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速度接近工件时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程[7]。
超声加工的主要特点是：不受材料是否导电的限制；工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件；被加工材料的脆性越大越容易加工，材料越硬或强度、韧性越大则越难加工；由于工件材料的碎除主要靠磨料的作用，磨料的硬度应比被加工材料的硬度高，而工具的硬度可以低于工件材料；可以与其他多种加工方法结合应用。图2.1所示是超声波加工原理图。
图2.1 超声波加工原理图
在工件和工具间加入磨料悬浮液, 由超声波发生器产生超声振荡波, 经过换能器转换成超声机械振动, 使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工表面, 把硬而脆的被加工材料局部破坏而撞击下来。在工件表面瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工是利用超声振动的工具在有磨料的干磨料或液体介质产生磨料的冲击，超声振动系统由换能器、变幅杆，超声波发生器等部件组成。 2.2放电加工的原理
电火花加工起源于1943年，前苏联拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化而被蚀除掉。研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，使金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。电火花加工是通过工件和工具电极间的放电而有控制地去除工件材料，以及使材料变形、改变性能的加工方法。
电火花成型加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。工具电极和工件均淹没于具有一定绝缘性能的工作液中。在自动进给调节装置的控制下，当工具电极与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，两极间最近处的工作液被击穿，工具电极不断地向工件进给，就可以将工具电极的形状复制到工件上，加工出所需要的和工具形状阴阳相反的零件。
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电火花加工应具备的条件：1.必须是工具电极和工件被加工面之间经常保持一定的放电间隙。通常约为几微米到几百微米。间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不会产生火花放电。间隙过小，容易形成短路接触，同样也不能产生火花放电。在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。2.火花放电必须是瞬时的脉冲性放电。放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7～10-3 s。目的是使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，把每一次的放电点分别局限在很小的范围内，否则，像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工。为此，电火花加工必须采用脉冲电源。3.电火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等。液体介质又称工作液，它们必须具有较高的绝缘强度，以利于产生脉冲性的火花放电。 液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属切屑、碳黑等放电蚀除物，在放电间隙中悬浮排除出去，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。
2.3辅助磨削加工的机理
在磨削加工中，加工过程受磨粒形状、尺寸和磨粒分布的随机性以及磨削运动规律复杂性等因素的影响，磨削加工过程非常复杂。硬脆材料在磨粒磨削作用下的受力情况很复杂，在磨削刃尖附近，材料受到很高的压力产生剪切移动或者剪切破坏形成密实核。远离磨粒刃尖的区域发生大块的张性崩碎[8]，即磨粒前端和磨粒下面材料破碎是在磨粒加工的表面圆周应力和剪切应力分布引起的各种形式破坏的结果。传统的磨削加工机理研究中，一般采用“压痕断裂力学”模型或“切削加工”模型来近似处理，其模型如图2.2所示。
图2.2 磨削模型
硬脆性材料的去除方式一般有脆性断裂、塑性变形和粉末化去除，通常状况下塑性变形去除方式与金属磨削中的切削方式类似，包括划擦、耕犁和切屑成形，材料主要以剪切切削成形方式去除的。材料的脆性断裂去除形式有晶粒去除、材料剥落、脆性断裂、晶界微破碎等方式。晶粒去除是整个晶粒从工件表面上以脱落方式被去除，晶粒去除的
