力來源於放電區的氣化和空化作用所形成的放電間隙中壓力波的變動，通過這種振動提高了材料的去除率及加工過程的穩定性。該研究直接預示超聲-電火花複合加工必將改善EDM的加工性能。

日本的研究人員研究了壓電高頻響應驅動器對電火花加工速度的影響，指出高頻振動對240μm微孔的加工可提高速度1.5～2.5倍。

法國的研究人員系統地研究了超聲振動對電火花加工性能的影響。結果表明，超聲振動提高了加工速度，粗加工提高10%，精加工提高400%，並使加工過程穩定，特別是精加工時尤為突出，可使穩定加工的面積增大。電極的超聲振動能改善加工過程的主要原因是：① 電極表面的高頻振動加速了工作液的循環，使間隙充分消電離；② 間隙間很大的壓力變化導致更有效的放電，這樣就能從弧坑中去除更多融化的金屬，使熱影響層減小，熱殘餘應力降低，微裂紋減小。

北京市電加工研究所於1985年起就開始對聚晶金剛石等超硬材料的研磨、拋光進行研究。於1987年研究成功了超硬材料超聲電火花複合拋光技術。這項發明技術是世界上首次提出並實現採用超聲頻調製電火花與超聲波複合的研磨、拋光加工技術。與純超聲波研磨、拋光相比，效率提高5倍以上，並節約了大量的金剛石磨料。

山東大學機械工程學院對超聲頻間隙脈衝放電技術進行了研究，並對工程陶瓷進行了加工實驗，分析了該技術放電特性和加工特性。結果表明，超聲頻間隙脈衝放電加工的加工效率高於普通電火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形狀精度接近於普通電火花加工。

南京航空航天大學進行了工件激振式超聲複合電火花微細孔加工的研究，它跟以往的超聲電火花複合加工的不同之處在於，通過工件的微幅激振改善微細電火花加工工作液的循環，進而提高微細電火花加工的脈衝利用率和微細孔加工的深徑比。研究結果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者認為，這主要由於工件激勵后加工間隙內工作液中壓力波劇變的衝擊和擾動作用，有助於改善電火花微細加工的排屑條件，提高放電脈衝的利用率，使加工速度及微細孔電火花加工的深徑比得到提高。

南京航空航天大學對硬脆金屬材料的超聲電解複合加工工藝進行了實驗研究。結果表明，該複合加工方法使加工速度、精度及表面質量較單一加工工藝有顯著改善。

聲波是人耳能感受到的一種縱波，其頻率範圍為16—16000Hz。當聲波的頻率低於16Hz時就叫做次聲波，

高於16000Hz則稱為超聲波。具有如下特性：

1）超聲波可在氣體、液體和固體介質中傳播，其傳播速度與頻率、波長、介質密度

等有關，可用公式表示

C=λf （5－1）

式中 C--超聲波傳播速度（m／S）；

λ--波長（m）；

f--頻率（HZ）。

2）超聲波在各種介質中傳播，其運動軌跡都按餘弦函數規律變化，其位移為

x＝A*cos（ω*t + ψ） （5－2）

式中 x--質點運動的位移（m）；

A--振幅（m）；

ω--圓頻率（rad／S）；

t--時間（s）；

ψ--振動的相位角（rad）。

3）超聲波可傳遞很強的能量，其能量強度可用垂直於波的傳播方向單位面積的能量來表示，超聲加工中的能量強度高達幾百瓦／平方厘米，且90％作用於工件表面。

4）超聲波會產生反射、干涉和共振現象。出現波的疊加作用，使彈性桿中某處質點始終不動，而某處質點的振幅

則大大增加，從而獲得更大的超聲加工能量。這是因為，超聲波在同一彈性桿的一端向另一端傳播時，在不同介質的介面上會產生一次或多次波的反射，結果在有限長彈性桿，將存在若干個周期相同、振幅相等、傳播方向相同或相反的波。於是在彈性桿傳播的波，會出現波疊加，致使某處振動始終加強，或某處振動始終減弱，產生波的干涉現象。

