微細(xì)超聲波加工脆塑模式判別標(biāo)準(zhǔn)的討論

宋家雯，汪 濤，余祖元，李劍中，夏 恒

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.東京農(nóng)工大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)系，日本東京183-8538）

微細(xì)超聲波加工脆塑模式判別標(biāo)準(zhǔn)的討論

宋家雯1，汪 濤1，余祖元1，李劍中1，夏 恒2

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024；2.東京農(nóng)工大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)系，日本東京183-8538）

已有文獻(xiàn)表明，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整加工參數(shù)，可對(duì)單晶硅<100>面進(jìn)行微細(xì)超聲波塑性加工，大大提高加工材料的表面質(zhì)量。但傳統(tǒng)判別脆塑性去除模式的方法主要是基于主觀觀測(cè)，并沒(méi)有一個(gè)客觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度Rpk可作為判別微細(xì)超聲波加工單晶硅<100>面材料去除模式的客觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

微細(xì)超聲波加工；脆塑轉(zhuǎn)變；表面粗糙度

單晶硅、壓電石英和陶瓷等均屬于硬脆材料，由于其強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、醫(yī)學(xué)、電力等領(lǐng)域[1]。但由于硬脆材料的物理、機(jī)械等特性，傳統(tǒng)加工方法的效果并不理想，甚至很難對(duì)其進(jìn)行加工。微細(xì)超聲波加工不受材料導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的限制，能加工出深徑比很大且形狀復(fù)雜的三維型腔，因此是一種適合于加工硬脆材料的方法[2]。作為微細(xì)加工方法之一，微細(xì)超聲波加工的表面質(zhì)量很大程度上取決于被加工材料的去除模式[3]。當(dāng)材料在塑性模式下去除時(shí)，磨粒在材料表面加工出微切削和溝壑，即發(fā)生塑性變形和材料分離；當(dāng)材料在脆性模式下去除時(shí)，材料亞表面的側(cè)向裂紋和中位/徑向裂紋延伸到材料表面而導(dǎo)致脆性斷裂，進(jìn)而達(dá)到材料去除的效果。需要特別指出的是，本文所提到的塑性加工是指在加工表面出現(xiàn)了明顯的塑性變形特征，但材料的去除模式仍屬于脆性去除，這相比于傳統(tǒng)的脆性去除會(huì)大大提高微細(xì)超聲波加工的表面質(zhì)量。因此，調(diào)整微細(xì)超聲波加工參數(shù)，通過(guò)恰當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法和數(shù)據(jù)判別塑性加工，能有效提高微細(xì)超聲波加工的表面質(zhì)量[4]。

目前，判別微細(xì)超聲波加工的去除模式主要是依賴觀察者對(duì)最終加工形貌的理解[5]，人為主觀因素影響較大，因而，需找到一種客觀的標(biāo)準(zhǔn)。在衡量表面質(zhì)量的過(guò)程中，表面粗糙度是評(píng)價(jià)微細(xì)加工可行性的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求一種或幾種表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判別材料的去除模式，就具有非常重要的意義，也是本文的主要研究目的。

1 加工實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

微細(xì)超聲波加工實(shí)驗(yàn)裝置主要由微細(xì)工具在線制備模塊、微細(xì)超聲波發(fā)生系統(tǒng)、主軸及伺服進(jìn)給系統(tǒng)、在線觀測(cè)顯微鏡、控制機(jī)和電子天平組成。伺服進(jìn)給系統(tǒng)由X、Y、Z三軸精密工作臺(tái)構(gòu)成，其重復(fù)定位精度為1 μm，最小分辨率為0.1 μm。超聲波振動(dòng)系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器和超聲波換能器組成。靜壓力監(jiān)測(cè)元件采用精密電子天平，其顯示精度及重復(fù)精度均為0.001 g[1]。

