超声波加工是一种特殊的减材制造工艺，主要应用于硬脆材料的精密加工。它通过工具端部的高频振动传递磨料，对工件进行微破碎去除，具有非热加工、无选择性、加工精度高等显著特点。本文将对超声波加工的原理、系统构成、工艺参数、应用领域及技术优势与局限进行系统性说明。
一、技术定义与基本原理
技术定义：
超声波加工，又称超声空化加工，其英文术语为UltrasonicMachining。在分类上，它属于机械式特种加工。其核心特征在于，工具的宏观切削力极小，利用频率超过人耳听觉上限(通常≥16kHz)的机械振动能量，通过中间介质(磨料悬浮液)实现对工件材料的去除。
加工原理：
超声波加工基于高频机械振动冲击与磨料悬浮液的空蚀与撞击相结合的原理实现材料去除。其过程可分解为以下几个步骤：
电能-机械能转换：超声波发生器将工频交流电转换为高频(通常为16-40kHz)电信号。
机械振动产生：高频电信号驱动换能器(通常为压电陶瓷或磁致伸缩式)产生同频率的微观机械振动。
振幅放大：换能器产生的振动幅度微小，无法直接用于加工。变幅杆(又称振幅扩大棒)作为一个谐振体，将振动幅度放大至可供加工的水平(通常为5-50μm)。
能量传递与材料去除：与变幅杆末端连接的工具头将放大后的振动垂直(或接近垂直)地传递至充满工具头与工件间隙的磨料悬浮液(通常为碳化硼、碳化硅或金刚石微粉与水的混合物)。磨粒在工具头的驱动下，以高加速度连续、反复地撞击工件表面。
微观破碎机制：对于硬脆材料(如玻璃、陶瓷、半导体)，其抗拉强度远低于抗压强度。磨粒的撞击在材料局部产生微裂纹，微裂纹迅速扩展并相互交错，最终导致微小的材料颗粒从工件本体上分离，从而实现材料的“微破碎”式去除。同时，工作液的空化效应有助于清除加工区域的碎屑，并带来新的磨料。
二、系统核心构成
一个完整的超声波加工系统通常由以下四个核心部件构成：
超声波发生器：系统的“大脑”，负责产生、控制和稳定高频电功率输出，并匹配换能器的谐振频率。
声学子系统：
换能器：能量转换核心，将电能转换为机械振动能。
变幅杆：核心传动件，负责放大振幅并传递振动至工具头。其几何形状(如圆锥形、指数形、阶梯形)经过精密设计以实现最佳谐振与振幅放大效果。
工具头：直接执行加工任务的部件，其形状通常是待加工型孔或型腔的负形。材料需具备良好的疲劳强度和耐磨性，常用钛合金、工具钢等。
加工压力控制系统：用于对工具头施加一个恒定且可调的静压力(通常为几牛顿至几十牛顿)，确保工具头与工件之间的磨料悬浮液持续存在并参与切削。
磨料悬浮液循环系统：包括泵、容器和喷嘴，负责持续、稳定地向加工区域供给和更新磨料悬浮液，并带走加工碎屑和热量。
三、关键工艺参数及其影响
超声波加工的效能与质量由以下关键参数协同决定：
振动振幅：直接影响磨粒的冲击能量。振幅增大，材料去除率提高，但工具磨损加剧，加工表面粗糙度可能增大。
振动频率：影响冲击频率和空化效应。频率越高，单次冲击能量越小，但冲击次数更多，有利于获得更光滑的表面，但材料去除率可能降低。
静压力：压力过小，工具头与工件接触不良，效率低下；压力过大，会阻碍振幅传递，甚至导致工具头或工件损坏。存在一个最佳压力范围。
磨料特性：
种类：硬度越高、韧性越好的磨料(如金刚石)，去除率越高。
粒度：粒度越大，去除率越高，但加工表面越粗糙。粒度小则反之。
浓度：浓度过低，参与切削的磨粒少，效率低；浓度过高，磨粒间相互干扰，流动性变差，同样降低效率。
工件材料：该工艺对导电与否的材料无选择性，但其加工效率与材料的硬度和脆性直接相关。材料越硬、越脆，加工效率相对越高。
