PII: S0890–6955(97)00036-9
REVIEW ON ULTRASONIC MACHINING
T. B. THOE,dagger; D. K. ASPINWALLdagger;Dagger;sect; and M. L. H. WISEDagger;
(Received 23 January 1996; in final form 30 April 1997)
Abstract
Ultrasonic machining is of particular interest for the cutting of non-conductive, brittle workpiece materials such as engineering ceramics. Unlike other non-traditional processes such as laser beam, and electrical discharge machining, etc., ultrasonic machining does not thermally damage the workpiece or appear to introduce significant levels of residual stress, which is important for the survival of brittle materials in service. The fundamental principles of ultrasonic machining, the material removal mechanisms involved and the effect of operating parameters on material removal rate, tool wear rate and workpiece accuracy are reviewed, with particular emphasis on the machining of engineering ceramics. The problems of producing complex 3-D shapes in ceramics are outlined.
Keywords
Ultrasonic machining; contour machining; ceramics
1. An overview of ultrasonic machining and applications
Ultrasonic machining (USM) is a non-conventional mechanical material removal process generally associated with low material removal rates, however its application is not limited by the electrical or chemical characteristics of the workpiece materials. It is used for machining both conductive and non-metallic materials; preferably those with low ductility 1,2, 3, 4 and 5and a hardness above 40 HRC 6, 7, 8, 9, 10, 11 and 12, e.g. inorganic glasses, silicon nitride, nickel/titanium alloys, etc. 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 and 24. Holes as small as 76 mu;m in diameter can be machined [25], however, the depth to diameter ratio is limited to about 3:1 8 and 12.
The history of ultrasonic machining (USM) began with a paper by R. W. Wood and A. L. Loomis in 1927 26 and 27and the first patent was granted to L. Balamuth in 1945 7,28 and 29. USM has been variously termed ultrasonic drilling; ultrasonic cutting, ultrasonic dimensional machining; ultrasonic abrasive machining and slurry drilling. however, from the early 1950s it was commonly known either as ultrasonic impact grinding or USM 8, 25, 28,30 and 31.
In USM, high frequency electrical energy is converted into mechanical vibrations via a transducer/booster combination which are then transmitted through an energy focusing device, i.e. horn/tool assembly 1, 17,
·超声波加工结合电火花加工[16, 18, 20, 26, 34, 36]。
·非加工超声波应用，例如清洁、塑料/金属焊接、化学制品加工、涂层和金属成形。
lt;a href='http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890
2.1 超声发生器 generator）和超声换能器（Transducers）