為了提高超聲波加工生產效率，必須使彈性桿處於最大振幅的共振狀態，其設計長度為半波的整數倍，桿的支點選在

振動過程中的不動點，即波節點上；而桿的工作端部應選在最大振幅的波腹處。

5）超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生強烈的衝擊和空化現象，強化了加工過程的進行。因超聲波通過懸浮磨粒的液體介質時，會使液體介質連續地產生壓縮和稀疏區域，由於壓力差而形成氣體的空腔，並隨著稀疏區的擴展而增大，內部壓力下降，與此同時，受周圍液體壓力及磨粒傳遞的衝擊力作用，又使氣體空腔壓縮而提高壓力，於是，轉人壓縮區狀態時，迫使其破裂產生衝擊波。由於進行的時間極短，因此，會產生更大的衝擊力作用於工件表面，從而加速磨粒的切蝕過程。

2、超聲加工的基本原理

超聲加工時，高頻電源聯接超聲換能器，由此將電振蕩轉換為同一頻率、垂直於工件表面的超聲機械振動，其根幅僅0．005~0．01mm，再經變幅桿放大至0．05~0．lmm，以驅動工具端面作超聲振動。此時，磨料懸浮液（磨料、水或煤油等贓工具的超聲振動和一定壓力下，高速不停地衝擊懸浮液中的磨粒，並作用於加工區，使該處材料變形，直至擊碎成微粒和粉末。同時，由於磨料懸浮液的不斷攪動，促使磨料高速拋磨工件表面，又由於超聲振動產生的空化現象，在工件表面形成液體空腔，促使混合液滲入工件材料的縫隙里，而空腔的瞬時閉合產生強烈的液壓衝擊，強化了機械拋磨工件材料的作用，並有利於加工區磨料懸浮液的均勻攪拌和加工產物的排除。隨著磨料懸浮液不斷地循環。磨粒的不斷更新。加工產物的不斷排除，實現了超聲加工的目的。總之，超聲加工是磨料懸浮液中的磨粒，在超聲振動下的衝擊、拋磨和空化現象綜合切蝕作用的結果。其中，以磨粒不斷衝擊為主。由此可見，脆硬的材料，受衝擊作用愈容易被破壞，故尤其適於超聲加工。

由超聲發生器產生的高頻電振蕩（頻率一般為16～25千赫，焊接頻率可更高）施加於超聲換能器上（見圖），將高頻電振蕩轉換成超聲頻振動。超聲振動通過變幅桿放大振幅（雙振幅為20～80微米），並驅動以一定靜壓力壓在工件表面上的工具產生相應頻率的振動。工具端部通過磨料不斷地捶擊工件，使加工區的工件材料粉碎成很細的微粒，為循環的磨料懸浮液帶走，工具便逐漸進入到工件中，加工出與工具相應的形狀。

超聲加工的主要特點是：

①不受材料是否導電的限制。

②工具對工件的宏觀作用力小、熱影響小，因而可加工薄壁、窄縫和薄片工件。

③被加工材料的脆性越大越容易加工；材料越硬或強度、韌性越大則越難加工。

④由於工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度應比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低於工件材料。⑤可以與其他多種加工方法結合應用，如超聲振動切削、超聲電火花加工和超聲電解加工等。

超聲加工主要用於各種硬脆材料，如玻璃、石英、陶瓷、硅、鍺、鐵氧體、寶石和玉器等的打孔（包括圓孔、異形孔和彎曲孔等）、切割、開槽、套料、雕刻、成批小型零件去毛刺、模具表面拋光和砂輪修整等方面。超聲打孔的孔徑範圍是0.1～90毫米，加工深度可達100毫米以上，孔的尺寸精度可達0.02～0.05毫米。表面粗糙度在採用 W40碳化硼磨料加工玻璃時可達Rα1.25～0.63微米，加工硬質合金時可達Rα0.63～0.32微米。

