超声波加工可以实现高达±1um的加工精度，那么超声波加工的原理是什么？它是如何实现这么高的加工精度？为什么它特别适合硬脆材料如玻璃和陶瓷的加工？今天，昌晖仪表就来聊聊超声波加工的话题。
1、超声波加工的系统构成
如下图所示，超声波加工(USM=Ultrasonic Machining)设备主要由超声波发生器、超声换能器、变幅杆、加工工具、浆料系统和工件台等组成。
超声波发生器负责产生15-30kHz的高频电流。
超声换能器的作用是将高频电流转变为机械振动，一般采用压电效应或者磁致伸缩法来完成。
变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅由0.005-0.01mm放大至0.01-0.1mm，以便进行超声波加工。变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过其任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计)，截面小的地方能量密度大，振动振幅也就越大。在进行大功率的超声加工及精密加工时，往往将变幅杆与工具设计制成一个整体。在进行小功率的超声加工及加工精度不高时，则将变幅杆与工具设计制成可拆卸式。
工具材料应有高的抗磨损性，坚韧且具有延展性，好的弹性和高的疲劳强度，常用的工具材料为低碳钢和不锈钢、硬质合金、蒙乃尔铜2镍合金等。
浆料由悬浮在水或化学溶液中的磨料颗粒组成。磨料浆通常由磨粒和水按一定比例如20-30%混合制成，在压力下流动。尽管也使用苯、甘油和油等其他液体，但水是最常用的流体。
磨粒示意图。图片来自Ultrasonic Machining (USM)，ME688: Advanced Machining Processes Instructor: R K Mittal
磨料包括金刚石、氧化铝、碳化硼和碳化硅。
碳化硼是其中最好、最高效的，但价格也最贵，最适合切割碳化钨、工具钢和宝石。碳化硅用于玻璃、锗和大多数陶瓷加工，使用碳化硅的切削时间比使用碳化硼的切削时间长约20-40%。氧化铝是用于加工玻璃和陶瓷的最软磨料，成本效益也最优。而钻石粉仅用于切割钻石和红宝石。
磨料的尺寸在200粒度到2000粒度之间变化。粗的材质适合粗加工，而较细的材质(例如1000粒度)则适用于精加工。新鲜的磨料切割效果更好，因此需要定期更换浆料。
磨料颗粒的正确选择取决于待加工材料的类型、材料的硬度和金属去除率以及所需的表面光洁度。
工件越硬，磨料就需要越硬。这是因为超声波加工过程中接触工件的是磨粒，而不是工具。当工具振动时，它将颗粒锤击到工件中，磨损工件，最终留下工具形状的精确反转图像。
超声波加工实现工具形状的精确反转示意图。图片来自：Machining Fundamentals From Basic to Advanced Techniques,John R.Walker.
超声波振动有助于保持磨料颗粒悬浮在浆料中，防止它们沉降并允许更一致的材料去除。浆料还有助于冷却工件和工具，这对于防止热损坏很重要。
最后是工件台，工件台负责放置和固定工件，并可带动工件移动，实现在不同位置加工。
2、超声波加工的原理
超声波加工系统构成：除了上述主要组成部分，还包括主轴控制单元，泵阀规等液流控制单元。
有了对超声波加工系统构成的了解，接下来我们就来看看超声波加工的原理。
超声波加工的原理，用一段话概括就是，在工件和工具间加入磨料悬浮液，由超声波发生器产生超声振荡波，经换能器转换成超声机械振动，使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面，把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。同时，在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此，超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。
超声波加工的原理：磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合作用。简单理解，超声加工就是对颗粒施加较小的力，导致工件发生微观破裂，从而去除材料。施加的力的大小取决于工具或应用。例如，小磨粒会在数千“g”力的作用下加速。