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同时一般伴有材料剥落去除方式，是由于横向裂纹和径向裂纹的扩展导致材料以局部剥落形式去除的方式，是陶瓷等硬脆性材料磨削加工中十分重要的材料去除方式，但裂纹扩展会降低工件的机械强度[9]。1995年、1996年Xu，H.H.K, Jahamir.S.等人指出，在陶瓷磨削过程中晶界微破碎和材料晶粒状位错在材料去除过程中也起了关键作用[10]。
当磨削深度为亚微米级时，材料的碎裂和破碎机理不会发生，此时材料无宏观断裂，硬脆性材料磨削产生粉末化的材料去除，磨粒引起的流体静压应力所包围的剪切应力场引起晶界和晶粒间微粒破碎的结果[11]。
根据压痕断裂力学模型知，只要压头上所受的力超过某一临界值，就会产生裂纹，材料以断裂方式去除，并产生裂纹损伤[l2]。由经验知产生中央/径向裂纹的临界载荷如下式所示。
K? Pc?54.5(22)(c3) （2.1）
??H式中 α—与压头形状相关的常数，对于普通的维氏压头??24?；η，γ—常数，
??1,??0.2；Kc —硬脆性材料的断裂韧性；H--材料的硬度。
研究表明，任何脆性材料都可能以塑性流动的方式去除，当磨削力低于产生横向裂纹的临界载荷时，材料去除是以塑性变形去除为主。压痕断裂力学模型预测了产生横向裂纹的最小临界载荷为:
KE Pc??(c3)f() （2.2）
HH4式中ξ--几何形状常数，f(E)--一个弱函数，对于陶瓷材料： HE?f()?2?105 （2.3）
H由公式(2.3)可以看出加工陶瓷等硬脆性材料时，产生横向裂纹的临界载荷临界值与陶瓷材料的硬度和断裂韧性相关。当载荷低于这一临界值时，磨粒与工件之间产生塑性流动，材料去除方式以塑性变形为主。
T.G.Bifano等人从能量的角度进行分析，得出了同样的结论[12]:
式中d--磨削深度。
塑性变形能Ep~?d （2.4）
断裂能Ef- 6 -
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当磨削深度小于临界值，材料的去除由脆性断裂向塑性变形转变，这就是脆塑转变理论。硬脆性材料磨削加工材料去除脆塑性转变的临界加工深度可以由式(2.5)表示:
dc?0.15(EKc2)() （2.5） HH式中H--材料的硬度, Kc--硬脆性材料的断裂韧性。
加工过程中，磨粒与工件材料保持三面接触产生较大的摩擦力。磨削力较大容易在材料表面产生微裂纹和破碎，增加了加工表面粗糙度;较大的摩擦力在磨削区产生大量的热，晶相组织在高温下产生不同的膨胀导致晶界处产生极大的应力集中，当应力超过材料的断裂强度时，产生穿晶现象或沿晶面断裂，引起加工表面破碎加剧;当温度达到材料相变数值时，还会引起材料内部微观相结构的改变。磨削区的高温也造成磨粒磨削性能下降，降低材料去除率。这也是普通磨削材料的去除率较低的主要原因。 2.4超声振动复合加工的工作机理
超声振动复合加工是在三种单独加工方法研究成果的基础上提出来的。悬浮磨料在超声振动的作用下对工件材料表面产生一定的捶击和冲击作用，也可以实现工件材料的微量去除。通过工具电极的轴向超声振动和高速旋转即可实现三种加工形式复合加工。在分析了超声波振动加工机理、电火花加工机理、磨削加工机理的前提下，着重分析了超声波振动在超声振动复合加工过程中所起的作用。
工具端面超声波振动在复合加工过程所起的加工状态改善作用主要表现为超声波振动可以避免放电短路，超声波产生空化、涡流作用对脉冲放电状态具有明显的改善作用。超声振动作用除了对电火花加工产生有效的辅助加工作用以外，超声振动通过改变磨削加工的磨粒运动路径有效的降低了磨削力的大小，实现砂轮自锐，超声振动产生的空化作用可以避免堵塞砂轮，提高材料去除率，改善了加工表面质量[13]。
对超声振动复合加工过程的研究表明超声振动不仅仅在复合加工过程中起到实际的蚀除作用，并且超声振动产生的交变压力，空化作用、泵吸作用和涡流作用改善了脉冲放电加工和磨削加工的稳定性，提高了材料去除率。超声振动还通过改变磨削加工中磨粒的运动路径的方式改变了磨粒的受力状态，并产生磨削锋利化效果。脉冲放电产生的表面微观裂纹及加工表面残余拉应力降低了工件表面的抗疲劳强度，可以有效降低磨粒与工件间的相对摩擦力和磨削力，改善磨削加工和超声波加工性能，提高材料去除率。对放电加工产生的变质层进行磨削加工和超声波加工，可以有效减小脉冲放电加工产生
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的变质层厚度，生成新鲜表面，为下次放电做好准备，提高了加工表面质量和工件强度，有助于提高零件的使用寿命。
3超声加工机床的总体设计
超声加工机床的结构组成主要有：主轴头振动系统、主轴的进给驱动系统、主轴头的旋转加工系统和机床主体等组成。如下图3.1所示。
图3.1 机床总体
3.1超声振动主轴头系统
超声振动加工的主轴头系统主要由超声发生器、超声换能器和超声变幅杆，这三个基本部分组成。另外，还要有辅助的轴颈、轴套等构件。其结构组成如下图3.2所示。
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