先進陶瓷是一種具有高熔點、高硬度、高耐磨性以及耐氧化性能的功能材料，在眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價值。然而，在機械加工成型過程中，由于受到工藝條件的限制，常用的成型方法難以準(zhǔn)確預(yù)留用于裝配的各種孔、槽、邊。這就意味著，在生產(chǎn)過程中，往往還需要在先進陶瓷產(chǎn)品上打上微孔、小孔、深孔等結(jié)構(gòu)，以滿足產(chǎn)品的裝配需求。目前針對深孔、微小孔的加工工藝主要有激光加工、電火花加工、旋轉(zhuǎn)超聲加工、微波加工、磨料水射流加工等，其中，在對孔深度、直徑均有要求的深小孔加工上，旋轉(zhuǎn)超聲加工具有獨特的優(yōu)勢。

深小孔加工也困難重重！

根據(jù)日本 JIS 標(biāo)準(zhǔn)，深小孔是指直徑小于2mm、深徑比大于5的孔結(jié)構(gòu)。由于其同時受到孔深度和直徑的限制，深小孔的加工面臨切削阻力大、刀具易磨損壽命低、加工溫度高、不易斷排屑等挑戰(zhàn)，尤其是在面對先進陶瓷這種典型的難加工硬脆材料的情況下，深小孔的加工更是難上加難！

打孔陶瓷結(jié)構(gòu)件

（1）排屑問題：切削路徑長，排屑空間狹窄，切削排出困難，容易與孔壁摩擦（表面出現(xiàn)螺紋溝），易發(fā)生切削阻塞，刀具容易磨損、崩刀或零件直接報廢。加工耗時長，效率偏低，因此在加工過程中要不斷地斷屑、排屑防止堵屑。

（2）刀具剛性差：深小孔加工的刀具細長而導(dǎo)致剛性嚴重不足，加工時，易出現(xiàn)振動、扭曲、折斷等刀具損壞現(xiàn)象，而使得中心線偏斜，不僅導(dǎo)致表面粗糙度差，有振紋和波紋，孔的尺寸精度、位置精度及表面粗糙度也難以保證，影響孔的加工質(zhì)量。

（3）散熱難：切削散熱難。工件、刀具相互摩擦產(chǎn)生的熱量主要是依靠刀具和工件本身以及切屑帶走，散熱時刀具刃口溫度的急劇升高，極大影響刀具耐用性，同時已加工孔也易發(fā)生熱脹冷縮，嚴重影響孔加工精度。 

（4）陶瓷材料難加工：陶瓷材料強度高，耐磨性好、脆性高等特點在切削加工上反倒成為一大挑戰(zhàn)。如在薄型陶瓷材料或工件的邊、角處鉆孔時，會在沖擊點周圍出現(xiàn)裂紋甚至出現(xiàn)邊、角破裂現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)超聲加工的原理特點

針對上述陶瓷材料深小孔加工難題，旋轉(zhuǎn)超聲加工應(yīng)運而生！旋轉(zhuǎn)超聲加工是結(jié)合了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)加工（如銑削、磨削）與超聲加工的復(fù)合加工方式。傳統(tǒng)超聲加工是在工件和工具間加入磨料懸浮液，再利用超聲振動使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面，使工件發(fā)生微觀破裂，從而實現(xiàn)對硬脆加工材料局部加工的過程。

超聲加工原理

而旋轉(zhuǎn)超聲加工與傳統(tǒng)超聲加工的不同之處在于：其使用固結(jié)磨料（如金剛石、立方氮化硼）的刀具，刀具以一定振幅作軸向超聲頻（20-40kHz）微小振動的同時還相對于工件做高速旋轉(zhuǎn)運動，通過采用恒力或恒速的方式向工件進給，從而實現(xiàn)陶瓷材料的精密鉆孔加工。這個過程是一個較為復(fù)雜的過程，一般認為超聲振動的錘擊作用、固結(jié)磨料的拋磨作用、超聲空化作用以及液壓沖擊和旋轉(zhuǎn)運動多個機理相互促進組合的結(jié)果。

旋轉(zhuǎn)超聲打孔示意圖

（1）超聲振動的錘擊作用：超聲波在傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張,構(gòu)成了介質(zhì)間壓力的變化，從而將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，引起介質(zhì)刀具與工件產(chǎn)生周期性的分離，使工件材料表面產(chǎn)生壓痕，導(dǎo)致微細裂紋的產(chǎn)生和擴展，以致材料的微觀局部破碎去除。