与传统电火花加工相比，其结果是显著减少了工件内部损伤。这反过来又降低了工具断裂的可能性，而工具断裂可能导致设备故障。此外，超声波加工是非热加工，消除了激光加工时可能发生的与热相关的损坏的风险。
旋转超声波系统(RUSM=Rotary Ultrasonic Machining)构成：包括带金刚石磨粒的工具、带旋转功能的超声主轴、由电机和丝杠组成的水平进给系统、由泵阀等组成的冷却系统以及数据处理系统等。
旋转超声波加工原理：刀具端部带有固定的金刚石磨料，刀具高频振动的同时可绕Z轴旋转，并可在XY方向进给。旋转超声波加工，可实现类似于传统的铣削加工。
图片来自：《硬脆材料旋转超声加工技术的研究现状及展望》
旋转超声加工中(RUSM=Rotary Ultrasonic Machining)，使用固结磨料，如金刚石、立方氮化硼的刀具，在高速旋转的同时，又沿着刀具轴线方向做超声频率(20-40kHz)的微小振动，刀具以恒力或恒速方式向工件进给实现材料去除。
相对于传统的加工方法，旋转超声加工具有降低切削力、减小加工损伤、提高加工效率和精度、延长刀具寿命等优点，特别是在深小孔的加工中具有优势，因而被认为是一种加工硬脆材料的有效方法。
如上图所示，旋转超声加工机床可以实现钻孔加工，端面铣削加工和侧面铣削加工。
3、超声波加工的优缺点
优点：
超声波加工工艺是一种非热、非化学工艺，不会改变工件的微观结构、化学或物理特性，并提供几乎无应力的加工表面，不会产生热、电和化学异常表面。
USM适合任何材料，无论其导电性如何，特别适合脆性材料的加工。相比于传统加工，USM加工的零件具有更好的表面光洁度和更高的结构完整性。
超声波加工可以在晶圆或衬底同时加工多个特征，并且该工艺通常是最高质量和最低成本的解决方案。
超声波可加工高深宽比的通孔，例如加工玻璃和高级陶瓷，深宽比可以达到60:1。
与激光加工和喷砂工艺不同，超声波加工能够实现垂直侧壁加工特征。
缺点：
USM中的刀具磨损很快，为了有效加工，应定期更换磨料，因为钝的磨料会消弱切削作用。
工人必须佩戴护目镜，以防止磨料颗粒或微碎片进入眼睛。
USM设备初始成本高，功耗高，刀具成本高，可加工的型腔尺寸有限。
4、超声波加工精度
超声波加工在理想条件下，可获得5mm/min的穿透速度，在软脆材料中的最大侵彻速度约为20mm/min，但对于硬而韧的材料，侵彻速度较低，脆性材料的去除率为0.018m3/J。
超声波加工的精度取决于多种因素，包括工件材料的特性、工具的尺寸和形状以及振动的频率和振幅。
然而，它通常被认为是一种高精度的加工方法，可以达到+/-0.005mm甚至+/-0.001mm的精度，可实现高达 0.02-0.8um的表面光洁度。正常孔公差为0.007mm，表面光洁度为Ra0.02-0.7um。精加工最小圆角半径可达到 0.1mm。
5、超声波加工的应用
超声波加工常用于加工脆性材料，如陶瓷、玻璃和一些复合材料。此外USM适合加工硬度超过40HRC的材料，包括蓝宝石、工程陶瓷、碳化硅、石英、单晶材料、铁氧体、石墨、玻碳、复合材料和压电陶瓷等。
这些材料很难用传统的加工技术进行加工。它还可用于创建使用其他方法难以或不可能实现的复杂形状微小特征，使其在微电子和微光学中很有用。
常见的USM应用包括半导体、MEMS器件、仪表零部件和微流体元件。
典型超声波加工部件，包括玻璃，陶瓷，石墨等。
然而，与其他加工技术相比，超声波加工是一个相对缓慢的过程，通常不适合大批量生产应用。一般金属去除率为3mm/s，功耗高。
使用超声波加工创建玻璃和硅片微孔特征。
使用超声波加工在陶瓷盘上加工微特征。
超声波在玻璃盘上一次加工若干微小通孔。
超声波在氮化硅陶瓷盘上加工阵列小孔。
使用USM时，可以将多个小零件排列在一起，固定在一起，并同时进行加工。
例如Bullen公司主要将超声波加工用于MEMS：玻璃晶圆通孔阵列生产。该公司表示，与传统的分步重复工艺相比，在圆盘上同时加工大量通孔的成本要低得多。而且，USM工艺可以生产小至0.1mm的特征，决定特征尺寸的因素包括磨料颗粒的尺寸和刀尖设计。
此外，USM工艺可以将公差控制在±5μm的范围内，并实现高达25:1的孔深和直径比，在某些情况下，孔深和直径比可高至 60:1。
