超声加工技术的研究现状及其发展趋势

摘要：结合了近年来超声加工技术的发展情况，综述了超声振动系统的研究发展和超声加工技术在深小孔

加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、难加工材料的加工、超声振动切削、超声复合加工等方面的最新应用，并阐述了超声加工技术的发展趋势。

关键词：超声加工；超声振动系统；超声复合加工；微细超声加工；超声振动切

Abstract: Based on the up to date of the development of ultrasonic machining technology, review the research and development of ultrasonic vibration system and ultrasonic machining deep hole processing technology, drawing mold and cavity mold polishing, machining difficult materials, the ultrasonic vibration cutting, ultrasonic compound in processing and other aspects of the latest applications, and describes the ultrasonic machining technology trends.

Key words:ultrasonic machining; ultrasonic vibration system; ultrasonic composite processing; micro

ultrasonic machining; ultrasonic vibration cutting

超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

超声振动系统由换能器、变幅杆和工具头等部分组成，是超声设备的核心部分。在传统应用中，超声振动系统大都采用一维纵向振动方式，并按“全调谐”方式工作。但近年来，随着超声技术基础研究的进展和在不同领域实际应用的特殊需要，对振动系统的工作方式和设计计算、振动方式及其应用研究都取得了新的进展。

日本研究成功一种半波长弯曲振动系统，其切削刀具安装在半波长换能振动系统细端，该振动系统换能器的压电陶瓷片采用半圆形，上下各两片，组成上下两个半圆形压电换能器(压电振子)，其特点是小型化，结构简单，刚性增强。

超声加工原理图

几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。

1 超声振动系统的研究概况及其应用

东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当发生器输出超声电压时，它将使级联晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是：能量传递环节少，能量泄漏减小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小，便于操作。

沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统[1]，采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向作纵向振动时在扭振变幅杆的小端就输出沿圆周方向的扭转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W，频率为16～23 kH z，具有频率自动跟踪性能。

西北工业大学设计了一种可在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液；磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，结构比专用超声波磨床的主轴系统要简单得多，因此成本低廉，适合于在生产中应用。 另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。主要用作电火花加工后的模具异形(如三角形、多边形)孔和槽底部尖角研磨抛光，以及非导电材料异形孔加工。该振动系统的换能器是采用按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，产生扭转振动。 2 超声加工技术应用研究 2.1 深小孔加工

众所周知，在相同的要求及加工条件下，加工孔比加工轴要复杂得多。一般来说，孔加工工具的长度总是大于孔的直径，在切削力的作用下易产生变形，从而影响加工质量和加工效率。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高；刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命短。采用超声加工则可有效解决上述问题。

前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。在美国，利用工具旋转同时作轴向

振动进行孔加工已取得了较好的效果。日本已经制成新型UMT-7三坐标数控超声旋转加工机，功率450 W，工作频率20 kHz，可在玻璃上加工孔径1.6 mm、深150 mm的深小孔，其圆度可达0.005 mm，圆柱度为0.02 mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件。整个加工过程分两个阶段进行：首先用超声振动将非导电层去除掉，当传感器感知金属层出现时，即改用电加工或电火花与超声复合的方法进行加工。该装置有效地解决了具有导电层和非导电层零件孔的加工问题。

哈尔滨工业大学研究了Ti合金深小孔的超声电火花复合加工。该工艺将超声振动引入到精密电火花加工中，通过研究超声振动对电火花精加工过程的影响，开发出了一种将超声和电火花结合在一起的新型4轴电火花加工装置。实验研究表明，应用该装置可以在Ti合金上加工出φ>0.2 mm、且深径比<15的深小孔。

兵器工业五二研究所研究了陶瓷深孔精密高效加工的新方法——超声振动磨削，进行了超声振动磨削和普通磨削陶瓷深孔的对比实验。结果表明，超声振动磨削可明显提高陶瓷加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔精密高效加工的新方法。 2.2 拉丝模及型腔模具研磨抛光

聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用，新的超声研磨抛光方法和设备已出现。北京市电加工研究所提出的“超硬工具材料电火花超声波复合抛光方法”，其特点是：采用超声频信号调制高频电火花脉冲电源与超声加工复合进行聚晶金刚石拉丝模研磨抛光。该技术已获得国家专利，并在生产中获得应用。

模具钢的超声抛光进行了基础性研究，研制了一套高效的超声抛光系统，应用该系统对模具钢进行了抛光试验，研究结果表明此系统大大提高了模

具钢的抛光质量。

日本研制的UMA-1型数控超声研磨机，其研磨时间在1～999 s范围内可任意设定；频率自动跟踪；研磨钢针夹持可靠，发热少，钢针磨耗能自动修整；钢针以固定速度进给，具有研磨时间短、精度高的优点。

浙江大学进行了超声波-电化学复合研磨硬质合金拉丝模的实验研究。

吉林大学对机器人超声-电火花复合加工模具曲面进行了研究，结果证明该方法可改善加工质量，模具曲面精加工效率提高4倍以上。

哈尔滨工业大学针对目前模具光整加工难以实现高精度、高效率加工的实际问题，将电解加工、机械研磨及超声加工相复合，提出了一种新型的光整加工方法——电化学超精密研磨技术，开发研制了一种数控展成超精密光整加工的新工艺及设备。通过对模具型腔高效镜面加工的实验，表明选配适当工艺参数进行光整加工，可以获得表面粗糙度Ra0.025μm的镜面，效率较普通研磨提高10倍以上，较电解研磨提高1倍以上。 2.3 难加工材料的超声加工

金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。

英国阿伯丁大学国王学院研究了超声钻削难加工材料时工艺参数对材料去除率的影响，建立了间断性冲击过程的非线性模型，对冲击力的特性进行了研究，提出了一种新的材料去除率的计算方法，这种方法首次解释了材料去除率在较高的静态力作用下减小的原因。

美国内布拉斯加大学和内华达大学对Al2O3陶

瓷材料微去除量精密超声加工技术进行了研究。通过模拟陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲击力会导致中心裂纹和凹痕。美国内布拉斯加大学还第一次分析了Al2O3陶瓷精密超声加工的机理、过程动力学以及发展趋势，并详细讨论了超声技术在陶瓷加工方面的应用情况。

美国堪萨斯州立大学提出了一种超声旋转加工陶瓷材料去除率模型的计算方法，并将其应用到氧化锆陶瓷的加工中，确定了材料去除率和加工参数之间的关系，该研究大大推动了陶瓷材料旋转加工技术的发展。

山东大学研究开发了工程陶瓷小孔的超声振动脉冲放电加工技术，工具电极的超声振动引起脉冲放电，从而代替了传统电火花加工的专用脉冲发生器。另外，工具电极的超声振动还可以起到清洗缝隙的作用，并采用该技术对Al2O3/(W，Ti)C、Al 2O3/Ti B2、Al2O3/TiB2/SiCw3种Al2O3基陶瓷刀具材料表面定位方孔进行加工，研究了其加工机理和加工参数对不同陶瓷材料加工效率、加工表面粗糙度的影响规律。结果表明，该复合加工技术有效地结合了超声加工和放电加工的特点，能高效、高质量地加工陶瓷材料。

山东大学还利用超声加工技术对大理石的孔加工进行了研究，并与陶瓷材料进行了对比研究。结果表明，材料去除率与大理石的力学性能有关，在同样的加工条件下，材料的强度和断裂韧性越高，其去除率越低，加工精度越高。

天津理工学院对大理石超声精密雕刻技术进行了研究，开发了大理石超声精雕系统。该系统解决了大理石雕刻中微小异形表面高效精加工的难题，使大理石精雕质量和水平跨上了新台阶。 同济大学对超声加工建筑玻璃小孔的实验进行了研究，探讨了工具振动的振幅、频率、工件材料、进给压力、工作介质等主要加工参数对材料去

除率的影响规律。结果表明，超声加工建筑玻璃小孔的精度、表面质量均可满足建筑安装、装潢的要求。该研究对其他玻璃材料的加工具有一定参考价值。

北京航空航天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石(PCD)的研磨加工，显著地提高了研磨效率，并在分析PCD材料的微观结构和去除机理的基础上，对PCD超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。 淮海工学院对烧结永磁体材料超声振动加工过程中的材料去除机理进行了理论研究。该研究指出，磨料颗粒的尺寸与加工效率有密切的关系，对实际生产具有一定的指导作用。

