超声波辅助加工技术：开创CMC陶瓷基复合材料高效制造新时代

2025年11月18日


 

 超声波辅助加工技术：开创CMC陶瓷基复合材料高效制造新时代 



陶瓷基复合材料（CMCs，Ceramic Matrix Composites）以高强度、耐高温和优异的耐磨性能而著称，被广泛应用于航空航天、赛车及汽车制造领域。然而，这些优异的特性也带来了极高的加工难度。传统磨削与钻孔工艺常面临切削阻力大、刀具磨损快、裂纹产生多、加工效率低等问题。

为解决这一难题，汉鼎智慧科技（HIT）推出了创新的超声波辅助加工技术，并在碳纤维陶瓷刹车盘（CCB）加工中取得了突破性成果：
  • 材料去除率（MRR）提升 3.3倍
  • 砂轮寿命延长 3倍
  • 钻孔周期缩短 5倍
  • 孔边裂纹尺寸降至 ≤0.1mm
  • 刀具寿命延长 4倍
 

 

【为什么陶瓷基复合材料（CMCs）难以加工？】

 

🔘 哪些材料特性导致崩角、毛刺和高温问题？

 

低断裂韧性与缺乏塑性变形

陶瓷基复合材料（CMCs）的脆性极高，裂纹容易从微小缺陷处扩散，而不会形成连续切屑，导致加工表面不稳定、边缘易崩。

跑车用碳纤陶瓷刹车盘局部结构
(图1. 跑车用碳纤陶瓷刹车盘局部结构)
 

高硬度与磨蚀性陶瓷相

如SiC、Al₂O₃等陶瓷相极具磨蚀性，导致刀具磨损迅速、切削热集中在接触面。
 

非均质与各向异性结构

纤维增强结构导致切削力不稳定，界面易剥离，使切口边缘模糊、产生毛刺。
 

低热导率导致切削热集中

陶瓷材料的导热性能较弱，加工过程中切削热易积聚在刀具与工件接触区，造成过热与烧伤风险。
 

氧化敏感性

高温下，含碳相材料易发生氧化脆化，使韧性降低，进一步导致边缘崩裂。


 

🔘 传统加工方式的限制

 

磨削工艺：加工时间长，切削热高，砂轮磨损严重

陶瓷材料极硬且具强磨蚀性，导致金刚石磨粒快速钝化或脱落。为了避免脆裂与过热，磨削时需维持低切深与低进给速率。然而材料硬度导致切削热过高，砂轮磨损加剧并需频繁修整，造成材料去除率低、砂轮消耗高。

 

钻孔工艺：加工时间长，孔质量差，刀具磨损严重

CMC材料钻孔过程耗时长，孔口容易开裂。由于材料硬度高且结构复杂，刀具钻刃与硬颗粒持续摩擦，导致金刚石涂层迅速剥落。为了避免孔边裂纹，通常需牺牲加工效率，进一步延长加工周期。
 
 

【HIT超声波技术的创新解决方案】

 

🔘 超声波辅助磨削机理


HIT超声波加工模块在磨削过程中提供砂轮每秒超过20,000次的轴向高频微振动，使砂轮与工件周期性分离并产生冲击，将传统的连续摩擦转化为微冲击去除模式，显著提升材料去除效率。同时，这种周期性分离促进切削液进入加工区，实现冷却降温与高效排屑。

HIT超声波辅助磨削技术在碳纤陶瓷刹车盘CCB中的应用
(图2. HIT超声波辅助磨削技术在碳纤陶瓷刹车盘CCB中的应用)


 

🔘 超声波辅助钻孔机理


在钻孔过程中，超声波的微冲击切削促使脆性材料内部产生可控微裂纹，使材料去除更加平稳。短接触时间与低摩擦热减少了孔口崩边，同时改善了切削液流入与排屑效率，显著提升钻孔质量。

 
 

【HIT超声波辅助加工CMC的成功案例】

 

🔘 HIT超声波辅助陶瓷基复合材料CMC磨削加工

 
表A. 超声波磨削CMC：加工信息
  材料   碳纤陶瓷刹车盘（C/SiC）
  加工特征   平面磨削（粗加工）
  使用刀柄   HBT-40-W01 超声波砂轮刀柄
  使用砂轮            #80 Φ120mm 电镀金刚石砂轮             
 
 

碳陶刹车盘（CCB）平面磨削加工條件

 
表B. 加工参数（传统 vs. 超声波）
   主轴转速 
(S: rpm)		  进给速率 
(mm/min)		   径向切深  
(Ae: mm)		   轴向切深  
(Ap: mm)		  超声波功率 
(%)
 HIT 超声波  5,952  1,200  20 0.020 100
原始工艺 900 0.008 -
 
 
  • HIT超声波技术为砂轮提供高频微振，使砂轮在加工过程中间歇性撞击工件，形成冷却与排屑空间，有效降低磨削阻力。
  • 磨削阻力的下降允许提高进给率与切深，实现整体材料去除率提升3.3倍。此外，砂轮冷却与排屑效率提升，使砂轮寿命延长3倍。
 
 

碳陶刹车盘（CCB）平面磨削加工结果

 
表C. 加工结果 — 超声波技术实现更高MRR与更长砂轮寿命
   材料去除率 
(mm3/min)		 砂轮寿命
 (工件数量/每个砂轮) 
 HIT 超声波  480 3
原始工艺 144 1