1.2 理論模型

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的分析，當(dāng)使用尖銳壓頭（如：維氏和努氏金剛石壓頭）在脆性材料上進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種基本的裂紋模式：徑向裂紋和中位側(cè)向裂紋。而當(dāng)加載力沒(méi)有達(dá)到脆塑轉(zhuǎn)變的臨界力時(shí)，尖銳壓頭會(huì)引起非彈性且不可逆轉(zhuǎn)的變形，即塑性變形。

微細(xì)超聲波加工中，單個(gè)磨粒就相當(dāng)于尖銳壓頭，理論上，當(dāng)單個(gè)磨粒所受最大力小于脆塑轉(zhuǎn)變的臨界力時(shí)，材料表面主要以塑性模式去除；反之，若單個(gè)磨粒所受最大力大于臨界力時(shí)，材料表面主要以脆性模式去除。本文中的單個(gè)磨粒所受最大力的計(jì)算是根據(jù)文獻(xiàn)[2]中建立的公式得出的。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

為了觀察微細(xì)超聲波加工表面的脆塑性和加工參數(shù)（磨粒直徑、振幅）對(duì)加工表面的影響，在單晶硅<100>面上進(jìn)行工具不旋轉(zhuǎn)的微細(xì)超聲波加工實(shí)驗(yàn)，加工參數(shù)見(jiàn)表1。用微細(xì)超聲波在單晶硅< 100>面上施加不同的力，共加工146個(gè)深度為20 μm的孔，然后觀察加工孔底的表面形貌，并對(duì)加工模式進(jìn)行分析。

表1 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

當(dāng)單個(gè)磨粒所受最大沖擊力小于0.065 g時(shí)，加工表面有明顯的塑性加工特征。由圖1可看出，圖1a、圖1b和圖1f所示的加工表面光滑平整，有很明顯的塑性去除特征；圖1c、圖1d和圖1e所示表面雖然不如前三者平整，但出現(xiàn)的凹坑邊緣很光滑，在顯微鏡下能看出微微隆起的形貌，這也是塑性加工的特征；而圖1e所示凹坑的隆起雖不明顯，但在加工表面始終沒(méi)有看到裂紋，這其中兼具有塑性和脆性加工的特質(zhì)，從凹坑的密度和表面微裂紋來(lái)看，仍判斷為明顯存在塑性去除的模式。

圖1 塑性加工表面

當(dāng)單個(gè)磨粒受力大于0.150 g時(shí)，表面加工形貌呈現(xiàn)為脆性去除的模式（圖2）。

當(dāng)單個(gè)磨粒所受最大力在0.065～0.150 g之間時(shí)，有些加工表面很難區(qū)分出到底是塑性去除為主，還是脆性去除為主，即加工表面兼具塑性加工和脆性加工的特征（圖3）。

圖2 脆性加工表面

圖3 無(wú)法區(qū)分去除模式的加工表面

根據(jù)以上得出的臨界力可劃分材料的塑性和脆性去除模式。通過(guò)測(cè)量各加工表面的粗糙度指標(biāo)，并繪制對(duì)應(yīng)的表面粗糙度折線后發(fā)現(xiàn)，一些常規(guī)的表面粗糙度指標(biāo)（如Ra、Rq、Rz、Rk等）無(wú)法明顯區(qū)分去除模式，但表面粗糙度Rpk無(wú)論是從理論定義、還是從測(cè)量結(jié)果上都能將脆性和塑性加工很

好地區(qū)分開(kāi)來(lái)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，當(dāng)加工表面的Rpk<450 nm時(shí)，基本可判別為塑性去除模式；當(dāng)加工表面的Rpk＞500 nm時(shí)，基本可判別為脆性去除模式；而當(dāng)Rpk分布在450～500 nm之間時(shí)，去除模式則難以區(qū)分。因此，Rpk可作為微細(xì)超聲波加工單晶硅<100>面時(shí)的材料去除模式的一個(gè)判定指標(biāo)。圖4所示的折線清楚地表明了根據(jù)臨界力劃分的材料去除模式與粗糙度Rpk的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 表面粗糙度Rpk與去除模式的關(guān)系

