超声波加工：原理、优势与应用详解

本文全面介绍超声波加工工艺、工作原理、优缺点及详细工作机制。

什么是超声波加工工艺？

超声波加工（USM）是利用轴向振荡的刀具在超声频率（18–20 kHz）下，去除硬脆材料的工艺过程。

在振荡过程中，含有碳化硼（B₄C）或碳化硅（SiC）的磨料浆持续供入软质刀具（黄铜或钢）与工件之间的加工区。磨料颗粒被高频锤击至工件表面，使工件表面产生微细崩裂并去除材料。

振荡刀具的振幅范围为 10–40 μm，对磨粒施加静压力，并随材料去除向下进给，最终形成所需刀具形状。Balamuth 于 1945 年在超声波磨削磨料粉末时首次发现 USM。工业应用始于 20 世纪 50 年代新型机床问世之时。USM 的显著特点是不对工件材料的金属组织产生任何有害影响。

超声波加工的工作原理

其原理与超声波焊接相同。

该方法利用超声波产生高频、小振幅的驱动力，驱动磨料颗粒。超声波发生器产生频率约 20,000–30,000 Hz、振幅约 25–50 μm 的高频振动波。

高频振动传递给磨料浆中的磨料颗粒，使其压入脆性工件并在接触表面去除金属。

超声波加工的主要部件

电源
换能器
高频发生器
超声波幅度变换器（工具号角）
冷却机构
刀具
刀具夹持器
喷嘴
工作液（磨料浆）
泵

1. 电源

该工艺通常需要 50–60 Hz 的交流电源启动。

2. 换能器（磁致伸缩式）

换能器为磁致伸缩型，利用磁致伸缩效应将电信号转换为上下方向的机械振动。

3. 高频发生器

又称超声波电源或电子振荡器，将 50/60 Hz 市电转换为 20–40 kHz 高频电能，馈送给电换能器。

4. 超声波幅度变换器 / 工具号角

连接换能器与刀具，将换能器产生的约 0.025 mm 振幅放大并聚焦传向刀尖。又称工具聚焦器。刀具通过焊接、螺纹、钎焊等方式固定在号角下端。

5. 冷却机构

安装在换能器顶部，冷却水流经套筒带走换能器产生的热量。

6. 刀具

通常采用钨钢、不锈钢、钛、铜等强韧延性材料制造，形状与工件待加工型腔对应。

7. 刀具夹持器

用于夹持刀具。

8. 喷嘴

采用钨材质，耐磨料浆冲刷磨损。

9. 工作液

以水或油为载体，持续供给碳化硅、碳化硼、氧化铝等硬质磨料悬浮液。

10. 泵

将磨料浆压送至喷嘴。

超声波加工的工作过程

加工系统主要由磁致伸缩器、聚焦器、刀具和磨料浆供给装置组成。

高频电信号馈送至机电换能器（磁致伸缩器），激发其产生小振幅振动。号角置于换能器与刀具夹持器之间，放大振动幅值并聚焦至刀具。交流电经高频发生器升频至 20–40 kHz，刀具夹持器随之振动。

泵以恒定流量将磨料浆供入刀具与工件之间的间隙。刀具轻压工件，保留磨料浆流动空间。工件上形成的型腔尺寸与刀具一致。振动的高动能传递给磨料颗粒，磨料以微观摩擦方式去除工件表面材料。

超声波加工的材料去除机制

材料去除涉及三种不同作用：

直接锤击磨削：振动刀具与工件间隙中的磨料颗粒直接锤击工件表面。
自由撞击微崩裂：飞溅于加工间隙的颗粒随机撞击工件表面。
空化侵蚀：磨料浆流中的空化效应侵蚀工件表面（贡献率 < 5%）。

直接锤击是所有材料 USM 的主导机制。软塑性材料（如低碳钢）先塑性变形后以较低速率去除；硬脆材料（如玻璃）去除率高，自由撞击作用亦显著。

影响超声波加工切削速率的因素

切削速率取决于：

磨料粒度
磨料材质
磨料浆浓度
振动振幅
振动频率

精度：软脆材料（如软陶瓷）最大进给速度约 20 mm/min，硬韧材料较低。尺寸精度可达 ±0.005 mm，表面粗糙度 Ra 0.1–0.125 μm，最小圆角半径 0.10 mm。设备功率范围 20 W（便携式）至 2 kW（重型）。

超声波加工的应用

工艺简便经济，广泛应用于：

加工圆孔及各种异形孔（配合工件移动可扩展形状范围）。
对导电/非导电材料进行钻削、磨削、成型铣削等操作。
加工玻璃、陶瓷、钨、硬质合金、宝石、合成红宝石等。
通过工件或刀具旋转平动，在硬质金属/合金上切削螺纹。
制造钨钢、金刚石拉丝模、锻造/挤压模具。
牙科无痛钻孔成型。

超声波加工的优缺点

优点

可加工脆性、非导电、高硬度、易碎材料。
无热产生，工件物理结构几乎无变化。
可加工因导电性差无法用 EDM/ECM 加工的非金属材料。
无毛刺、无变形。
可与 EDM、ECG、ECM 等复合应用。
运行无噪音。
技工与非技工均可操作。
可兼顾高精度与高表面质量。
不受材料导电性限制。

缺点

微崩裂/侵蚀机制导致金属去除率低。
声极尖端磨损快。
深孔加工困难（磨料浆难以到达孔底，旋转超声加工除外）。
仅适用于硬度 ≥ 45 HRC 的材料。

超声波加工的局限性

主要局限为金属切削率较低（最大去除率 3 mm³/s）、功耗高。圆柱孔深度限于刀具直径 2.5 倍。刀具磨损导致孔锥度增大、尖角圆钝，生产精密盲孔需定期更换刀具。目前仅适用于较小尺寸表面加工。

刀具材料需兼具韧性与延性。极软金属（如铝）刀具寿命短，可用低碳钢、不锈钢代替。实验表明去除率随工件硬度/刀具硬度比升高而降低，故工件硬度高时刀具硬度也应提高。刀具材料选择是优化去除率与成本的关键。过长刀具吸收超声能量降低效率，易过载。磨粒尺寸应与振幅匹配，过大或过小均降低切削率。精加工磨粒不应与粗加工重叠。深孔加工需特殊供浆技术（强制循环、大小磨粒交替、吸抽等）防止颗粒堆积阻塞。