超聲波加工可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)±1um的加工精度，那么超聲波加工的原理是什么？它是如何實(shí)現(xiàn)這么高的加工精度？為什么它特別適合硬脆材料如玻璃和陶瓷的加工？今天，昌暉儀表就來(lái)聊聊超聲波加工的話題。

1、超聲波加工的系統(tǒng)構(gòu)成
如下圖所示，超聲波加工(USM=Ultrasonic Machining)設(shè)備主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿、加工工具、漿料系統(tǒng)和工件臺(tái)等組成。



超聲波發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生15-30kHz的高頻電流。

超聲換能器的作用是將高頻電流轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)，一般采用壓電效應(yīng)或者磁致伸縮法來(lái)完成。

變幅桿的作用是將來(lái)自換能器的超聲振幅由0.005-0.01mm放大至0.01-0.1mm，以便進(jìn)行超聲波加工。變幅桿之所以能放大振幅，是由于通過(guò)其任一截面的振動(dòng)能量是不變的(傳播損耗不計(jì))，截面小的地方能量密度大，振動(dòng)振幅也就越大。在進(jìn)行大功率的超聲加工及精密加工時(shí)，往往將變幅桿與工具設(shè)計(jì)制成一個(gè)整體。在進(jìn)行小功率的超聲加工及加工精度不高時(shí)，則將變幅桿與工具設(shè)計(jì)制成可拆卸式。

工具材料應(yīng)有高的抗磨損性，堅(jiān)韌且具有延展性，好的彈性和高的疲勞強(qiáng)度，常用的工具材料為低碳鋼和不銹鋼、硬質(zhì)合金、蒙乃爾銅2鎳合金等。

漿料由懸浮在水或化學(xué)溶液中的磨料顆粒組成。磨料漿通常由磨粒和水按一定比例如20-30%混合制成，在壓力下流動(dòng)。盡管也使用苯、甘油和油等其他液體，但水是最常用的流體。


磨粒示意圖。圖片來(lái)自Ultrasonic Machining (USM)，ME688: Advanced Machining Processes Instructor: R K Mittal

磨料包括金剛石、氧化鋁、碳化硼和碳化硅。

碳化硼是其中最好、最高效的，但價(jià)格也最貴，最適合切割碳化鎢、工具鋼和寶石。碳化硅用于玻璃、鍺和大多數(shù)陶瓷加工，使用碳化硅的切削時(shí)間比使用碳化硼的切削時(shí)間長(zhǎng)約20-40%。氧化鋁是用于加工玻璃和陶瓷的最軟磨料，成本效益也最優(yōu)。而鉆石粉僅用于切割鉆石和紅寶石。

磨料的尺寸在200粒度到2000粒度之間變化。粗的材質(zhì)適合粗加工，而較細(xì)的材質(zhì)(例如1000粒度)則適用于精加工。新鮮的磨料切割效果更好，因此需要定期更換漿料。

磨料顆粒的正確選擇取決于待加工材料的類(lèi)型、材料的硬度和金屬去除率以及所需的表面光潔度。

工件越硬，磨料就需要越硬。這是因?yàn)槌暡庸み^(guò)程中接觸工件的是磨粒，而不是工具。當(dāng)工具振動(dòng)時(shí)，它將顆粒錘擊到工件中，磨損工件，最終留下工具形狀的精確反轉(zhuǎn)圖像。


超聲波加工實(shí)現(xiàn)工具形狀的精確反轉(zhuǎn)示意圖。圖片來(lái)自：Machining Fundamentals From Basic to Advanced Techniques,John R.Walker.

超聲波振動(dòng)有助于保持磨料顆粒懸浮在漿料中，防止它們沉降并允許更一致的材料去除。漿料還有助于冷卻工件和工具，這對(duì)于防止熱損壞很重要。

最后是工件臺(tái)，工件臺(tái)負(fù)責(zé)放置和固定工件，并可帶動(dòng)工件移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在不同位置加工。

2、超聲波加工的原理
超聲波加工系統(tǒng)構(gòu)成：除了上述主要組成部分，還包括主軸控制單元，泵閥規(guī)等液流控制單元。



有了對(duì)超聲波加工系統(tǒng)構(gòu)成的了解，接下來(lái)我們就來(lái)看看超聲波加工的原理。

超聲波加工的原理，用一段話概括就是，在工件和工具間加入磨料懸浮液，由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振蕩波，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動(dòng)，使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面，把硬而脆的被加工材料局部破壞而撞擊下來(lái)。同時(shí)，在工件表面瞬間正負(fù)交替的正壓沖擊波和負(fù)壓空化作用下強(qiáng)化了加工過(guò)程。因此，超聲波加工實(shí)質(zhì)上是磨料的機(jī)械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結(jié)果。



超聲波加工的原理：磨料的機(jī)械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合作用。簡(jiǎn)單理解，超聲加工就是對(duì)顆粒施加較小的力，導(dǎo)致工件發(fā)生微觀破裂，從而去除材料。施加的力的大小取決于工具或應(yīng)用。例如，小磨粒會(huì)在數(shù)千“g”力的作用下加速。

與傳統(tǒng)電火花加工相比，其結(jié)果是顯著減少了工件內(nèi)部損傷。這反過(guò)來(lái)又降低了工具斷裂的可能性，而工具斷裂可能導(dǎo)致設(shè)備故障。此外，超聲波加工是非熱加工，消除了激光加工時(shí)可能發(fā)生的與熱相關(guān)的損壞的風(fēng)險(xiǎn)。