传统的发生器系统中，装配了变幅杆（horn）和刀具，通过机械调整其规模达到共振调谐，然而，最近共振发生器已实现其功能，它可自动调整输出高频率去匹配变幅杆/刀具组件的精确谐振频率[6]。它们可以也适应装配和刀具磨损的任何微小错误，给出最小声波能量损耗和非常小的发热性[33]。供给的功率取决于换能器的大小[35]。有些超声发生器的设计带有安全特性，如在变幅杆断裂，变幅杆/刀具接头故障等[17，31，33]情况的自动开关。
换能器的振动在纵向或压缩模式。在工业中的应用，不论磁致伸缩 [12, 26, 40, 57]或是压电装置 [35, 39]都会使用，是因为它的低 Q 值（Q 是一个能量峰值锐度的度量），磁致伸缩换能器允许振动通过很宽的频率传输带传输（例如，20KHz 的发生器为 17-23KHz）[58].它也允许变幅杆有更大的设计灵活性并且可以适应刀具磨损。此外，变幅杆还可重复设计/加工几次而不会有临界振幅损失[4, 30, 46]。磁致伸缩换能器主要的缺点是其高电力损失（例如电涡流损失）和低能量效率（约等于 55%）[40]，这些损失以热的形式出现，换能器必须空冷/水冷而且换能器的体积庞大笨重，而且，相比于压电型，该换能器不适于产生高强度振动 [59, 60]，典型的压电换能器 [26, 42, 53, 61]由两盘锆钛酸铅或其他合成陶瓷组成[62]，其厚度通常不到超声波换能器总长的 10%[63]。压电传感器有更高的能量效率（约等于90~96%），因此不需要任何冷却[18,28, 59]。它不易产生热损伤，并且更容易适应旋转操作[61]并且更容易安装。
2.2 超声变幅杆和刀具组件
变幅杆被称为声耦合器，速率/机械转换器，刀架，集中器，桩模块或超声波发生器，见图 4。换能器表面的振幅过小（0.001-0.01mu;m）而无法达到合适的切削率，因此，变幅杆可作为放大设备。对每种变幅杆材料 [65]来说，其最佳调谐都是不同的，因此需要控制高机械 Q 值、良好的焊接和钎焊性、良好的声传输特性、在高工作振幅下的高抗疲劳特性，并且也应耐腐蚀和有足够高的强度来附加螺纹附件，蒙乃尔铜镍合金，钛 6-4(IMI 318)，AISI304 不锈钢，铝和铝青铜合金是常用的材料[1, 4, 20, 40, 64–67]。
该刀具的设计应该能提供在给定频率的波腹内的最大振幅[61]，所使用的材料应具有高耐磨性、电阻性，较好的弹性，抗疲劳强度并且有该应用下最佳的强度和硬度 [16, 27, 64]。碳化钨，银器钢铁，蒙泰尔铜镍合金，是较常用的刀具材料。多晶金刚石（PCD）近来被用于加工非常坚硬的工件材料，例如热等静压氮化硅[68]。
刀具可以通过敢接或钎焊，螺纹/锥度配合连接到变幅杆，另外，实际刀具的结构可以被加工在变幅杆的末端[14, 27, 35, 66, 70, 71]，螺纹接头由于换刀的快速和易用被照例使用，然而，还是存在些问题，例如自松动，声功率损耗，疲劳失效等[72]。但使用开孔刀具进行深孔钻时，通过变幅杆和刀具的中心进给磨料的能力是一个很大的优势，可以因此减少侧向摩擦力[27]。
2.3 刀具进给的推进机制和磨料供给系统
刀具通常经由配重/静态重量，弹簧，气/液或电磁进给系统施加静态负载使之置于工件之上[16, 26,27, 40, 73]，为获得最佳效果，加工时系统应保持相同的工作力方向，并且保持对切削方向阻力的足够的敏感性[16, 40]。施加的力必须仔细选择，因为若设置太低就无法达到最大的切削速度，若设置太高则会导致刀具和磨料之间的干扰[3, 70]。比较有代表性的静负载值约为 0.1-30N，钻直径小于 0.5mm 的小孔时的力要特别注意，在太高的负载下有可能导致刀具弯曲。
图 4.各类带/不带刀具头的变幅杆[69]
悬浮液通常是在刀具表面由泵喷射出，吸出，或二者相结合，正如图 5 中所示[13, 16, 28,40, 74]。它是变幅杆、刀具，工件的冷却剂，为切割区域提供新的磨料，从切割区域清除碎屑 [2, 25, 27, 28]，悬浮液同时也提供了刀具、磨料和工具间的声结合，允许高效的能源转换，横向进给的管道是与变幅杆的波节面相连接（相邻），以此来避免阻尼的影响[16,27]。最普通的磨料材料常用氧化铝，碳化硅，碳化硼，等等[4, 12, 24, 27, 37, 75–78]，磨料输送媒介应控制低粘度并且接近磨料密度，良好的湿润性，较好和较高的热导率，高效的高温冷却性，亲水性，尽量满足这些要求[3, 26, 28]。
图 5.悬浮液传输方法[13, 16, 28, 40, 74]
3 材料去除原理
Shaw[35]，Miller [79], Cook [80], Rozenberget al.[7] and others [22, 23, 43, 60]已经对材料去除原理做了大量的工作，这些原理在图 6 中有详细叙述，其包含了：
·直接锤击工件表面的研磨颗粒所导致的机械磨损[10, 28, 34, 35, 37, 40, 50, 60, 70, 81];
·冲击自由移动研磨颗粒所产生的微小碎屑[28, 35, 37, 50, 70,81, 82];
·来自研磨悬浮液的气穴现象效果
·与流体有关的化学作用
上述机理的单独或联合作用通过切变[13, 36, 70]或断裂（对硬性材料或加工硬化材料）[13] 去除工件材料，材料的去除是在表面上，不需要移动，同时表面上有短暂的塑性变形[13,36]。
多孔材料如石墨与硬化钢和陶瓷相反，对于材料去除来说，气蚀具有重大的贡献[10, 23,28, 35, 37, 81]，Markov [21]等人[27, 35]认为气蚀和化学效应是第二大重要性，多数工件材料作用本质上是削弱工件表面，协助磨料循环利用和排除碎屑，在 RUM 中，Komaraiahetal.[83] 和 Enomoto [84] 发现在脆性材料中赫兹裂缝的形成所要求的静负载要小于滑动缩进。
图 6 USM 材料去除原理 [81].
3.1 各种操作参数对材料去除率的影响
在加工前可以通过加速器 [10],电涡流探针[30, 85]，激光多普勒测量仪（dopplermeter）[86]，激光斑点干涉仪[58]测量超声刀具振幅xi;，通过使用高转化率刀具，如换能器直径比率 [27, 39]，获得高频振幅，理想情况下，为了优化切割速度 [3, 4, 6, 10, 13, 24, 49, 66]，振幅应该与粗磨料平均直径相等，Shaw [35] 认为了 MRRprop;xi;3/4，其他研究者[77, 79,87]认为MRRprop;xi;，也有部分人认
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