2025年11月03日

带您了解什么是超声波辅助加工？

超声波辅助加工原理

超声波辅助加工是一种非常规的减材制造工艺，利用高频微振动能量从工件表面去除材料。一般而言，超声波电能通过换能器传递至切削刀具，使刀具产生高频微振动。超声波振动频率通常超过20kHz（即每秒20,000次振荡），从而辅助铣削、钻孔与磨削加工。

超声波辅助加工常用于先进材料的精密加工，尤其适用于硬脆或难切削材料，例如：精密陶瓷（Al₂O₃ / 氧化铝、ZrO₂ / 氧化锆、SiC / 碳化硅、石英玻璃）、光学玻璃、碳化钨（硬质合金）、硬钢、模具钢、耐热合金（如 Ti-6Al-4V / 钛合金、Inconel 718 / 镍基合金）等。

超声波加工材料去除的原理, 资料来源 : Precise Drilling of Holes in Alumina Ceramic (Al2O3) by Rotary Ultrasonic Drilling and its Parameter Optimization using MOGA-II

(图1. 超声波加工材料去除的原理, 资料来源 : Precise Drilling of Holes in Alumina Ceramic (Al2O3) by Rotary Ultrasonic Drilling and its Parameter Optimization using MOGA-II)

高频微振动类似连续的「锤击」作用，在工件内部形成微裂纹。工件表面不断受到刀具的微振冲击，累积应力至一定程度后产生微裂纹，这些微裂纹促使材料更容易从工件上剥离。

因此，超声波辅助加工常用于微结构加工，例如：

微钻孔（了解更多：超声波辅助微钻孔加工 – SiC 碳化硅陶瓷）
深孔钻（了解更多：超声波辅助深孔钻加工 – 45号碳钢）
微型内螺纹铣削（了解更多：超声波辅助M2内螺纹加工 – Al₂O₃ 氧化铝陶瓷）
高深宽比开槽铣削（了解更多：超声波辅助全槽铣削 – 42CrMo 铬钼合金钢）

(图2. 汉鼎超声波辅助加工模块 - 先进材料加工工艺优化解决方案)

汉鼎超声波加工模块的独特设计与尖端技术

汉鼎超声波加工模块：产品信息

[一套超声波加工模块]

(图3. 汉鼎超声波辅助加工模块刀柄产品系列)

包含以下组件：

超声波驱动器
超声波刀柄（HBT、HSK、CAT、砂轮系列）
功率传输器
外接控制盒

1. 超声波驱动器 — 用于产生超声波电能并自动检测刀具的共振频率。其频率等相关信息会显示在外接控制盒的屏幕上。

(图4. 汉鼎超声波辅助加工模块 - 超声波驱动器)

2) 超声波刀柄 — 汉鼎提供主流规格：HBT、HSK、CAT、砂轮系列，兼容多数 CNC 加工中心主轴类型。

(图5. 汉鼎超声波辅助加工模块 - 超声波刀柄系列)

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3) 功率传输器 — 安装于超声波刀柄旁，用于将超声波电能传输至刀柄以产生微幅振动。两者之间保持0.5mm间隙，采用「非接触式」超声波电能传输技术。

(图6. 汉鼎超声波辅助加工模块 - 超声波功率传输器)

(图7. 使用汉鼎超声波辅助加工模块的实际加工过程)

4) 外接控制盒 — 驱动器通常安装于机床电控箱内，操作者可通过外接面板远程控制。客户可根据加工目标材料，通过功率等级百分比来调整超声波振幅。

(图8. 汉鼎超声波辅助加工模块 - 外接控制盒)

[超声波模块与机床集成示意]

(图9. 汉鼎超声波辅助加工模块的安装与机床集成示意图)

(图10. 汉鼎超声波刀柄与功率传输器配合安装位置图)

汉鼎超声波加工模块：核心技术

[非接触式超声波电能传输]

从换能器（velocity transformer / transducer）到切削刀具的超声波能量传输方式，各品牌存在差异。汉鼎采用独特的非接触式（无线）超声波能量传输技术，在刀柄内部嵌入压电元件，用于产生高频（20 ~ 32kHz）微振动。

(图11. 汉鼎开发的非接触／无线超声波能量传输技术)

功率传输器与刀柄之间保持0.5mm空气间隙。此设计免除了传统超声波产品需定期更换碳刷与导电滑环的维护，不仅降低成本，还避免限制主轴转速的提升。

[自动频率检测与灵活振幅调节]

超声波驱动器除产生超声波能量（输出）外，还可通过自动频率扫描与频率锁定功能自动检测刀具的共振频率（输入）。由于不同刀具的几何形状与材料不同，其共振频率亦有所差异。驱动器可在加工过程中实时追踪并锁定最佳频率，确保输出与输入间的稳定耦合。

(图12. 汉鼎超声波驱动器检测刀具对应频率示意)

用户可通过外接控制盒上的「Power Level」旋钮（0% ～ 100%）调整超声波振幅，以控制刀具在轴向（Z 轴）方向的振动强度。不同材料需要不同的振动强度，例如加工硬钢或超硬合金时，通常设置功率在80% ～ 100%范围，以提供足够的撞击能量。

(图13. 通过Power Level旋钮调节超声波振幅示意)

[模块系统的便捷安装]

该技术以模块化系统形式提供，非整机设计，可轻松集成至现有CNC机床。此模块可视为CNC机床的升级配置，具备空间利用灵活、能耗更低、投资成本更优等优势。

汉鼎超声波加工模块的优势

以下为 HIT 超声波辅助加工在生产线中的三大显著优势。
⚠️不同工艺与用途下，其中特定优势可能更为突出。

更高的加工效率

如前所述，超声波辅助加工通过高频微振持续作用于工件，使材料内部产生微裂纹，材料更容易剥离，从而提高材料去除率（MRR，Material Removal Rate）。同等时间内可去除更多材料，意味着总加工时间缩短，加工效率显著提升。

更长的刀具寿命

传统加工在处理高硬度或高韧性材料时，往往会产生高切削阻力与切削热，加速刀具磨损、增加成本。采用汉鼎超声波辅助技术后，刀具在Z轴方向的微振动使其与工件形成间歇接触，改善切削液流入、促进切屑与热量排出，并有效降低切削阻力与温升，从而延长刀具寿命。

(图14. 使用汉鼎超声波后, 切屑尺寸更小且易排出)

(图15. 使用汉鼎超声波后, 陶瓷粉末排出更顺畅, 刀具不易积屑磨损显著降低)

更优的工件质量

在先进材料加工中，工件质量（如孔质量、表面光洁度）是客户选型的关键。

超声波加工能显著改善钻孔质量：通过降低切削阻力，有效减小脆性材料微孔加工中的边缘裂纹尺寸。

(图16. 使用汉鼎超声波后, 玻璃材料微孔出口裂纹明显减小)

此外，超声波还可降低表面粗糙度（Surface Roughness），减少刀痕，提高表面质量。切削阻力与温度的降低使刀具磨损减少，刀具与工件间的摩擦得到改善。

(图17. 使用汉鼎超声波后, 表面粗糙度下降且刀痕减轻)

在保持高质量与稳定寿命的前提下，加工参数可进一步优化，以实现更高的加工效率。总体而言，汉鼎超声波加工模块并非「黑科技」，而是一套为先进材料加工提供高效、稳定解决方案的专业技术系统。

带您了解什么是超声波辅助加工？

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超声波辅助加工原理