HIT超声波磨削使CCB材料去除率提升3.3倍
(图3. HIT超声波磨削使CCB材料去除率提升3.3倍)


HIT超声波磨削使砂轮寿命延长3倍
(图4. HIT超声波磨削使砂轮寿命延长3倍)


🧠 了解更多：碳陶刹车盘（CCB）：平面磨削加工




🔘 HIT超声波辅助陶瓷基复合材料CMC钻孔加工
 
表D. 超声波钻孔CMC：加工信息
  材料   碳纤陶瓷刹车盘（C/SiC）
  加工特征   Φ5 x 5mm (盲孔)  *径深比 1:1         
  使用刀柄     HBT-40 超声波刀柄
  使用刀具        Φ5mm 金刚石钻头
 
 

碳陶刹车盘（CCB）钻孔加工條件

 
表E. 加工参数（传统 vs. 超声波）
   主轴转速 
(S: rpm)		  进给速率 
(mm/min)		 Q值-啄钻量
(mm)		   轴向切深  
(Ap: mm)		  超声波功率 
(%)
 HIT 超声波   4,000~6,500  2~8  0.16~1.00  2.5~5 50
原始工艺 4,000 1 0.04 5 -
 
 
  • 在HIT超声波钻孔过程中，刀具与工件间歇性接触，形成冷却与排屑通道，有效降低钻削阻力。
  • 钻削阻力的降低使得加工参数得以优化，单孔加工时间缩短5倍，实现更高加工效率。
  • 刀具撞击频率更高但力度更轻，使孔边裂纹明显减少，孔质量提升5倍。
  • 在相同条件下，单支钻头可完成更多孔数，刀具寿命延长4倍。
 
 

碳陶刹车盘（CCB）钻孔加工结果

 
表F. 加工结果 — 超声波技术实现更高效率、更干净孔面、更长刀具寿命
  加工时间
 (分钟/每孔) 		  孔边裂纹尺寸 
(mm)		  钻孔数量 
(孔数/每支刀具)
 HIT 超声波  3 0.1 12
原始工艺 15 0.5 3


HIT超声波钻孔使加工效率提升5倍
(图5. HIT超声波钻孔使加工效率提升5倍)


HIT超声波钻孔使孔质量提升5倍
(图6. HIT超声波钻孔使孔质量提升5倍)


HIT超声波钻孔使刀具寿命延长4倍
(图7. HIT超声波钻孔使刀具寿命延长4倍)


🧠 了解更多：碳陶刹车盘（CCB）：钻孔加工
 
 

【产业应用领域】

 

🔘 汽车与赛车产业：碳纤陶瓷刹车盘（CCB, Carbon-Ceramic Brake Disc）


碳纤陶瓷刹车盘在赛车产业的广泛应用 - 图片来源：Gemanis Industries LLC
(图8. 碳纤陶瓷刹车盘在赛车产业的广泛应用 - 图片来源：Gemanis Industries LLC)


碳纤陶瓷刹车盘因其高刚性、轻量化、优异耐热性而广泛应用于GT和耐力赛车。轻量结构带来更灵敏的转向、更快响应与更稳定的制动表现。陶瓷基体具卓越抗氧化与耐磨性能，在潮湿或混合环境下依然保持稳定。不过，该类刹车盘需适当预热与磨合，对冲击与热冲击较为敏感，且成本较高。


 

🔘 航空航天产业：飞机结构支架（Aircraft Brackets）


AI生成图像 - 航天领域中CMC制成的飞机支架模拟图
(图9. AI生成图像 - 航天领域中CMC制成的飞机支架模拟图)
 

CMC广泛用于飞机发动机整流罩、排气管道和隔热防护结构中。其低热膨胀率、高温刚性与抗氧化性可有效减轻重量并降低紧固件热变形。虽然成本高、缺口敏感性强，但其高强度、轻质化与稳定性使其成为高温结构件的理想材料。
 
 

【常见问题（FAQs）】

 

🔘 Q1. 哪种金刚石粒度最适合CMC磨削加工？


建议使用粒度#60～#120的粗粒金刚石砂轮进行粗加工，以#80为起点。若需更优边缘质量可选用更细粒度。推荐使用电镀金刚石砂轮搭配HIT超声波磨削技术，可降低磨削阻力、改善冷却与排屑效果，并进一步优化参数以提升材料去除率。

 

🔘 Q2. 哪种超声波振幅最适合CMC钻孔？


在CMC钻孔中，100%超声波功率（约15µm振幅）通常过强，会导致微崩边与孔裂纹。HIT超声波钻孔技术通过间歇接触与断裂辅助切削，避免过度冲击，并保持低推力与低扭矩，从而减少工件边缘损伤。建议在碳纤陶瓷刹车盘（CCB）钻孔中使用约50%超声波功率以获得最佳平衡。



💡 了解更多HIT超声波先进材料加工解决方案（陶瓷、石英玻璃、光学玻璃、复合材料等）

📖 参考资料

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汉鼎智慧科技 Hantop Intelligence Tech.
✨超声波先进材料加工工艺解决方案✨
☎️ +886-4-2285-0838
📧 sales@hit-tw.com