超声波加工（Ultrasonic Machining, USM）是一种利用高频机械振动（通常 20–40 kHz）驱动磨料微粒冲击工件表面，通过微切削和塑性变形实现材料去除的特种加工技术。它不依赖传统刀具的切削力，特别适合加工硬脆材料（如玻璃、陶瓷、石英、硬质合金等）和复杂形状的精密零件。

一、核心原理

1. 能量传递：

   • 超声波发生器将电能转化为高频机械振动，通过换能器（压电陶瓷）传递到工具（通常为金属杆或金刚石镶嵌工具）。
   • 工具末端附着磨料颗粒（如氧化铝、碳化硅、金刚石微粉），形成高速微冲击波（速度可达 10–20 m/s）。

2. 材料去除机制：

   • 磨料颗粒在振动作用下周期性撞击工件表面，产生微切削和微裂纹扩展。
   • 适用于脆性材料的断裂去除，而非塑性变形（与传统切削不同）。

二、主要设备类型

1. 超声波抛光机

   • 功能：通过磨料悬浮液对工件表面进行精密抛光，达到镜面效果。
   • 典型应用：光学镜头、半导体晶圆、珠宝首饰。

2. 超声波振动切削机床

   • 功能：加工硬脆材料的平面、曲面或微结构。
   • 配置：可集成旋转主轴（用于三维曲面加工）或数控系统（实现复杂路径控制）。

3. 超声珩磨机

   • 功能：利用珩磨头上的磨料条对内孔或圆柱面进行精密修形。
   • 特点：表面粗糙度可达 Ra ≤ 0.01 μm。

4. 超声波辅助加工系统

   • 功能：与传统切削（如车削、铣削）结合，降低切削力并提高刀具寿命。
   • 应用：钛合金、碳纤维复合材料加工。

三、关键技术优势

四、典型应用领域

1. 精密光学元件

   • 激光透镜、棱镜、光学模具的抛光与微形变修正。

2. 半导体制造

   • 硅晶圆打孔、微结构阵列加工（如传感器探针）。

3. 航空航天

   • 碳纤维复合材料（CFRP）的钻孔与分层切割。

4. 医疗器械

   • 人工关节、牙科种植体的精密微加工。

5. 模具与刀具

   • 硬质合金模具的复杂型腔抛光，金刚石刀具的刃口修整。

五、工艺参数影响

1. 超声波频率：

   • 高频（40 kHz）：适合微细加工（如纳米级纹理）。
   • 低频（20 kHz）：适用于大功率粗加工。

2. 磨料选择：

   • 氧化铝（Al₂O₃）：通用型，成本低。
   • 金刚石微粉：高硬度，适合超精密加工（如宝石）。
   • 碳化硅（SiC）：耐磨性好，用于硬质合金加工。

3. 进给速度：

   • 通常 0.01–0.5 mm/min，过快会导致磨料堆积或工件损伤。

4. 液体介质：

   • 必须使用磨料悬浮液（如水或油基溶液），兼具冷却和排屑作用。

六、局限性

• 材料限制：仅适用于脆性或硬质材料，软金属（如铝、铜）效率极低。
• 加工效率：去除率低于传统切削（约 1–10 μm/min）。
• 设备成本：高频换能器和精密控制系统增加了设备造价。

七、未来发展方向

1. 复合加工：与激光、电火花结合，实现多能场协同加工。
2. 智能化控制：通过AI实时优化振动频率和磨料浓度。
3. 纳米级加工：开发超高频（MHz级）超声波技术，突破微纳制造极限。