圖4中也有個(gè)別點(diǎn)較例外，如難以劃分去除模式的所在折線上的11#和20#樣品。究其原因可能是微細(xì)超聲波加工存在極大的不穩(wěn)定性，尤其在加工即將結(jié)束階段，由于加工力的變化幅值大，導(dǎo)致去除模式的改變。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證表面粗糙度Rpk作為單晶硅<100>面材料去除模式判別標(biāo)準(zhǔn)的可行性，將表1所示的磨料濃度由3%更改為1%，保持其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，控制單個(gè)磨粒的受力，在不同模式下分別對(duì)8個(gè)樣品進(jìn)行加工。然后，仍采用上述方法繪制出Rpk折線（圖5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面粗糙度Rpk能將材料去除模式很好地區(qū)分開(kāi)來(lái)。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)觀察微細(xì)超聲波加工單晶硅<100>晶面的加工表面SEM圖片發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單個(gè)磨粒所受最大力小于0.065 g時(shí)，加工表面主要呈塑性去除狀態(tài)；當(dāng)單個(gè)磨粒所受最大力大于0.150 g時(shí)，加工表面主要呈脆性去除狀態(tài)；當(dāng)單個(gè)磨粒所受最大力介于0.065～0.150 g之間時(shí)，去除模式難以準(zhǔn)確區(qū)分。

圖5 3種加工模式的Rpk

（2）通過(guò)對(duì)加工表面進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量和分析發(fā)現(xiàn)，Rpk可作為微細(xì)超聲波加工單晶硅<100>晶面時(shí)材料去除模式的判別標(biāo)準(zhǔn)。若加工表面的Rpk< 450 nm，基本可判定去除模式為塑性去除模式；若加工表面的Rpk>500 nm，基本可判定去除模式為脆性去除；而Rpk在450～500 nm之間時(shí)，加工介于塑性和脆性的混合去除模式。

[1] 馬春師，秦少明，安成明，等.微細(xì)超聲波加工工具損耗機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2012（2）：46-49.

[2] Yu Zuyuan，Ma Chunshi，An Chengming，et al.Prediction of tool wear in micro USM[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2012，61（1）：227-230.

[3] Zarepour H，Yeo S H.Enhancement of surface quality and study on material removal mechanism in micro ultrasonic machining[C]//ASME 2011 International Manufacturing Science and Engineering Conference.Corvallis，Oregon，2011：323-332.

[4] Zarepour H，Yeo S H.Predictive modeling of material removal modes in micro ultrasonic machining[J].InternationalJournalofMachine Tools and Manufacture，2012，62：13-23.

[5] Zarepour H，Yeo S H.Single abrasive particle impingements as a benchmark to determine material removal modes in micro ultrasonic machining[J].Wear，2012，288：1-8.

[6] Lawn B R，Wilshaw T R.脆性固體斷裂力學(xué) [M].北京：高等教育出版社，2010.

Discussion on Criterion for Brittle-plastic Mode in Micro USM

Song Jiawen1，Wang Tao1，Yu Zuyuan1，Li Jianzhong1，Xia Heng2
（1.Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Tokyo University of Agriculture and Technology，Tokyo 183-8538，Japan）

It is possible to obtain ductile machined surface by adjusting properly machining parameters of micro USM in machining single crystal silicon<100>，and the quality of surface is improved significantly.However，traditional methods to identify the brittle or ductile removal modes are based on individual observation and there is not a objective principle of judgement.The surface roughness，Rpkis proposed to be used as the criterion to identify the material removal mode of micro USM in machining single crystal silicon<100>.This criterion is verified by experiments.

micro USM；brittle-plastic transition；surface roughness

TG663

A

1009－279X（2014）02－0051-04

2013-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51075053）第一作者簡(jiǎn)介：宋家雯，女，1989年生，碩士研究生。