沈阳工业学院研究了采用电镀金刚石工具头对玛瑙进行钻孔的可行性以及加工参数与材料去除率的关系。研究表明，该方法不仅大大提高了材料的去除率，而且加工成本也有所降低。同时，借助于SEM分析了该方法加工玛瑙的材料去除机理。 2.4 超声振动切削

超声振动切削作为新兴的特种加工技术，引起了国内外专家学者的广泛兴趣和极大关注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以称为振动切削理论与应用技术奠基人的是日本学者隈部淳一郎。他在20世纪50～60年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地提出了振动切削理论，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动刨削、振动磨削等。随后美国也对振动切削进行研究，到20世纪70年代中叶，振动车削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，超声加工在难加工材料和高精度零件的加工方面显示了很大的优越性，取得了一系列研究成果，并在生产中得到推广应用。

俄罗斯科学院和英国拉伯运大学对超声振动切削的非线性过程进行了深入研究，利用流变模型对超声振动切削实验结果进行了理论解释。通过对超

声切削的动力学研究，得到了振动工具的非线性振幅特性曲线，并讨论了超声振动切削的优越性及其应用领域。

日本工业大学提出了采用稍低频率(3 000～5 000 Hz)的振动切削方法，并用于切削纤维型材料(如金属短纤维)。另外，美国、英国、德国和新加坡等国的大学以及日本企业界如日立、多贺和Towa公司等还进行了超声椭圆振动切削的研究。 我国对振动切削的研究起步稍晚。自广西大学、南京电影机械厂和南京刃具厂联合开发了我国第一台“CZQ—250A型超声波振动切削系统”之后，许多大专院校、科研院所和工厂都开展了对振动切削的研究，取得了很多重要成果。研究内容从振动切削实验到实际工艺应用，从振动切削实验系统设计到对振动切削机理，范围较广泛，内容较深入。 山东大学对工程陶瓷的超声振动钻削加工进行了深入的研究，探讨了超声振动钻削中各项工艺参数对加工效果的影响，并从理论上分析了超声振动钻削时的材料去除机理。

东南大学在研究超声振动切削的刀具振动规律时得出：刀具与切削的分离作用是振动切削最根本的特点，正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切割。

上海交通大学对超声椭圆振动切削技术进行了研究，阐述了超声波椭圆振动切削原理和刀具椭圆振动系统，分析了超声波椭圆振动切削运动特性，介绍了超声波椭圆振动切削的实际切削效果。 兵器工业五二研究所进行了超声振动车削与普通车削、磨削加工陶瓷材料的对比试验研究。研究结果表明，振动车削可明显地提高陶瓷加工表面的质量，有效地消除普通车削、磨削中形成的表面微裂纹，因此是陶瓷精密加工的一种新方法。 长春汽车工业高等专科学校采用超声振动切削方法对一汽变速箱厂生产的一直齿齿轮的滚齿加工进行了工艺实验，通过生产现场各种工艺参数实验及小批量试生产，收到了令人满意的效果，具有较

好的发展前景。

北京装甲兵技术学院提出了一种超声微振车削的新工艺。其特点是功率小(50 W)、振幅小(2～5μm)，同样可获得一般振动车削的效果。 2.5 超声复合加工

将超声加工与其他加工工艺组合起来的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工，强化了原加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。 罗马尼亚的学者对工具电极在振动力作用下的电火花加工进行了研究，建立了电极在外力振动情形下的数学模型，该外力来源于放电区的气化和空化作用所形成的放电间隙中压力波的变动，通过这种振动提高了材料的去除率及加工过程的稳定性。该研究直接预示超声-电火花复合加工必将改善EDM的加工性能。

