图1  用在轨道碳观测卫星Ⅱ上的镜子是由超低膨胀玻璃制成的。此表面的超声加工由梯度重叠操作

超声加工为美国国家航空航天局的工程师们使用以前难机加工材料带来了新的可能性。

当你考虑无人驾驶太空探索的技术挑战时，考虑到的是如何安全地发送航天器到轨道上或另一个世界的某个精确位置的困难。工程师有能力做到这个，实在是一个奇迹。

然而，挑战远没有结束。无人驾驶的飞船也需要探索。特别需要采取措施——通常是要精确测量微小物质或辐射的离散波长。飞船的设备必须足够敏感，同时也足够坚固以保证在温度极端变化的情况下正常运转。对于美国国家航空航天局而言，空间仪器车间作为加利福尼州亚帕萨迪娜的喷气推进实验室（JPL）一部分，是制作这些灵敏元件的地点之一。

图2  超声加工中心提供了一个替代磨削方案，可以更快和更有效地加工关键玻璃工件

此车间的主要专业领域就是微机械加工。精密加工中心，包括两个显微镜装备Bostomatic机器，可以铣削和钻削细小的仪表元件，通常对一般的肉眼几乎不可见。另一台计算机数控铣床由DAC International为车间定制，操作甚至更细的工作——使用110000rpm的主轴和定位10微英寸的分辨率。车间生产的典型零件是通常小于0.010英寸宽和几乎小至0.001英寸宽的具有磨铣波导通道的微波块。

Peter Bruneau是从事这项工作的加工专家之一。他说，此车间专业技能的另一个区域—他看到重要性增长的区域—是特殊材料的加工。实际上，他看到这个重要性不断增长，特别是与微机械加工有关。外加来自DMG/Mori Seiki的一个Sauer“超声波”五轴加工中心，此车间最近增强了生产能力。具备生产以前不能机加工陶瓷的精密电子相关部件的能力，此机器将增加美国国家航空航天局工程师可用的设计可能性。

图3  波导零件的测量值大约是2英寸×1英寸。最小的通道是0.005英寸宽，用一个0.004英寸刀具铣削

高频率

美国国家航空航天局的设计工程师和科学家们定期与空间仪器车间磋商，依赖其全体职员（不仅是机械师，而且是制造顾问）。此车间通常通过建议对零件设计作改进帮助他们，以确保可制造性。有时，在关键部件需要时，此车间找出新的生产能力。一个例子是用于轨道碳观测卫星Ⅱ的一套镜子由超低膨胀玻璃（一种细粒透镜产品）制成。在坡度研磨操作之前，镜子被磨削，但是磨削是缓慢和昂贵的，倾向于留下表面裂纹。JPL寻找到了一个替代方案，发现超声波加工会更有效和可靠地制作镜子。

此过程有点像铣削，又有点像磨削，但是最终与这两种方法不同。此超声波机床配备了一个42000rpm的主轴，可容纳一个加工中心的刀柄和刀具。然而，在超声去除材料期间，该机采纳一个研磨刀具作为代替。通过以严格控制的振幅快速摇动刀具，此机器以每秒数以万计的敲击速度，利用显微作用凿掉材料。

图4  Peter Bruneau展示了空间仪器车间经常加工的另一个部件，它是典型的微机加工

此过程需要有一点点习惯，Bruneau先生说，就只有一点点。这种方式加工包含不同于其他过程的至少一个参数，因为刀具被“调整”以找到一个稳定振荡频率。此频率在20000和50000Hz之间的某处。如果此过程不使用熟悉的参数，他说，那些参数值挑战他的期望。起初，他根据磨削经验选择进给率和切割深度，但发现这样做使切口保守得多。例如，一个细200砂粒刀具容易以比40ipm(英寸/分)更快的进给率，允许加工陶瓷镜子，而一个迅速移动的60砂粒刀具不允许以此进给率磨削加工零件。

“我继续对我们可以用硬质材料实现的材料去除率感到惊奇，”他说，他经常提醒自己：“我们尝试督促一下。”

他接着说，一个额外挑战是保持住零件的精度，足以使设置错误不会与机器的准确性潜力妥协。此工件夹紧挑战是用超声波机器比用Bostomatic机器更大，因为五轴工件绕轴旋转可能导致用复合三角学方法的定位错误。因此此车间使用在此机器上来自Erowa的精刀具系统——由一个托盘和接收器组成的系统——可以严格地夹紧工件并确保可重复定位。

图5  此超声波机器是JPL经常用于常规铣工作的一个五轴加工中心

除了这些考虑，Bruneau先生说，超声波机器实际上表现得像另一个加工中心。可以使用跟车间里其他机器相同的CAM软件编制程序。

实际上，目前它主要充当一个常规加工中心。车间购买的高压冷却系统可以有效地清洁镜子表面加工的切屑。通过一台捕获切屑的冷却剂离心机，此车间能够无需更换冷却剂而转换到常规金属加工。目前，那些常规操作——五轴磨铣或钻削——负责在机器上做的大多数工作，都会改变，他说。

硬加工

然而，JPL校园的另一个专业领域在微型器件实验室被发现。除了其他方面，该部门是一个保证微处理器性能的芯片代工厂，而外行业却无法实现成本效益。当这些芯片必须横跨温度极端范围而完好执行时，容纳这些芯片的微型结构也必须保持横跨相同大温度范围的精度。越来越多的芯片设计师正寻找特殊陶瓷材料，以获得热稳定性，但是Bruneau先生说，这个选择对设计造成了限制。金属可以加工成精确形状，但是最硬的陶瓷材料历史上不能被加工——因此它们不是通过精确度较差的一个添加剂过程建造。添加剂过程不适合于建造竖墙，例如，使这些结构的紧装配成为可能。那么答案又是什么呢？

图6 超声波加工用研磨刀具取代铣削刀具

答案是超声波加工。Bruneau先生说，直径小至0.015或0.020英寸的研磨刀具可能用于在非常小的硬陶瓷零件上实现精密加工的特征。实际上，因为此机器有五轴，多个表面可以用这种方式精确地加工，以产生确实空间有效的新颖芯片结构设计。不久，空间仪器车间将开始其第一个项目，调查用来制作这些芯片结构的新陶瓷材料的超声波加工。

此工作的报偿之一是改变与设计工程师谈话的方式。在制造业顾问的角色中，此车间人员通常提出否定式问题。也就是说，他们问，“你真的需要这个功能吗？” 或者“这个公差是必要的吗？”现在，那些问题变为肯定的。设计师仍然不知道超声波加工将给出的自由度，因此Bruneau先生很快询问“你考虑过这种材料吗？”或者“你意识到可以生产这种挑战性形状吗？”发现这个车间新能力的可能性将扩大航天器可以做的事情，Bruneau先生正期待着探索。