隨著各種先進材料應用需求的不斷擴大，激光加工、高壓水切割、電火花加工、電子束加工和電化學加工等特種加工方法均得到了較快的發展，相比傳統加工方法，其特色和優越性得到較好的展示。激光加工的特點是切縫小、速度快、能大量節省原材料和可以加工形狀複雜的工件，但是加工表面熱損傷很難控制；高壓水切割的特點是切口質量高、結構完整性好以及速度快，特別適宜金屬基複合材料的切割，但是加工系統複雜；電火花加工和電化學加工則要求加工工件具有導電性。旋轉超聲加工是集普通超聲加工與磨粒磨削加工為一體的複合加工，是加工硬脆性材料的一種高效方法，相比其他特種加工方法，它具有其獨特的優勢：

（1）超聲加工可以加工導電和非導電等各種硬脆性材料，如陶瓷、寶石、硅、金剛石和大理石等非金屬材料；也適用於加工低塑性和硬度高於HRC40的金屬材料，如淬火鋼、硬質合金、鈦合金等金屬材料；

（2）由於工件材料主要依靠磨粒瞬時局部的衝擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削熱就少，不會因產生變形及燒傷而改變工件表面的化學/電性質，故加工精度和加工表面質量都比較好。與其他材料去除過程相比，超聲加工能達到更高的精度和表面光潔度，同時還能延長刀具壽命；

（3）旋轉超聲加工採用固結磨粒的刀具對加工工件進行高頻、斷續加工，是超聲加工和切、磨削加工的複合加工方式，比單純的超聲加工和切磨削加工具有更突出的優勢，可以有效地提高已加工表面的耐磨性和耐腐蝕性。同時，旋轉超聲加工的複合加工機理，更適宜於硬脆性材料的加工，其去除率可以達到普通切磨削的6～10倍，是普通超聲加工材料去除率的10倍。

由電源（即超聲發生器）、振動系統(包括超聲換能器和變幅桿)和機床本體 3部分組成。超聲發生器將50赫的交流電轉換為超聲頻電功率輸出，功率由數瓦至數千瓦，最大可達10千瓦。通常使用的超聲換能器有磁致伸縮的和電致伸縮的兩類。磁致伸縮換能器又有金屬的和鐵氧體的兩種，金屬的通常用於千瓦以上的大功率超聲加工機；鐵氧體的通常用於千瓦以下的小功率超聲加工機。電致伸縮換能器用壓電陶瓷製成，主要用於小功率超聲加工機。變幅桿起著放大振幅和聚能的作用，按截面積變化規律有錐形、指數曲線形、懸鏈線形、階梯形等。機床本體一般有立式和卧式兩種類型，超聲振動系統則相應地垂直放置和水平放置。

一、熔接法

以超音波超高頻率振動的焊頭在適度壓力下，使二塊塑膠的接合面產生磨擦熱而瞬間熔融接合，焊接強度可與本體媲美，採用合適的工件和合理的介面設計，可達到水密及氣密，並免除採用輔助品所帶來的不便，實現高效清潔的熔接。

二、鉚焊法

將超音波超高頻率振動的焊頭，壓著塑膠品突出的梢頭，使其瞬間發熱融成為鉚釘形狀，使不同材質的材料機械鉚合在一起。

三、埋植

藉著焊頭之傳道及適當之壓力，瞬間將金屬零件（如螺母、螺桿等）擠入預留入塑膠孔內，固定在一定深度，完成後無論拉力、扭力均可媲美傳統模具內成型之強度，可免除射出模受損及射出緩慢之缺點。

四、成型

本方法與鉚焊法類似，將凹狀的焊頭壓著於塑膠品外圈，焊頭髮出超音波超高頻振動后將塑膠溶融成形而包覆於金屬物件使其固定，且外觀光滑美觀、此方法多使用在電子類、喇叭之固定成形，及化妝品類之鏡片固定等。

