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，在眾多領域中展現出極大的應用價值。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確預留用于裝配的各種孔、槽、邊。這就意味著，在生產過程中，往往還需要在先進陶瓷產品上打上微孔、小孔、深孔等結構，以滿足產品的裝配需求。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，旋轉超聲加工具有獨特的優勢。

深小孔加工也困難重重！

根據日本 JIS 標準，深小孔是指直徑小于2mm、深徑比大于5的孔結構。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，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！

打孔陶瓷結構件

（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（表面出現螺紋溝），易發生切削阻塞，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致剛性嚴重不足，加工時，易出現振動、扭曲、折斷等刀具損壞現象，而使得中心線偏斜，不僅導致表面粗糙度差，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，影響孔的加工質量。

（3）散熱難：切削散熱難。工件、刀具相互摩擦產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。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裂紋甚至出現邊、角破裂現象。

旋轉超聲加工的原理特點

針對上述陶瓷材料深小孔加工難題，旋轉超聲加工應運而生！旋轉超聲加工是結合了傳統旋轉加工（如銑削、磨削）與超聲加工的復合加工方式。傳統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，使工件發生微觀破裂，從而實現對硬脆加工材料局部加工的過程。

超聲加工原理

而旋轉超聲加工與傳統超聲加工的不同之處在于：其使用固結磨料（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運動，通過采用恒力或恒速的方式向工件進給，從而實現陶瓷材料的精密鉆孔加工。這個過程是一個較為復雜的過程，一般認為超聲振動的錘擊作用、固結磨料的拋磨作用、超聲空化作用以及液壓沖擊和旋轉運動多個機理相互促進組合的結果。

旋轉超聲打孔示意圖

（1）超聲振動的錘擊作用：超聲波在傳播過程中，會引起介質質點交替的壓縮與伸張,構成了介質間壓力的變化，從而將超聲頻電振蕩轉變為機械振動，引起介質刀具與工件產生周期性的分離，使工件材料表面產生壓痕，導致微細裂紋的產生和擴展，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生大量裂紋的基礎上,由于固結磨料刀具的高速旋轉，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：當超聲波傳播到液體介質（工作液）的時候，工作液中的微氣泡在聲場的作用下產生振動，當聲壓達到一定強度時，氣泡將迅速膨脹，并在瞬間坍塌產生沖擊波，這種氣泡膨脹、閉合、振蕩等一系列動力學過程稱為空化作用。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磨削過程中出現的工件表面燒傷問題。

空化作用

（4）液壓沖擊和旋轉運動：超聲空化爆破作用和工具的旋轉運動使碎屑始終處于運動狀態,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,使得加工區工作液保持動態平衡,從而保證了加工的進行。

相對其他精密鉆孔技術的優勢

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象來蝕除多余的材料來實現打孔的，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電性。而旋轉超聲加工并不受材料是否導電的限制，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，無法避免的產生強烈的熱效應而影響孔的形貌，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域，消除了激光加工時可能發生的與熱相關的損壞的風險。

相比磨料水射流：磨料水射流是運用液壓增壓原理，產生高速水射流與磨料產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。旋轉超聲技術僅利用超聲振動使刀具產生微小振動，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：旋轉超聲加工引入了旋轉作用，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

總之，旋轉超聲加工同時結合了傳統旋轉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勢。但目前旋轉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，未來若能將其應用于傳統大尺寸工具的磨削加工中，或許能使這項技術得到進一步的推廣！

參考來源：

1、馮平法,王健健,張建富等.硬脆材料旋轉超聲加工技術的研究現狀及展望[J].機械工程學報.

2、旋轉超聲加工技術的研究進展綜述，中北二院研究生工作.

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