微细超声加工的发展及应用

微细超声加工的发展现状及应用

摘要:对微细超声加工的加工原理、材料去除机理和特点进行了阐述，重点在于对国内外微细超声加工的发展和应用进行总结和举例，包括旋转超声加工、成形加工和分层扫描超声加工及微细超声复合加工，最后总结了微细超声加工未来发展趋势

关键词:微细超声加工；旋转超声加工；成形加工；分层扫描；微细超声复合加工

Current Situation and application of micro ultrasonic machining Abstract：Through describing the machining principle、material removal mechanism and characteristics of micro-ultrasonic machining, this paper emphasize on the development and application of micro ultrasonic machining at home and abroad. And the application includes rotary ultrasonic machining, molding process and layered scanning ultrasonic machining and micro-ultrasonic composite processing. Finally the future development trend of micro ultrasonic machining is summarized.

Key words：micro-ultrasonic machining rotary ultrasonic machining molding process layered scanning micro-ultrasonic composite processing

前言

科技的日新月异不仅对材料的性能提出了更高的要求，同时对具有微小特征的精密零件有了越来越多的需求。尤其在电子、光学、医疗、生物科技、通信以及航天等领域，零件的小型化和精密化已经成为当前的发展趋势[1,2]。随着微机械（Micro Electro Mechanical System）技术的发展，高新技术产品呈现微型化、精确化，晶体硅、陶瓷和光学玻璃等非金属材料得到广泛应用，微细加工成为现代制造技术重要的发展方向。

MEMs技术具有集成度高、便于大批量生产等优点。但是这种方法难以加工具有特殊性质的金属材料，例如一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、耐磨、耐高温、抗疲劳等性能的材料。微细切削与某些特种加工相比，生产率高、容易保证加工精度。但是，这类加工方法都存在宏观切削力，而且不能加工比刀具硬的材料。

特种加工方法采用各种物理、化学及其各种理化效应，直接去除材料以达到所要求的形状和尺寸。它们多属于非接触加工，一般没有宏观切削力作用。因此它们在加工微小尺度的零件时具有独特的优越性。目前适合硬脆材料的材料加工手段有光刻加工、电火花加工、激光加工和超声加工等特种加工技术。但是对于晶体硅和陶瓷等非金属材料，材料本身不导电，所以无法用电火花和电化学等方法加工；材料的耐高温和导热性不好，激光加工时加工区域会受热影响作用而开裂；光刻加工虽然可以加工非金属材料同时不受导热性的影响,但是在加工高深径比和复杂三维型腔时难度依然很大。而超声波加工既不受材料导电性和导热性的限制,又可以加工出深径比很大且形状复杂的三维型腔,尤其适用于硬脆性材料的加工。所以超声加工在加工陶瓷和半导体硅等非金属硬脆材料上有得天独厚的优势。随着压电材料及电子技术的发展,微细超声、旋转超声、超声复合等加工技术成为了当前超声加工研究的热点。

1微细超声加工的特点和原理

声波是人耳能感受的一种纵波，频率在16Hz-16kHz。“超声波”，用来描述频率高于人

耳听觉频率上限的一种振动波，通常是指频率高于16kHz以上的所有频率。超声波的上限频率范围主要是取决于发生器，实际用的最高频率的界限，是在5000MHz的范围以内。在不同介质中的波长范围非常广阔，例如在固体介质中传播，频率为25kHz的波长约为200mm；而频率为500MHz的波长约为0.008mm。

1.1超声波具有独特的特点

（1）.超声波能传递很强的能量，并且对传播方向上的障碍物施加压力；

（2）.当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象，从而引起固体物质分散、破碎等效应；

（3）.通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象；

（4）.在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象。

1.2超声加工的基本原理

超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中，产生磨料冲击、抛磨、液压冲击及气蚀作用而去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的加工方法。

传统超声加工的加工原理图如图1，主要由超声工具、加工工件、磨料悬浮液、变幅杆、超声波发生器和换能器等部分组成。在加工时，工具和工件间加入液体（煤油或水等）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力轻轻作用在工件上，由换能器产生超声频的纵向振动，并借助于变幅杆将振幅放大到0.05-0.1mm左右，驱动产生一定静压力压使工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工表面。

图1 传统超声加工的加工原理图

微细超声加工在原理上与常规的超声加工相似，都利用工具端面在超声振动下通过磨粒悬浮液加工硬脆材料，可以说微细超声加工只是在微纳米尺度对小型工件进行加工，但是不同之处在于微细超声加工的加工振幅较小，一般只有几微米，不需要变幅杆的放大作用，仅靠换能器产生的振幅已能满足微细加工的要求；不同于传统超声波加工的工具振动方式，微细超声波加工目前多采用工件加振的方式，即通过高性能的双面胶把工件和超声波换能器紧密结合到一起；工具电极以微米级速度向下进给；工具电极直径微小，需在线制备才能满足加工精度要求。加工原理图如图2