利用旋转超声加工技术加工陶器旋转超声加工技术为陶瓷和玻璃的加工应用上提供快速的高质量的加工途径。

旋转超声加工技术是一种混合了利用钻石磨削超声机械来切削材料的工艺，和那些单独利用钻石磨削或者超声加工技术相比，它可以提供一个更高的材料切削速率。

通过利用钙、铝、硅酸盐和稳定的氧化镁、氧化锆来做实验可以得出在同样的条件下利用旋转超声加工技术加工材料的切削速率是利用惯例的磨削加工工艺的六到十倍，是超声加工技术的十倍。

利用旋转超声加工技术来打很深的洞比超声加工技术更容易，而且洞的精确性更高。

这种工艺的其他好处包括有一个更好的表面光洁度和刀具所受到的压力也会更小。

图1在超声加工中，刀具的形状正好和工件表面的洞或腔的形状一致，在两万赫兹的高速频率中摆动，利用一个恒定的压力插入工件表面（见图1）。

在刀尖和工件表面加上一种由水和小磨粒组成的磨粉浆。

当磨粒悬浮在刀具和工件表面的泥浆中时，工件表面的材料被切削掉了，利用震动刀具往下走来作用在工件表面。

图2在旋转超声加工中，当机器的轴在一个恒定的压力下被动的靠近工件表面是，一个用金属黏合带腐蚀性的钻石做成的空心旋转钻头在轴向做超声震动（见图2）。

空心的钻头中喷出冷却液冲走切削垃圾，同时防止切削垃圾干扰钻头，并且让它冷却。

通过刀具上直接黏合的腐蚀物，并且结合同时发生的转动和震动，旋转超声加工技术为多种玻璃和陶瓷生产应用提供了一个更快，更高质量的加工途径。

旋转超声加工的历史尽管超声加工的原理在1927年被认识到，超声加工技术的第一次使用没有在工业文明中被描述直到1940年。

自从那是以后，超声加工被引起很大的注意，并被运用在工业中相对很大的领域。

在1953年到1954年，第一代超声加工工具的发明，很大程度上是依据钻头和压磨机。

到1960年，可以看到各种类型和尺寸的超声加工工具运用在各种运用上，同时很多模型开始进行批量生产。

在陶瓷的应用中，超声加工和普通机械加工相比有很多的优势。

导体和绝缘体材料都可以被加工，同时加工复杂的三维立体外形可以像加工简单的外形一样快速。

再者，这种工艺不会在工件的表面产生热变形和化学的反应，同时作用在工件表面的浅的压应力能增加被加工部分的受力强度。

可是，在超声加工中，在刀具和工件表面必须添加和排除磨粉浆。

结果是材料切削的速率是相当的慢，甚至随着加工深度的增加切削会被停止。

磨粉浆在被排除到工件表面时可能会磨损被加工洞的表面，这会限制精度，特别是对于小的洞。

再者，磨粉浆会加工刀具，这会引起刀具相当大的磨损，反过来，让它很难保证加工的公差。

旋转超声加工在1964年被P.Legge发明。

在第一代旋转超声加工设备中，没有使用研磨粉，而直接把一个震动的金刚钻冲击旋转的工件。

因为工件是用旋转的四爪卡盘夹持，所以只能加工圆形的洞，同时用这个设备只能加工相对小的工件表面。

随着科技的发展，发明了由旋转超声换能器组成的机器。

旋转超声换能器让精确地加工静止的工件表面到很小的公差成为可能。

用不同形状的工具，各种各样的操作可以延伸到端铣削、开槽、楔形榫头的切削、打螺纹、内圆和外圆的磨削。

旋转超声加工设备图3旋转超声加工设备包括一个特别设计的轴，用来连接到超声换能器上。

超声电源把传统的电线上的电压转换成频率为两万赫兹的电能。

这个输出功率作用在放在轴上的压电式换能器，然后这个换能器把输入的电能转换成机械震动。

通过改变电源输出的大小来调节超声波震动的振幅。

通过电脑编程轴的转速（rpm）可以达到8000rpm.多种形状的转头被运用在旋转超声加工中，金刚钻和电镀的刀具特别用在陶瓷和工业玻璃的加工应用中。

金刚钻刀具更耐用，但是电镀刀具比较便宜，所以不同的应用场合，选择不同的刀具。

超声加工设备和旋转超声加工设备之间的一个最主要的区别在于超声加工设备用软性的刀具，例如不锈钢、黄铜、低碳钢，同时刀头中的泥浆是用硬磨粒装满的，而在旋转超声加工中的硬磨粒是金刚石，并且直接黏合在刀具上。

另一个主要的不同点是旋转超声加工的刀具是同时震动和旋转的，而超声加工的刀具只有震动。

这些不同点让旋转超声加工技术在陶瓷和玻璃加工操作时提供速度和精度的优势。

旋转超声加工在实际中的应用图4因为随着现在各种私有的作坊出现，所以讨论实际的运用有一点困难。

在很多的例子中，旋转超声加工方法带来了一个竞争的优势，同时私有的作坊没有揭示工作应用的信息。

下面是一些平常表现出来的工作类型的例子。

一、有成本效益的研究今天的研究人员通常很难经济的快速的对氧化铝管有个准确的说明。

如果用常规的加工途径，研究人员必须获得很小颗粒的材料，通常需要很高的代价，通过很长时间的碾压和加热工艺来生产出细小颗粒的材料。

利用旋转超声加工工艺，研究人员可以既省钱又省时地从氧化铝卖主那里买来密度正好的已经做好的氧化铝的原料，然后很容易的把它加工成需要的尺寸和硬度（传统的加工工艺不是很好的适用于过火的原料，同时超声加工在这种应用上很费时又受实际加工深度的限制）薄的陶瓷管壁和厚的陶瓷管壁之间的距离相差16英寸（40毫米）的距离，有些薄的圆盘只有0.05英寸（0.127毫米）,可以用旋转超声加工方法轻松的加工。

