【超声波加工】玻璃、陶瓷、碳化硅，难加工？不存在的

中国粉体网讯  频率高于20KHz的声波被称为超声波。超声加工就是利用超声振动，将高频振动能量附加到机械加工过程中的一种特种加工方法，英文简称为USM。

超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

在硬脆材料去除加工领域，机械加工利用工具对工件的作用力去除材料，工具磨损比较严重；电加工性能则受到工件材料导电性的限制；激光加工过程中产生的大量热量易使工件表面形成裂纹与发生氧化；而超声加工是非接触加工，加工性能不依赖于材料的导电性，加工过程中产生的切削热也很小，是玻璃、工程陶瓷、硅晶体、石英晶体等硬脆性材料最有效的加工方法。

超声波加工特点与优势

1.光洁度、精度好

超声波加工材料是依靠磨料瞬时局部的冲击作用，故产生的宏观切削力小，相应的切削热也很少，不会产生表面烧伤或者形变，所以能达到更好的光洁度和加工精度。

2.适合加工硬脆性材料

极限切削力是保证硬脆性材料超声磨钻工艺的首要条件，超声加工的加工方式和原理，相较于普通加工，能大幅减小对工件表面的切削力、切削热，以及刀具负荷，能显著提升难加工材料的加工效率。

为玻璃、陶瓷、蓝宝石、碳化硅等硬脆性材料加工提供高效、高质的处理方法。

3.易于微小孔加工与抛光

一般而言，普通加工方法不容易去除小孔，刀具切割精度低，但是超声波加工效率高，以每秒20000次以上的频率，每次仅清除少量材料，有效降低了刀具切割力，保证了加工效率，提升了表面加工质量。

4.无需改变机床结构

随着超声加工技术不断发展，目前超声系统可实现小型化、模块化设计，适用于不同类型加工机床，使用门槛低，可快速部署。

超声波加工技术的应用

一般的难加工材料有高温合金、钛合金、高强钢、复合材料、陶瓷材料等，这些材料硬度高、强度高、不易磨损、不易氧化，以及拥有良好的耐热性、耐腐蚀性等优点，已经越来越广泛地应用在机械制造、国防以及航空工业等领域。

1.陶瓷

陶瓷材料是典型的难加工材料，一直以来磨削是唯一的加工方法。随着技术的发展，人们尝试采用超声波、电火花、离子束、激光及复合加工等方法来加工陶瓷，并且取得了一定的研究成果。其中超声波加工陶瓷材料有着独特的优势。

美国堪萨斯州立大学将超声旋转加工应用于ZrO₂陶瓷的加工中，确定了加工参数对材料去除率的影响，促进了超声旋转加工技术在氧化锆陶瓷材料加工领域的应用。

2.碳纤维

碳纤维是一种由碳元素组成的特种纤维，其具有低密度、高强度的特点，广泛应用于国防军工及民用等方面。工业上对碳纤维材料切片加工采用的是往复式游离磨料线锯切片技术，但其加工效率低，线锯寿命短。

沈阳理工大学的张辽远等通过对超声金刚石线锯复合加工碳纤维材料工件的对比试验，得出在超声辅助作用下，加工过程中锯切力更小，表面粗糙度值更低，工件加工轨迹直线度以及表面加工质量更好。

3.金刚石

聚晶金刚石(PCD)是一种新型材料，它与天然金刚石性能相近，具有十分广阔的应用前景。但是PCD硬度高、耐磨性高，传统的加工方法难以对其进行有效的加工。

北京交通大学的张勤俭等利用电火花超声复合加工技术对聚晶金刚石进行了加工试验，试验证明这种方法十分有效，特别适合聚晶金刚石这类硬脆材料的研磨与抛光加工。

4.其他应用

利用超声激光增材工艺制造氧化锆-氧化铝陶瓷部件，发现超声振动可以细化晶粒，使材料分布得更加均匀，并抑制裂纹的萌生和扩展，制得的零件具有更高的硬度、耐磨性和更好的压缩性能。

对氧化铝陶瓷和氧化锆进行了超声喷丸处理，经过处理后可以在工件表面产生较高的残余压应力，提高了陶瓷材料的抗断裂性能。

超声骨刀是一种利用高强度聚焦超声原理进行骨手术的医疗器械。骨组织有良好的切割作用，手术精度高，对神经、血管及其他软组织有很好的保护作用，出血少，术中视野清晰。

结语

超声加工技术的发展及其取得的应用成果是可喜的。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展;另一方面，超声加工技术提供的强有力加工手段，又促进了新材料的发展。材料加工中的许多课题需要我们共同去探讨。展望未来，超声加工技术的发展前景是美好的。

参考来源

缪兴华.微细超声加工研究现状

曹凤国等.超声加工技术的研究现状及其发展趋势

张德远等.超声加工技术的研究进展

房善想等.超声加工技术的应用现状及其发展趋势