什么是超声波加工技术?

什么是超声波?

声波是人耳能感觉到的一种纵波。人的听觉频率上限为16 ~ 20khz，所以高于16khz的频率，即为超声波。由于超声波的频率可以很高，因此传播的方向性很强。超声波在传播过程中，介质振动加速度较大。超声波广泛应用于工业领域，如超声波探伤、超声波清洗、乳化液制造、化学反应促进、超声波焊接、金属、塑料加工、切割、磨削等。超声波切割和磨削的方法大致可分为超声加工(USM)和旋转超声加工(RUM)。

超声波是如何处理的?

超声波加工应用于先进材料的加工原理是基于各种材料的延展性加工特性中的临界切割深度，以每秒高达2万至5万次的微冲击去除材料，辅以以旋转方式刮掉材料的复合加工方法。

可广泛应用于各种硬脆材料、难切削材料、耐高温高温合金、复合材料等有特殊工艺要求的场合。当切屑厚度小于或等于临界切削深度时，其切削模式与传统的金属材料切削没有什么不同。但是，当切屑厚度逐渐增大，超过材料韧性加工的临界切削深度时，就会立即发生材料断裂现象，造成加工失效的结果。但是，如此小的临界切割深度，就目前一般加工设备的运动分辨率而言是无法实现的，借助超精密加工设备就可以实现。因此，超声波加工技术早在20世纪50年代就被提出。主要用于硬脆材料的加工解决方案，适用于氧化铝、氧化锆、蓝宝石、硅、石英、玻璃陶瓷等硬脆材料。

将超声波加工设备安装在传统的车床设备上，通过超声波振荡器和具有振幅放大结构的刀具固定装置，按照正弦波设计将超声波振幅传递和放大，将刀具固定在超声波振幅最大的位置，用于切割硬脆光学玻璃材料。采用的超声处理频率为39~ 40khz，最大振幅为5µm。采用旋转超声加工技术，可以利用传统机床进行精细的切削图案，取代了超精密加工设备及其极其精细的运动分辨率的技术壁垒。

什么是超声波旋转加工机?

将超声加工的发展应用于硬脆材料的加工，提高硬脆材料的加工效率。超声波加工已成功应用于硬质合金、不锈钢、陶瓷、玻璃等材料的加工。

超声波加工可以与许多传统的车削、钻孔和镗孔操作结合使用，以有效地加工金属和非金属材料。其优点包括提高材料去除率，减少刀具磨损，改善加工表面。

在加工半导体和3C行业，对硬脆材料的加工需求正在增加。针对超声加工的需要，研制了一种超声旋转加工主轴。其加工使用的刀具在轴向高速旋转和高频振动进行加工，可应用于钻孔、切削、镗孔或螺纹切削。超声波旋转加工主轴可以方便地安装在数控机床上。

超声波加工的加工原理是什么?

超声波旋转加工主轴是利用刀具与工件接触进行切削，这与超声波磨料加工不同。其中使用的金刚石刀具高速旋转进行磨削。在某些加工场合，工件还需要旋转。在轴向、高频振动和刀具旋转等多种运动下，可方便地去除材料。

• 切割:
  超声波旋转加工主轴常用于加工硬、脆、难切削的材料。如陶瓷及纯铁材料，并能对铝合金、玻璃、石英、锆、红宝石、蓝宝石、氧化铍、硼等提供高效的切削加工。
• 钻井过程:
  钻孔需要在坚硬的材料上进行，用传统的工具很难钻出小的孔。钻头会发生偏转，使直线度公差难以控制。在硬材料上钻孔时，超声旋转加工往往比常规钻孔更精确。冷却剂从钻头的核心流出，以洗去碎屑并冷却工具，有些工具从外部提供冷却剂。在加工过程中，金刚石钻头可以轴向振动以减少摩擦，比传统方法效率更高，速度更快，并且可以减少工具和岩芯的堵塞。

超声波加工应用于硬脆材料加工的优点:

数控超声回转主轴加工机，由于刀具本身是一组超声纵向振动角，所以与传统的数控主轴加工机相比，适用于硬脆材料的优势如下:

• 减少加工阻力。
• 提高加工效率。
• 提高加工表面的粗糙度。
• 刀具本身不会粘住杂物，延长了刀具的使用寿命。
• 无残余加工应力。

超声波加工的应用领域:

超声波加工的应用领域和市场机遇超声波加工技术在应用领域不断拓展。拥有半导体、光电、航空航天、医疗器械、能源、电动汽车、3C电子、精密机械等。许多更轻、更硬、更坚韧、耐高温的先进材料在各种应用范围中逐渐普及和深化，并不断深化，逐渐成为各个工业领域的标准工艺技术之一。

数控超声转轴加工机的应用领域:

• 玻璃加工(触摸面板)。
• 硬脆材料(如石英、碳化硅、氧化锆等)的加工。
• 加工方式钻孔、方孔开孔、修边、倒角、长槽铣、盲孔铣等。

超声波加工的优点是什么?

旋转超声加工技术在有工艺要求的场合验证了超声加工的特殊性和优越性。如光学元件、硬脆材料、难切割材料、耐高温高温合金、复合材料等。

• 切削力降低40%。
• 切割效率提高300%。
• 有效提高刀具寿命。
• 减少硬脆材料的微裂纹现象。
• 提高工件表面粗糙度。

材料加工已成为数控机床行业的一个市场。在未来，决定性的一点将是高效、优质的硬、韧、轻量化的先进材料加工技术和装备，不再是传统的精密金属切削技术。但是，模具和精密机械零件行业，以及新材料的应用和变革，还有很长的路要走。预计超声波加工技术还可以提高传统金属材料、高档模具钢材料、各种刀具合金钢板的加工质量和效率，甚至简化目前的制造程序。实现快速生产，减少对手工工艺的依赖。

超声波加工技术在模具及精密零件加工领域的应用已逐渐普及。目前，在各种钢材、合金工具钢、粉末高速钢、钨钢等常用材料范围内，可以分析市场对工艺技术改进需求的具体目标预期。

各种模具制造行业领域常见需求:

• CNC自动化高光泽和镜面加工，减少甚至取代人工抛光和研磨工艺。
• 减少或取代对排放过程的依赖。
• 减少各种加工工艺引起的表面应力残留或另外去除表面硬化层。
• 提高整体加工效率，降低加工成本。
• 提高了刀具寿命和可靠性。

目前用于模具和精密零件加工行业的超声波加工技术已经成功验证了三个重要指标的可行性，即材料、制造工艺和性能的显著变化。在材料方面，超声加工技术已被证明可以很容易地加工坚韧的特种合金工具钢，甚至更高等级的陶瓷材料，如SiC, SiN或陶瓷基复合材料。

对于制造工艺的变化，许多小直径的磨棒被用于磨削而不是铣削。因此，研磨工艺可进一步细化为研磨抛光工艺，取代长期依赖人工劳动。手工打磨抛光可以改善人为因素带来的负面影响和目前从业人员严重故障不足的严重问题。它可以与当前先进金属激光体层制造技术对表面精加工和镜面加工的工艺要求相结合，为表面硬化层加工带来有效的解决方案，并可应用于当前需要维护和焊接修理的模具，以达到最终的精加工工艺要求。