超聲振動的錘擊作用

（2）金剛石工具的磨拋：在超聲振動引起加工工件表面產(chǎn)生大量裂紋的基礎(chǔ)上,由于固結(jié)磨料刀具的高速旋轉(zhuǎn)，使得嵌入工件表面的磨粒在工件表面上劃擦、磨拋、撕扯工件材料，從而大大加速微裂紋的擴展，使材料以脆性斷裂]和粉末化形式從工件脫落、去除。

磨粒拋磨作用

（3）超聲空化作用：當(dāng)超聲波傳播到液體介質(zhì)（工作液）的時候，工作液中的微氣泡在聲場的作用下產(chǎn)生振動，當(dāng)聲壓達到一定強度時，氣泡將迅速膨脹，并在瞬間坍塌產(chǎn)生沖擊波，這種氣泡膨脹、閉合、振蕩等一系列動力學(xué)過程稱為空化作用。這種空化作用將促使工作液進入被加工材料的微裂縫處，不僅可以加劇機械破壞作用，還可充分的起冷卻和潤滑作用，從而減輕或避免傳統(tǒng)磨削過程中出現(xiàn)的工件表面燒傷問題。

空化作用

（4）液壓沖擊和旋轉(zhuǎn)運動：超聲空化爆破作用和工具的旋轉(zhuǎn)運動使碎屑始終處于運動狀態(tài),阻止了碎屑的沉積過程,促進了碎屑在工作液中流動,加速碎屑的排除,使得加工區(qū)工作液保持動態(tài)平衡,從而保證了加工的進行。

相對其他精密鉆孔技術(shù)的優(yōu)勢

針對硬脆材料的特種特種加工方法

相比電火花加工：電火花加工是利用工件與的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的材料來實現(xiàn)打孔的，但面對先進陶瓷這類絕緣材料，需要對其進行改進使其具備導(dǎo)電性。而旋轉(zhuǎn)超聲加工并不受材料是否導(dǎo)電的限制，適用材料的范圍更廣。

相比激光加工：利用高能量長脈沖的激光聚焦于陶瓷材料上進行打孔時，無法避免的產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)而影響孔的形貌，進而影響材料的性能，較適合微小孔的加工，但不適用于深小孔。而超聲波加工是非熱加工，在工作過程中，通常會加入冷卻液，既能有效冷卻工具和工件，又有助于潤滑切削區(qū)域，消除了激光加工時可能發(fā)生的與熱相關(guān)的損壞的風(fēng)險。

相比磨料水射流：磨料水射流是運用液壓增壓原理，產(chǎn)生高速水射流與磨料產(chǎn)生劇烈紊動擴散和混合而形成高速磨料水射流。利用其加工硬脆材料過程中，主要以剪切磨損的方式去除材料，由于磨料水射流有較高的壓力，磨粒以較高的沖擊動能沖蝕工件，陶瓷材料發(fā)生脆性斷裂，在工件表面生成微觀裂紋，并形成大量的沖蝕坑，精度不高。旋轉(zhuǎn)超聲技術(shù)僅利用超聲振動使刀具產(chǎn)生微小振動，更有助于材料的微觀切削，可以達到+/-0.005mm甚至+/-0.001mm的精度，0.007mm的正常孔公差以及0.1mm的最小圓角半徑。

相比單一的超聲加工：旋轉(zhuǎn)超聲加工引入了旋轉(zhuǎn)作用，加快了碎屑的排出和工作液的流動，使得材料去除的效率大幅提升，解決了單一超聲加工效率低的弊端。同時，其刀具頭固結(jié)了金剛石、立方氮化硼等高硬度磨料，也有效解決了工具頭易損壞和磨粒消耗量大的問題。

小結(jié)

總之，旋轉(zhuǎn)超聲加工同時結(jié)合了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)加工和超聲加工的特點，相對于其他單一的特種加工方法，其無需讓刀具周期性后退，只需保持所需的工作壓力直到孔加工完成，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，是一種加工硬脆材料的有效方法，特別是在深小孔加工中具有明顯優(yōu)勢。但目前旋轉(zhuǎn)超聲加工所用工具的尺寸都很小, 一般只用于精密打孔，對大尺寸工件進行磨削、切削較為困難，未來若能將其應(yīng)用于傳統(tǒng)大尺寸工具的磨削加工中，或許能使這項技術(shù)得到進一步的推廣！

參考來源：

1、馮平法,王健健,張建富等.硬脆材料旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].機械工程學(xué)報.

2、旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)的研究進展綜述，中北二院研究生工作.

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