二、在半导体上的用途旋转超声加工能在硅、石英、蓝宝石和矾土这些材料中转上百个或者更多的直径在0.022英寸（0.55毫米）深度在0.4英寸（10.06毫米）的洞的能力为半导体市场提供了一个只有唯一方法到一直在变化着的和快速发展的技术工业。

三、在激光棒和光纤材料上的应用旋转超声加工工艺能加工10英寸长的棒状的石英、玻璃、蓝宝石、红宝石等材料。

那些材料的直径往往在0.001英寸以内（0.025毫米）。

这中技术可以在同种材料或者硼硅酸盐玻璃、氮化铝、矾土、金刚砂或者其他陶瓷的原料上，在需要的指定地方或者平行的孔对孔的地方打出高强度的洞。

未来的改进图5未来使用旋转超声加工技术的一个热点领域是用旋转超声端面铣陶瓷材料。

旋转超声加工当前由于刀具只能做旋转运动而限制于只能打圆孔。

但是，人们已经做出尝试来扩展旋转超声加工的用途，让它能加工平的表面或者端面铣，在这方面的研究正在进行中。

一个用来扩展旋转超声加工技术来加工表面铣的研究被Z.J.Pei博士在1999年提出来。

在这个研究中，切削表面是一个圆锥的表面，不是圆柱的或者底面是水平的。

这种方法的优势是切除材料的机械装置和旋转超声加工保持一致，同时也能加工很大的工件上的水平表面。

这种技术已经被应用到了工业，同时在未来的研究和发展中。

旋转超声加工的这个或者其他的优势，让这种加工方法在将来玻璃和陶瓷工业应用中持续增加欢迎度。

超声加工超声加工能被用来加工先进材料的各种错综复杂特征。

图6图6.在氧化铝材料上切出正方形的，圆的和奇怪形状的形状。

设计好的陶瓷材料为今天的科学家，设计工程师和R&D工程师展示许多有吸引力的材料。

这些材料有高的硬度，大的热阻，化学性质稳定，好的电导率，高的硬度和质量比和长的使用寿命。

这些特征让陶瓷材料有个广泛的应用，包括结构上的，半导体上的，微型电机系统，医学上的，国防上的和航空航天电子上。

过去的二十年中，工程陶瓷材料在这些领域的使用有个快速的增长。

设计师，工程师和科学家坚持发展这些材料和他们性质的优势。

加工这些材料到需要的准确精度对技术是一个挑战。

在很多的应用上需要错综复杂的形状，小的偏差和出色的更加精确的尺度。

再者，小的加工表面损伤和精确的表面特征在最后的使用中是非常严格的。

惯例式和淬火技术通常很难达到这些需要。

金刚石车刀加工受限制于加工表面的形状和尺寸，同时很费时间。

EDM提供各种表面的形状和尺寸，但他很适合于用在导体材料。

自从激光闪光管是由发热造成的工艺，发生过热损害和在最后的使用中有一个负面的影响，特别是在高可靠性的运用场合。

相比之下，超声加工是一种没有热量，没有化学反应和没有电加工的工艺他可以保留材料的化学成分，材料的微观结构和工件表面的本身的性质没有改变。

有时提到像超声波冲击粉碎或振动切，进程能习惯于在先进材料表面生成大范围的错综复杂的特征。

超声加工是一种机械的切除材料的工艺可以被用来加工有超过40HRC硬度的导体和绝缘体材料。

超声加工工艺能用来加工有很高精度的微型特征的圆形的和古怪形状的洞，看不见的腔和OD/ID特征。

多种特征能同时被钻孔，同时重要的是减少加工的时间（见图6）。

超声加工的原理图7在超声加工工艺中，一个低频率的电子信号作用在变换器上，它可以把电能转化成高频率（20000赫兹）的机械震动（见图2）。

这种机械能量传给一个装有刀具的发生器，产生一个使刀具在超声频率下做一定振幅的单向摆动。

标准的震动振幅在0.002以下。

这个工艺下的电压在50到3000瓦特之间。

刀具上作用一定的静载荷。

一定流向的磨粉浆作用在刀具和工件表面之间。

通常使用有腐蚀作用的材料包括金刚石，碳化硼，金刚砂和氧化铝，同时抛光粉悬浮在水和恰当的化学溶液中。

更为了在加工区域内有抛光粉，泥浆是用来冲掉残渣。

震动的刀具，结合了有腐蚀作用的泥浆，均匀的磨损材料的表面，让刀具形状有一个精确的外观。

超声加工是一种不精确的有腐蚀作用的加工工艺它要求一个小的作用力应用在抛光粉上，它能减少材料需要量和对表面的损害减少到最小。

在超声加工中移除材料能被分成三个机械装置：直接的磨粒敲打在工件表面造成的机械损伤（主要的），微晶片通过自由移动的磨粒作用（次要的），和气穴腐蚀和化学作用（次要的）。

材料移除的速率和表面的粗超度生成在加工表面决定于材料的性质和工艺的参数，包括工人使用抛光粉的形状和尺寸和震动的振幅，和材料的有无空洞，硬度和韧性。

通常来说，高硬度和高韧性的材料会降低材料切削的速率（KIC）。