摘 要：随着现代科技的飞速发展，对零部件表面完整性即零部件的几何特性和表面物理性质有了更高的要求。新材料的出现使得大量耐磨、耐低温、耐高温、抗疲劳特硬、脆、难加工材料得已广泛应用。超声振动加工技术的应用，使得难加工材料表面完整性得以大幅提高。
关键词：超声振动加工；难加工材料；表面完整性
1 表面完整性控制技术理论
1.1 概念
某种受控制造工艺产生的材料表面状况和性能，或零件经过机械加工或特种加工后，表面上形成的结构和影响所及的与基体金属性质有所变异的表面层状态，称为加工表面质量（即表面完整性）。
表面完整性主要包括零部件加工后的表面几何特性和表面物理性质两方面内容。零部件加工后的表面几何特性，即指零件表面的粗糙度、波纹度、纹理、擦痕、几何形状和尺寸偏差等；零部件加工后的表面物理性质，包括零件表面层微观组织的变化、塑性变形、显微硬度、热损伤区、残余应力、微观裂纹、合金无素贫化、材质不均匀等。从表面物理性质方面对零件表面状态的微观评定主要包括：白层/重熔层、表面变形层、再沉积层、外来物、拉扯/剥落、皱折、加工硬化/应变线、裂纹等。
1.2 应用
现代高科技产品，不但对零部的几何特征，表面粗糙度、几何表状尺寸精度纹度、纹理有更高要求，且对它的表面物理性质白层/重熔层，表面变形层，拉扯/剥落、加工硬化/应变线裂纹也有更高要求。
例如：①与普通车削加工相比，超声车削碳纤维基体过渡部位就相对光滑，表面粗糙度降低25%-50%圆度提高40%-50%。②在航空航天领域深小孔、定位孔、钛合金蒙皮和复合材料蒙皮与合金骨架之间的装配连接孔加工，与传统加工相比，定位不易偏、孔圆、出口形貌、孔壁质量高，不易撕裂，显示出重要的应用价值和应用前景。
2 难加工材料
高性能合金（如高温合金，钛合金高强度钢），碳纤维复合材料，硬脆材料（金刚石、激光晶体、石英、光学玻璃、工程陶瓷）、软铝铜，烧结永磁体，等新形材料，在物理特性，耐磨，耐高低温、耐腐蚀性，高强度、抗疲劳性，抗弯折拉。还有光学特性，化学特性等。都显示出无比优异的性能特征，广泛应用在各行各业。
3 超声振动加工
3.1 原理
超声振动加工，是通过工具对被加工材料的机械振动和施加在工具或工件上的超声振动的复合作用，使工具与被加工材料的接触状态和作用机理发生变化，主要通过机械切削作用，高频微撞击作用以及超声空化作用等进行材料去除，从而减少了工具与工件之间的磨擦力（即切削力）降低了切削热，减少了工具与工件的接触时间，减少了刀具磨损，提高了加工精度，改善了零件的表面质量。
3.2 组成
主要是由超声波电源、换能器、变幅杆、超声传输系统、工具，工艺装置组成。
超声电源是由超声发生器将220V或380V的交流电转换成大于16KHz超声频的电振荡信号，经功率放大后，输出功率超声信号，通过传输系统将超声信号传输到超声换能器，再经过超声换能器将电信号转换成相应频率的机机械振动，通过变幅杆将机械振动的幅度增大，传递到工具或工件，产生超声振动，实现超声切削加工。
3.3 分类
①超声切削加工；②超声磨削加工；③超声光整加工；④超声塑性加工等
3.4 特点
3.4.1 切削力大幅降低
在超声车削时，切削速度的大小和方向产生周期性的变化，这种变化改变了整个工艺统系的受力情况。
我们试验用f=20KHz ，v=0.1m/min ，a=20um进行超声加车削时，刀具振动的最大速度和最大加速度分别可达150m/min和3.2×104g。也就是刀具的纯切削时间是1/20000s是非常短的，刀具振动的最大加速度是重力加速度的3万多倍，这使金属表面材料在局部微小体积内的物理、机械性能必将发生重大变化，使得切削更容易。因此磨擦系数大大降低，只有普通方法的1/10左右，使得切削力下降到普通切削力的1/3-1/10，对一些塑性较大材料如紫铜主切削力下降到普通切削力的1/8-1/10而径向力则降到普通切削力的1/500。这种工艺效果对精密加工或刚度低的零件加工意义非常重大。
3.4.2 切削温度大幅降低
由于切削力的减少，切削热是以脉冲形式出现，使得切削热的平均值大幅下降，工件温度不变，或热量来不及传到更深的金属内部。改善了切削条件，不但提高了加工质量和刀具的耐用度，而且消除了切削热引起的工件表面残余应力和热变形，这对需热处理的零件来说，为减少热处理后变形与裂纹创造了有利条件。
3.4.3 大幅降低表面粗糙度和显著提高加工精度
切削力和切削温度的降低，使得超声加工不易产生积屑瘤和鳞刺，变形量减少（仅为普通切削变形量的1/3～1/10）从而可以显著提高零件的尺寸几何精度和零件表面质量。
3.4.4 提高已加工表面的耐磨性，耐腐蚀性
超声切削时，在一个周期内的切削长度很小，而在零件表面上形成的是数量巨大均匀密布的花纹，从而在零件表面易形成较强的油膜，对提高滑动面耐磨性有着重要作用。
超声绗磨还可以在零件表面形成微型凹坑，形成润滑油的微量储存，经过渗透和吸附作用，使每个凹坑单元周围部分接触面存在润滑油膜，从而起到了增强润滑降低摩擦力的作用。有效的延长零件的寿命，和可靠性。
超声切削还可大幅提高工具寿命，切屑易处理，提高切削液的使用效果、降低成本、提高效益等。
4 结束语
表面完整性，对现代科技、现代制造业有着重大意义，针对新材料、新结构、新工艺的大量使用，以及长寿命，高可靠性的要求，超声振动力加工技术是先进的重要的发展方向，它涉及领域宽，应用范围广有着广阔的应用前景。