超聲波加工可以實現(xiàn)高達±1um的加工精度，那么超聲波加工的原理是什么？它是如何實現(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，昌暉儀表就來聊聊超聲波加工的話題。

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



超聲波發(fā)生器負責產(chǎn)生15-30kHz的高頻電流。

超聲換能器的作用是將高頻電流轉變?yōu)闄C械振動，一般采用壓電效應或者磁致伸縮法來完成。

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

工具材料應有高的抗磨損性，堅韌且具有延展性，好的彈性和高的疲勞強度，常用的工具材料為低碳鋼和不銹鋼、硬質合金、蒙乃爾銅2鎳合金等。

漿料由懸浮在水或化學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。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間比使用碳化硼的切削時間長約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。粗的材質適合粗加工，而較細的材質(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。這是因為超聲波加工過程中接觸工件的是磨粒，而不是工具。當工具振動時，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圖像。


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

超聲波振動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，這對于防止熱損壞很重要。

最后是工件臺，工件臺負責放置和固定工件，并可帶動工件移動，實現(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。



有了對超聲波加工系統(tǒng)構成的了解，接下來我們就來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)換能器轉換成超聲機械振動，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。同時，在工件表面瞬間正負交替的正壓沖擊波和負壓空化作用下強化了加工過程。因此，超聲波加工實質上是磨料的機械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結果。



超聲波加工的原理：磨料的機械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合作用。簡單理解，超聲加工就是對顆粒施加較小的力，導致工件發(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用。例如，小磨粒會在數(shù)千“g”力的作用下加速。

與傳統(tǒng)電火花加工相比，其結果是顯著減少了工件內(nèi)部損傷。這反過來又降低了工具斷裂的可能性，而工具斷裂可能導致設備故障。此外，超聲波加工是非熱加工，消除了激光加工時可能發(fā)生的與熱相關的損壞的風險。



旋轉超聲波系統(tǒng)(RUSM=Rotary Ultrasonic Machining)構成：包括帶金剛石磨粒的工具、帶旋轉功能的超聲主軸、由電機和絲杠組成的水平進給系統(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，刀具高頻振動的同時可繞Z軸旋轉，并可在XY方向進給。旋轉超聲波加工，可實現(xiàn)類似于傳統(tǒng)的銑削加工。


圖片來自：《硬脆材料旋轉超聲加工技術的研究現(xiàn)狀及展望》

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

相對于傳統(tǒng)的加工方法，旋轉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、延長刀具壽命等優(yōu)點，特別是在深小孔的加工中具有優(yōu)勢，因而被認為是一種加工硬脆材料的有效方法。

如上圖所示，旋轉超聲加工機床可以實現(xiàn)鉆孔加工，端面銑削加工和側面銑削加工。

3、超聲波加工的優(yōu)缺點
優(yōu)點：
超聲波加工工藝是一種非熱、非化學工藝，不會改變工件的微觀結構、化學或物理特性，并提供幾乎無應力的加工表面，不會產(chǎn)生熱、電和化學異常表面。

USM適合任何材料，無論其導電性如何，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構完整性。

超聲波加工可以在晶圓或襯底同時加工多個特征，并且該工藝通常是最高質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陶瓷，深寬比可以達到60:1。

與激光加工和噴砂工藝不同，超聲波加工能夠實現(xiàn)垂直側壁加工特征。

缺點：
USM中的刀具磨損很快，為了有效加工，應定期更換磨料，因為鈍的磨料會消弱切削作用。

工人必須佩戴護目鏡，以防止磨料顆?；蛭⑺槠M入眼睛。

USM設備初始成本高，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的頻率和振幅。

然而，它通常被認為是一種高精度的加工方法，可以達到+/-0.005mm甚至+/-0.001mm的精度，可實現(xiàn)高達 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到 0.1mm。

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

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

常見的USM應用包括半導體、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，與其他加工技術相比，超聲波加工是一個相對緩慢的過程，通常不適合大批量生產(chǎn)應用。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上加工微特征。


超聲波在玻璃盤上一次加工若干微小通孔。


超聲波在氮化硅陶瓷盤上加工陣列小孔。

使用USM時，可以將多個小零件排列在一起，固定在一起，并同時進行加工。

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)的分步重復工藝相比，在圓盤上同時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計。

此外，USM工藝可以將公差控制在±5μm的范圍內(nèi)，并實現(xiàn)高達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。