旋轉(zhuǎn)超聲波系統(tǒng)(RUSM=Rotary Ultrasonic Machining)構(gòu)成：包括帶金剛石磨粒的工具、帶旋轉(zhuǎn)功能的超聲主軸、由電機(jī)和絲杠組成的水平進(jìn)給系統(tǒng)、由泵閥等組成的冷卻系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。

旋轉(zhuǎn)超聲波加工原理：刀具端部帶有固定的金剛石磨料，刀具高頻振動(dòng)的同時(shí)可繞Z軸旋轉(zhuǎn)，并可在XY方向進(jìn)給。旋轉(zhuǎn)超聲波加工，可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于傳統(tǒng)的銑削加工。


圖片來(lái)自：《硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望》

旋轉(zhuǎn)超聲加工中(RUSM=Rotary Ultrasonic Machining)，使用固結(jié)磨料，如金剛石、立方氮化硼的刀具，在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，又沿著刀具軸線方向做超聲頻率(20-40kHz)的微小振動(dòng)，刀具以恒力或恒速方式向工件進(jìn)給實(shí)現(xiàn)材料去除。

相對(duì)于傳統(tǒng)的加工方法，旋轉(zhuǎn)超聲加工具有降低切削力、減小加工損傷、提高加工效率和精度、延長(zhǎng)刀具壽命等優(yōu)點(diǎn)，特別是在深小孔的加工中具有優(yōu)勢(shì)，因而被認(rèn)為是一種加工硬脆材料的有效方法。

如上圖所示，旋轉(zhuǎn)超聲加工機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)鉆孔加工，端面銑削加工和側(cè)面銑削加工。

3、超聲波加工的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
超聲波加工工藝是一種非熱、非化學(xué)工藝，不會(huì)改變工件的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)或物理特性，并提供幾乎無(wú)應(yīng)力的加工表面，不會(huì)產(chǎn)生熱、電和化學(xué)異常表面。

USM適合任何材料，無(wú)論其導(dǎo)電性如何，特別適合脆性材料的加工。相比于傳統(tǒng)加工，USM加工的零件具有更好的表面光潔度和更高的結(jié)構(gòu)完整性。

超聲波加工可以在晶圓或襯底同時(shí)加工多個(gè)特征，并且該工藝通常是最高質(zhì)量和最低成本的解決方案。

超聲波可加工高深寬比的通孔，例如加工玻璃和高級(jí)陶瓷，深寬比可以達(dá)到60:1。

與激光加工和噴砂工藝不同，超聲波加工能夠?qū)崿F(xiàn)垂直側(cè)壁加工特征。

缺點(diǎn)：
USM中的刀具磨損很快，為了有效加工，應(yīng)定期更換磨料，因?yàn)殁g的磨料會(huì)消弱切削作用。

工人必須佩戴護(hù)目鏡，以防止磨料顆?；蛭⑺槠M(jìn)入眼睛。

USM設(shè)備初始成本高，功耗高，刀具成本高，可加工的型腔尺寸有限。

4、超聲波加工精度
超聲波加工在理想條件下，可獲得5mm/min的穿透速度，在軟脆材料中的最大侵徹速度約為20mm/min，但對(duì)于硬而韌的材料，侵徹速度較低，脆性材料的去除率為0.018m3/J。

超聲波加工的精度取決于多種因素，包括工件材料的特性、工具的尺寸和形狀以及振動(dòng)的頻率和振幅。

然而，它通常被認(rèn)為是一種高精度的加工方法，可以達(dá)到+/-0.005mm甚至+/-0.001mm的精度，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 0.02-0.8um的表面光潔度。正?？坠顬?.007mm，表面光潔度為Ra0.02-0.7um。精加工最小圓角半徑可達(dá)到 0.1mm。

5、超聲波加工的應(yīng)用
超聲波加工常用于加工脆性材料，如陶瓷、玻璃和一些復(fù)合材料。此外USM適合加工硬度超過(guò)40HRC的材料，包括藍(lán)寶石、工程陶瓷、碳化硅、石英、單晶材料、鐵氧體、石墨、玻碳、復(fù)合材料和壓電陶瓷等。

這些材料很難用傳統(tǒng)的加工技術(shù)進(jìn)行加工。它還可用于創(chuàng)建使用其他方法難以或不可能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜形狀微小特征，使其在微電子和微光學(xué)中很有用。

常見(jiàn)的USM應(yīng)用包括半導(dǎo)體、MEMS器件、儀表零部件和微流體元件。

典型超聲波加工部件，包括玻璃，陶瓷，石墨等。

然而，與其他加工技術(shù)相比，超聲波加工是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，通常不適合大批量生產(chǎn)應(yīng)用。一般金屬去除率為3mm/s，功耗高。


使用超聲波加工創(chuàng)建玻璃和硅片微孔特征。


使用超聲波加工在陶瓷盤(pán)上加工微特征。


超聲波在玻璃盤(pán)上一次加工若干微小通孔。


超聲波在氮化硅陶瓷盤(pán)上加工陣列小孔。

使用USM時(shí)，可以將多個(gè)小零件排列在一起，固定在一起，并同時(shí)進(jìn)行加工。

例如Bullen公司主要將超聲波加工用于MEMS：玻璃晶圓通孔陣列生產(chǎn)。該公司表示，與傳統(tǒng)的分步重復(fù)工藝相比，在圓盤(pán)上同時(shí)加工大量通孔的成本要低得多。而且，USM工藝可以生產(chǎn)小至0.1mm的特征，決定特征尺寸的因素包括磨料顆粒的尺寸和刀尖設(shè)計(jì)。

此外，USM工藝可以將公差控制在±5μm的范圍內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)高達(dá)25:1的孔深和直徑比，在某些情況下，孔深和直徑比可高至 60:1。