五、點焊A、將二片塑膠分點熔接無需預先設計焊線，達到熔接目的。

B、對比較大型工件，不易設計焊線的工件進行分點焊接，而達到熔接效果，可同時點焊多點。

六、切割封口

運用超音波瞬間發振工作原理，對化纖織物進行切割，其優點切口光潔不開裂、不拉絲。

現代航空航天製造業已不是傳統意義上的機械製造業，它是集機械、電子、光學、信息科學、材料科學、生物科學、激光學和管理學等學科的最新成就為一體的一個新技術與新興工業的綜合體。航空航天製造工程的發展水平對飛機、火箭、導彈、激光武器和航天器的可靠性和使用壽命的提高，綜合技術性能的改善，研製和生產成本的降低，甚至總體設計思想能否得到具體實現均起著決定性的作用。

航空航天技術的發展對材料性能的要求愈來愈高，如比強度和比剛度高、有一定的耐高溫和抗低溫性能、有良好的耐老化和抗腐蝕能力、有足夠的斷裂韌性和良好的抗疲勞性能。因此，高溫合金、鈦合金、高強度鋼、先進複合材料和工程陶瓷等材料得到了越來越廣泛的應用。如碳基複合材料具有密度低、比強度和比模量高、可設計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能好和結構尺寸穩定性好等優點，在航空領域獲得了廣泛的應用。截至2008年，波音B787飛機上複合材料的用量已突破性地達到了50%，其後空客公司製造的A350飛機上複合材料的用量也將達到52%。

再者，功能晶體材料由於其優異的物理、化學和光學性能在航空航天、國防軍工、信息、微電子及光電子等尖端科技領域得到越來越廣泛而特殊的應用。如何實現光學晶體材料零件的高效精密與超精密加工已成為當前各國關注的新焦點。

對於功能晶體材料零件，除要求滿足機械尺寸精度外，還要保證零件的光學功能特性，傳統的加工工藝流程（磨削後進行研磨和拋光）工序多、周期長、成本高，相應地產品廢品率較大，特別是脆性光學零件的精密磨削加工，容易造成加工表面和亞表面損傷。大量理論和試驗研究表明，由於超聲振動的引入，材料在加工過程中的變形行為、加工機制和刀具受力狀態等會發生完全不同於常規機械加工的變化，具有特殊的工藝效果，如切削力小、切削熱少，因而不會或者較少引起加工表面的熱損傷以及由此引起的電/化學及光學性質的變化，從而可顯著提高零件加工質量，並且加工過程平穩，刀具的使用壽命得以大幅度提高，是脆性材料精密、高效加工的一種有效方法。而如何利用這些優勢實現光學晶體材料的精密超聲加工，降低加工表面和亞表面質量損傷，並沒有得到充分有效的發揮和應用。

在超聲加工機床和工藝參數範圍既定的情況下，刀具參數的選擇對於加工效果有著至關重要的影響。為了拓展超聲加工在航空航天及軍工國防領域的應用，單就超聲加工刀具方面，作者認為應該從以下幾個方面給予充分考慮。

1 、超聲加工刀具基體材料選擇

在功率超聲加工中，要求刀具必須能夠承受高頻交變載荷，有效傳導由變幅桿傳遞過來的超聲能量，因此，對刀具基體的尺寸、截面形狀及材料等提出了特殊要求。功率超聲加工主要考慮刀具與超聲振動系統的匹配連接，使得超聲能量得以有效傳遞，並且在刀具的輸出端面上有最大的能量（振幅）輸出。因此，要求刀具基體材料具有較低的聲阻抗和較高的超聲能量極限強度，否則會因為超聲能量在傳遞過程中的耗損而引發刀具發熱，嚴重時可導致刀具斷裂、超聲振動系統不工作甚至是超聲波電源功率器件或線路的燒毀損壞。

