先进陶瓷是一种具有高熔点、高硬度、高耐磨性以及耐氧化性能的功能材料，在众多领域中展现出极大的应用价值。然而，在机械加工成型过程中，由于受到工艺条件的限制，常用的成型方法难以准确预留用于装配的各种孔、槽、边。这就意味着，在生产过程中，往往还需要在先进陶瓷产品上打上微孔、小孔、深孔等结构，以满足产品的装配需求。目前针对深孔、微小孔的加工工艺主要有激光加工、电火花加工、旋转超声加工、微波加工、磨料水射流加工等，其中，在对孔深度、直径均有要求的深小孔加工上，旋转超声加工具有独特的优势。

深小孔加工也困难重重！

根据日本 JIS 标准，深小孔是指直径小于2mm、深径比大于5的孔结构。由于其同时受到孔深度和直径的限制，深小孔的加工面临切削阻力大、刀具易磨损寿命低、加工温度高、不易断排屑等挑战，尤其是在面对先进陶瓷这种典型的难加工硬脆材料的情况下，深小孔的加工更是难上加难！

打孔陶瓷结构件

（1）排屑问题：切削路径长，排屑空间狭窄，切削排出困难，容易与孔壁摩擦（表面出现螺纹沟），易发生切削阻塞，刀具容易磨损、崩刀或零件直接报废。加工耗时长，效率偏低，因此在加工过程中要不断地断屑、排屑防止堵屑。

（2）刀具刚性差：深小孔加工的刀具细长而导致刚性严重不足，加工时，易出现振动、扭曲、折断等刀具损坏现象，而使得中心线偏斜，不仅导致表面粗糙度差，有振纹和波纹，孔的尺寸精度、位置精度及表面粗糙度也难以保证，影响孔的加工质量。

（3）散热难：切削散热难。工件、刀具相互摩擦产生的热量主要是依靠刀具和工件本身以及切屑带走，散热时刀具刃口温度的急剧升高，极大影响刀具耐用性，同时已加工孔也易发生热胀冷缩，严重影响孔加工精度。 

（4）陶瓷材料难加工：陶瓷材料强度高，耐磨性好、脆性高等特点在切削加工上反倒成为一大挑战。如在薄型陶瓷材料或工件的边、角处钻孔时，会在冲击点周围出现裂纹甚至出现边、角破裂现象。

旋转超声加工的原理特点

针对上述陶瓷材料深小孔加工难题，旋转超声加工应运而生！旋转超声加工是结合了传统旋转加工（如铣削、磨削）与超声加工的复合加工方式。传统超声加工是在工件和工具间加入磨料悬浮液，再利用超声振动使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面，使工件发生微观破裂，从而实现对硬脆加工材料局部加工的过程。

超声加工原理

而旋转超声加工与传统超声加工的不同之处在于：其使用固结磨料（如金刚石、立方氮化硼）的刀具，刀具以一定振幅作轴向超声频（20-40kHz）微小振动的同时还相对于工件做高速旋转运动，通过采用恒力或恒速的方式向工件进给，从而实现陶瓷材料的精密钻孔加工。这个过程是一个较为复杂的过程，一般认为超声振动的锤击作用、固结磨料的抛磨作用、超声空化作用以及液压冲击和旋转运动多个机理相互促进组合的结果。

旋转超声打孔示意图

（1）超声振动的锤击作用：超声波在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张,构成了介质间压力的变化，从而将超声频电振荡转变为机械振动，引起介质刀具与工件产生周期性的分离，使工件材料表面产生压痕，导致微细裂纹的产生和扩展，以致材料的微观局部破碎去除。

超声振动的锤击作用

（2）金刚石工具的磨抛：在超声振动引起加工工件表面产生大量裂纹的基础上,由于固结磨料刀具的高速旋转，使得嵌入工件表面的磨粒在工件表面上划擦、磨抛、撕扯工件材料，从而大大加速微裂纹的扩展，使材料以脆性断裂]和粉末化形式从工件脱落、去除。

磨粒抛磨作用

（3）超声空化作用：当超声波传播到液体介质（工作液）的时候，工作液中的微气泡在声场的作用下产生振动，当声压达到一定强度时，气泡将迅速膨胀，并在瞬间坍塌产生冲击波，这种气泡膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称为空化作用。这种空化作用将促使工作液进入被加工材料的微裂缝处，不仅可以加剧机械破坏作用，还可充分的起冷却和润滑作用，从而减轻或避免传统磨削过程中出现的工件表面烧伤问题。

空化作用

（4）液压冲击和旋转运动：超声空化爆破作用和工具的旋转运动使碎屑始终处于运动状态,阻止了碎屑的沉积过程,促进了碎屑在工作液中流动,加速碎屑的排除,使得加工区工作液保持动态平衡,从而保证了加工的进行。

相对其他精密钻孔技术的优势

针对硬脆材料的特种特种加工方法

相比电火花加工：电火花加工是利用工件与的电腐蚀现象来蚀除多余的材料来实现打孔的，但面对先进陶瓷这类绝缘材料，需要对其进行改进使其具备导电性。而旋转超声加工并不受材料是否导电的限制，适用材料的范围更广。

相比激光加工：利用高能量长脉冲的激光聚焦于陶瓷材料上进行打孔时，无法避免的产生强烈的热效应而影响孔的形貌，进而影响材料的性能，较适合微小孔的加工，但不适用于深小孔。而超声波加工是非热加工，在工作过程中，通常会加入冷却液，既能有效冷却工具和工件，又有助于润滑切削区域，消除了激光加工时可能发生的与热相关的损坏的风险。

相比磨料水射流：磨料水射流是运用液压增压原理，产生高速水射流与磨料产生剧烈紊动扩散和混合而形成高速磨料水射流。利用其加工硬脆材料过程中，主要以剪切磨损的方式去除材料，由于磨料水射流有较高的压力，磨粒以较高的冲击动能冲蚀工件，陶瓷材料发生脆性断裂，在工件表面生成微观裂纹，并形成大量的冲蚀坑，精度不高。旋转超声技术仅利用超声振动使刀具产生微小振动，更有助于材料的微观切削，可以达到+/-0.005mm甚至+/-0.001mm的精度，0.007mm的正常孔公差以及0.1mm的最小圆角半径。

相比单一的超声加工：旋转超声加工引入了旋转作用，加快了碎屑的排出和工作液的流动，使得材料去除的效率大幅提升，解决了单一超声加工效率低的弊端。同时，其刀具头固结了金刚石、立方氮化硼等高硬度磨料，也有效解决了工具头易损坏和磨粒消耗量大的问题。

小结

总之，旋转超声加工同时结合了传统旋转加工和超声加工的特点，相对于其他单一的特种加工方法，其无需让刀具周期性后退，只需保持所需的工作压力直到孔加工完成，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，是一种加工硬脆材料的有效方法，特别是在深小孔加工中具有明显优势。但目前旋转超声加工所用工具的尺寸都很小, 一般只用于精密打孔，对大尺寸工件进行磨削、切削较为困难，未来若能将其应用于传统大尺寸工具的磨削加工中，或许能使这项技术得到进一步的推广！

参考来源：

1、冯平法,王健健,张建富等.硬脆材料旋转超声加工技术的研究现状及展望[J].机械工程学报.

2、旋转超声加工技术的研究进展综述，中北二院研究生工作.

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