超声波加工详解：高频振动精密去除技术

听说过超声波加工吗？也称超声波振动加工，是一种制造工艺，利用高频振动配合磨料颗粒从工件去除材料。

超声波刀具产生大量微小振动，随时间推移去除与其接触的工件材料。继续阅读了解超声波加工原理与应用。

什么是超声波加工？

超声波加工是一种减材制造工艺，通过工具对工件表面进行高频、低振幅振动，在细磨料颗粒存在下去除零件表面材料。工具垂直或正交于零件表面运动，振幅0.05-0.125mm (0.002-0.005 in.)。

细磨料颗粒与水混合形成浆料，分布在零件和刀具尖端。磨料典型粒度100-1000目，粒度越小(目数越高)表面光洁度越好。

超声波振动加工通常用于脆性材料及高硬度材料，基于微裂纹力学机制。

超声波加工中，刀具产生振动将微米级颗粒投射向工件。颗粒通常与水或其他液体混合形成浆料。

超声波刀具启动时，高速将这些颗粒投射向工件表面。颗粒磨蚀性磨去工件表面材料。

机床切削刀具材质比工件软，通常用软钢、镍。刀具振动时加入磨料浆料(液体)，含磨料颗粒。

磨料浆料加入至工件与颗粒相互作用。液体颗粒作用下，工件脆性表面被磨蚀，同时刀具逐渐变形。

超声波加工耗时完全取决于振动刀具频率。也取决于磨料浆料颗粒尺寸、刚度和粘度。

磨料液用颗粒通常为碳化硼或碳化硅，因其刚性更强。浆料粘度低时用过磨料易带走。

旋转超声波振动加工(RUM)中，垂直振荡刀具能绕刀具垂直中心线旋转。不使用磨料浆料去除材料，而是刀具表面镶嵌金刚石磨削零件表面。

旋转超声波机床专攻先进陶瓷和合金：玻璃、石英、结构陶瓷、钛合金、氧化铝、碳化硅。用于高精度深孔加工。

旋转超声波振动加工是相对较新制造工艺，仍在深入研究。目前研究者尝试将其适配至微观级，使机床运行类似铣床。

化学辅助超声波加工(CUSM)使用化学反应性磨料液确保玻璃陶瓷材料更大切削量。用氢氟酸等酸性溶液，材料去除率和表面质量可大幅优于传统超声波加工。

CUSM缩短加工时间和降低表面粗糙度，但入口轮廓直径因浆料额外化学反应性略大于正常。为限制扩大程度，必须仔细选择浆料酸含量确保用户安全和产品质量。

超声波加工应用：

虽有数十种其他制造工艺能去除工件材料，但应用通常限于强韧材料工件。超声波加工独特之处在于能去除几乎所有类型工件材料，包括硬脆材料。

无论工件是玻璃、陶瓷甚至石英，均可用超声波加工改变物理尺寸。

超声波加工无需加热工件。若工件对热波动敏感，可安全用此工艺改变。加工中工件温度保持不变，即过程无需加热或冷却工件。

此外，超声波加工提供比许多其他加工工艺更高公差。能修改其他工艺无法实现的高公差工件。

另一方面，超声波加工有几个缺点，其一是材料去除率慢于平均。去除工件材料非特别快。

相反，比大多数加工工艺慢。对寻求大规模量产工艺的制造企业，超声波加工可能是不佳选择。

除去除率慢外，超声波加工不支持深孔加工。制造企业常在工件钻孔后再用超声波加工刀具。孔太深时浆料无法填充。

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