日本的研究人员研究了压电高频响应驱动器对电火花加工速度的影响，指出高频振动对240μm微孔的加工可提高速度1.5～2.5倍。

法国的研究人员系统地研究了超声振动对电火花加工性能的影响。结果表明，超声振动提高了加工速度,粗加工提高10%，精加工提高400%，并使加工过程稳定，特别是精加工时尤为突出，可使稳定加工的面积增大。电极的超声振动能改善加工过程的主要原因是：① 电极表面的高频振动加速了工作液的循环，使间隙充分消电离；② 间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金属，使热影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小。

北京市电加工研究所于1985年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、抛光进行研究。于1987年研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5倍以上，并节约了大量的金刚石磨料。

山东大学机械工程学院对超声频间隙脉冲放电技术进行了研究，并对工程陶瓷进行了加工实验，分析了该技术放电特性和加工特性。结果表明，超声频间隙脉冲放电加工的加工效率高于普通电火花加工的效率，而其加工表面粗糙度和加工形状精度接近于普通电火花加工。

南京航空航天大学进行了工件激振式超声复合电火花微细孔加工的研究[5]

，它跟以往的超声电火花复合加工的不同之处在于，通过工件的微幅激振改善微细电火花加工工作液的循环，进而提高微细电火花加工的脉冲利用率和微细孔加工的深径比。研究结果表明，工件越薄，排屑越有利，加工速度提高的越快。研究者认为，这主要由于工件激励后加工间隙内工作液中压力波剧变的冲击和扰动作用，有助于改善电火花微细加工的排屑条件，提高放电脉冲的利用率，使加工速度及微细孔电火花加工的深径比得到提高。

南京航空航天大学对硬脆金属材料的超声电解复合加工工艺进行了实验研究。结果表明，该复合加工方法使加工速度、精度及表面质量较单一加工工艺有显著改善。

3 超声加工技术的发展趋势和未来展望 3.1 超声振动切削技术

随着传统加工技术和高新技术的发展，超声振动切削技术的应用日益广泛，振动切削研究日趋深入，主要表现在以下几个方面。 (1) 研制和采用新的刀具材料

在现代制造业中，钛合金、纯钨、镍基高温合金等难加工材料所使用的范围越来越大，对机械零件加工质量的要求越来越高。为了更好地发挥刀具的效能，除了选用合适的刀具几何参数外，在振动切削中，人们将更多的注意力转为对刀具材料的开发与研究上，其中天然金刚石、人造金刚石和超细晶粒的硬质合金材料的研究和应用为主要方向。 (2) 研制和采用高效的振动切削系统

现有的实验及实用振动切削加工系统输出功率尚小、能耗高，因此，期待实用的大功率振动切削系统早日问世。到目前为止，输出能量为4 kW的振动切削系统已研制出来并投产使用。在日本，超声振动切削装置通常可输出功率1 kW，切削深度为0.01～0.06 mm。

(3) 对振动切削机理深入研究

当前和今后一个时期对振动切削机理的研究将主要集中以下几个方面：① 在振动切削状态下工件材料是如何与工件分离并形成屑的。 ② 振动切削中刀具与工件相互作用的力学分析。 ③ 振动切削机理的微观研究及数学描述。

(4) 超声椭圆振动切削的研究与推广 超声波椭圆振动切削已受到国际学术界和企业界的重视。美国、英国、德国和新加波等国的大学以及国内的北京航空航天大学和上海交通大学已开始这方面的研究工作。日本企业界如日立、多贺和Towa公司等已开始这方面的实用化研究。但是，超声波椭圆振动切削在理论和应用方面还有许多工作要做。尤其是对硬脆性材料的超精密切削加工、微细部位和微细模具的超精密切削加工等方面还需要进一步研究。

(5) 超声铣削加工技术

工程陶瓷的应用日益广泛，但其成形加工十分困难。尤其是具有三维复杂型面的工程陶瓷零件至今尚无有效的加工手段，严重影响了工程陶瓷材料的推广应用。大连理工大学提出了基于分层去除技术的超声铣削加工方法[3]

，研制了超声数控铣削机床，开辟了利用超声加工技术数控加工工程陶瓷零件的途径。基于分层去除思想的超声铣削加工技术，解决了传统超声加工中工具损耗严重且不能在线补偿的难题，使加工带有尖角和锐边的三维复杂型面工程陶瓷零件成为可能，为工程陶瓷的广泛应用提供了有力的技术支持。 3.2 超声复合加工技术