由此，在超聲加工的實際應用中，考慮上述旋轉超聲加工對金剛石刀具基體材料的要求，同時結合變幅桿的材料選擇以及刀具與變幅桿的聲阻有效匹配，需要合理選擇金剛石刀具的基體材料。超聲加工要求基體材料內部晶粒細小、勻質，不能出現內部裂紋或者氣穴等缺陷，否則振動能量會產生反射和衍射，導致能量衰減劇增，從而無法實現超聲能量的有效傳遞，並可能導致裂紋迅速擴展，致使刀具失效。必要時，要對材料進行適當的熱處理，調質材料內部晶粒均勻性，降低材料的聲阻抗，同時增大其強度。

2、超聲加工刀具基體結構設計

旋轉超聲加工是超聲振動和金剛石刀具切削相結合的高效加工方法，其去除率大大高於單一的傳統超聲加工和金剛石刀具切磨削加工方法。因此，提高排屑能力和金剛石刀具冷卻效果是保證旋轉超聲加工效率和刀具壽命的重要手段。

根據不同功率大小超聲加工機床的實際情況，從能量的有效傳遞和利用的角度出發，對刀具的結構參數進行合理設計，尤其是工作端面的優化設計，包括工作端面截面大小、形狀、壁厚以及水槽的有無和大小等因素。刀具基體的結構設計，一方面要避免刀具結構參數設計不當造成的熱和應力集中，另一方面要使得刀具有效地工作在換能振子的工作頻帶範圍內。

3、超聲加工刀具磨料層的製備

在旋轉超聲加工刀具的設計與製造方面，相比傳統超硬磨料刀具在磨削和拋光加工中所引起的廣泛注意力，目前關注的還比較少。而刀具作為材料去除的關鍵因素，其工作端面的幾何參數、超硬磨料的種類和粒度、濃度以及製作的工藝等方面都關係到刀具的壽命以及加工表面質量的優劣。

目前，國內外用於旋轉超聲振動加工的工具均為電鍍或者粉末冶金燒結而成的金剛石工具。但是，由於在電鍍或者粉末冶金燒結中很難形成金屬與金剛石磨料的有效化學冶金結合，因而電鍍層或者金屬結合劑對金剛石磨料的把持力較小，在較重負荷加工中，金剛石磨料的非正常脫落現象較為嚴重，導致工具磨損也較為嚴重，這些都直接制約了旋轉超聲加工的普及和推廣。而釺焊金剛石工具能在結合界面上實現化學冶金結合，從根本上改善磨料、結合劑（釺焊合金材料）和基體三者間的結合強度，在高速高效率磨削中能夠承受較大的負荷。作者在前期的旋轉超聲加工研究中，已經證實釺焊工具完全能夠勝任旋轉超聲加工中的高頻衝擊加工，而且在加工過程中基本不存在磨粒的脫落和破碎磨損，其工作過程也較為平穩。這為航空和航天等高科技領域中廣泛使用的功能晶體材料的精密加工提供了一個非常有利的條件。通過加工工藝參數的優化選擇，配合高效釺焊工具的使用，能夠克服在傳統精密磨削晶體材料時，由於工具的自銳及砂輪上磨粒的破碎和脫落對加工表面的二次損傷，從而提高零件表面的完整性。

隨著傳統加工技術和高新技術的發展，超聲振動切削技術的應用日益廣泛，振動切削研究日趨深入，主要表現在以下幾個方面。

1、研製和採用新的刀具材料

在現代製造業中，鈦合金、純鎢、鎳基高溫合金等難加工材料所使用的範圍越來越大，對機械零件加工質量的要求越來越高。為了更好地發揮刀具的效能，除了選用合適的刀具幾何參數外，在振動切削中，人們將更多的注意力轉為對刀具材料的開發與研究上，其中天然金剛石、人造金剛石和超細晶粒的硬質合金材料的研究和應用為主要方向。

2、研製和採用高效的振動切削系統

現有的實驗及實用振動切削加工系統輸出功率尚小、能耗高，因此，期待實用的大功率振動切削系統早日問世。到目前為止，輸出能量為4 kW的振動切削系統已研製出來並投產使用。在日本，超聲振動切削裝置通常可輸出功率1 kW，切削深度為0.01～0.06 mm。