目前，超声波、电火花、机械三元复合加工技

术的研究较快的发展。哈尔滨工业大学利用超声波、电火花、磨料复合加工技术对不锈钢进行加工，解决了电火花小孔加工中生产率和表面质量不能兼顾的矛盾，具有较好的应用前景。

在现代工业生产中，模具的应用越来越广泛，对模具精度和表面质量的要求也越来越高。在模具制造过程中，光整加工工序对模具质量影响很大，但目前该工序在很大程度上仍依赖手工完成，严重制约了模具加工技术的发展，是一个亟待解决的关键技术问题。华南理工大学采用超声电解磨粒复合加工技术对形状复杂的模具型腔光整加工进行了研究，并利用BP神经网络对加工表面粗糙度进行预测，取得了良好的效果。超声电解磨粒复合加工技术是一项新的复合加工技术，能较好地适用于形状复杂的模具型腔光整加工。但尚有许多方面的内容有待进一步研究，特别是各主要加工因素对加工表面粗糙度的影响以及表面金属的去除机理等。 随着科学技术的发展，人们开始探索对环境污染少甚至没有污染的加工方法，研究新的工作介质是解决这个问题的关键。近年来，日本东京农工大学对气体介质中的电火花脉冲放电加工技术进行了开创性的研究，为电火花脉冲放电加工技术开辟了一条崭新的途径，但该技术在加工过程中短路频繁。山东大学的研究人员将超声振动引入气中放电加工技术，并对工程陶瓷进行了加工实验研究，加工效率提高了近3倍。但该工艺的加工机理有待于进一步研究。

在微小三维型面的加工中，利用简单形状电极、基于分层制造原理的微细电火花铣削技术正在受到重视，但该工艺加工效率偏低，同时由于其加工精度主要依赖于电极损耗的轴向补偿，而电极损耗的轴向补偿量则直接取决于电极损耗率，提高微细电火花铣削的加工效率和稳定性是一个重要的课题。哈尔滨工业大学提出了超声辅助分层去除微细电火花加工技术，电极轴向的小幅超声振动对活化极间状态、拉大极间间隙、增加排屑能力、提高有

效脉冲利用率和放电稳定性等起到了极为重要的作用，因此该技术能改善微细电火花铣削时的放电状态，提高加工效率。 3.3 微细超声加工技术

以微机械为代表的微细制造是现代制造技术中的一个重要组成部分，晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材料的高精度三维微细加工技术成为世界各国制造业的一个重要研究课题。目前可适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势。随着东京大学生产技术研究所增泽研究室对微细工具的成功制作及微细工具装夹、工具回转精度等问题的合理解决，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能。

在第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，德国DMG公司展出了其新产品DMS35Ultrasonic超声振动加工机床，该机床主轴转速3 000～4 0000 r/min，特别适合加工陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料。与传统加工方式相比，生产效率提高5倍，加工表面粗糙度Ra＜0.2μm，可加工0.3 mm精密小孔，堪称硬脆材料加工设备性能的新飞跃。超声加工技术在不断完善之中，正向着高精度、微细化发展，微细超声加工技术有望成为微电子机械系统(MEMS)技术的有力补充。

此外，超声加工技术在迅猛发展的汽车工业中已有非常广泛的应用，目前主要用于精密模具的型孔、型腔加工，难加工材料的超声电火花和超声电解复合加工，塑料件的焊接，以及清洁度要求较高

的小孔窄缝零件的清洗。可以推断，超声加工技术在汽车工业中将扮演重要角色。 4结语

超声加工技术在超声振动切削、磨削加工、光整加工、塑性加工以及难加工材料的超声电火花和超声点解复合加工等方面已经有着广泛的应用。一方面，材料加工的客观需要推动和促进了超声加工技术的发展；另一方面，超声加工技术提供的强有力加工手段，又促进了新材料的发展。因此，超声加工技术将在世界工业中会发挥越来越重要的作用。

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