壓電超聲輔助研磨拋光技術(shù)研究進(jìn)展

黃衛(wèi)清，寧青雙，安大偉, 楊成龍

(廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

表面研磨拋光是機(jī)械加工領(lǐng)域中必不可少的關(guān)鍵工序，目的是去除由前工序殘留下來的表面微缺陷及表面損傷層，以獲得表面平整度高及表面粗糙度極低的工藝要求，工件表面的研磨質(zhì)量直接影響工件的使用性能和壽命。研磨拋光工藝實(shí)現(xiàn)形式簡單，由于硬脆性材料具有高硬度、低斷裂韌性及化學(xué)惰性大等特點(diǎn)，對其進(jìn)行普通研磨拋光時很難獲得理想的加工效率和優(yōu)越的表面質(zhì)量等問題[1-4]。隨著越來越多高性能新材料包括先進(jìn)陶瓷、單晶硅、藍(lán)寶石等在航空航天、電子信息、國防軍工等行業(yè)領(lǐng)域，尤其在精密與超精密加工領(lǐng)域上的應(yīng)用，傳統(tǒng)研磨拋光加工工藝的問題表現(xiàn)更突出，嚴(yán)重制約著這些高性能先進(jìn)材料的加工效率與表面質(zhì)量[5-6]。

針對普通研磨拋光存在的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者相繼提出了一些不同原理的研磨拋光硬脆材料方法，常用的有化學(xué)機(jī)械拋光法[7]、激光拋光法[8]、磁流變拋光[5]及超聲復(fù)合振動拋光法[9]等?；瘜W(xué)機(jī)械拋光法原理是拋光漿料在晶片與拋光盤間連續(xù)流動，利用磨粒與工件表面產(chǎn)生機(jī)械化學(xué)作用，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)來，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走，不會對加工件造成物理損傷，可實(shí)現(xiàn)材料表面的高平坦化加工，但加工過程中材料去除效率低、拋光液浪費(fèi)嚴(yán)重，且對環(huán)境影響較大。激光拋光是利用激光的高溫作用使材料表面溫度迅速升高熔化，通過控制熔化后材料的流動和冷卻速率來實(shí)現(xiàn)工件的拋光效果，對環(huán)境的污染小，可實(shí)現(xiàn)局部拋光，且“激光工具”不會損壞，但激光拋光存在著設(shè)備價格和加工成本高，加工過程中的檢測技術(shù)和精度控制技術(shù)要求較高等缺點(diǎn)。磁流變拋光屬于柔性拋光法，基本原理是在外加磁場的作用下，磁流變液形成具有一定硬度的粘塑性流體，拋光磨粒通過剪切作用使工件表面產(chǎn)生微裂紋，但其材料去除機(jī)理尚無定論。

近年來，隨著壓電超聲技術(shù)的發(fā)展，壓電超聲輔助研磨拋光技術(shù)在硬脆性材料加工領(lǐng)域中應(yīng)用日趨廣泛[10-13]。本文介紹了壓電超聲輔助研磨拋光的特性，分析了壓電超聲輔助研磨機(jī)理及材料去除機(jī)理，綜述了國內(nèi)外采用壓電超聲輔助研磨拋光硬脆材料的研究進(jìn)展，為新材料表面的精整和光整加工提供參考。

1 壓電超聲輔助研磨拋光技術(shù)

20世紀(jì)50年代末首次引入超聲振動加工技術(shù)，隈部淳一郎教授最早提出在刀具上施加振動并進(jìn)行工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，在20世紀(jì)80年代，陶瓷材料的應(yīng)用越來越廣泛，因此，他提出將超聲振動應(yīng)用于傳統(tǒng)機(jī)加工方式中，形成了超聲輔助車削、超聲輔助磨削、超聲輔助鉆削及超聲輔助銑削等超聲復(fù)合加工工藝[10]。

近年來，超聲振動被逐漸應(yīng)用到材料表面的研磨拋光工藝，與傳統(tǒng)研磨工藝相比，超聲研磨更適用于低斷裂韌性材料的加工，有效改善了傳統(tǒng)機(jī)加工工藝性能。壓電超聲研磨振動系統(tǒng)是超聲研磨工藝系統(tǒng)的核心，主要由超聲電源、壓電超聲振子、工具頭及研磨平臺等組成，工作原理是利用超聲波產(chǎn)生的高頻振動能，通過壓電換能器將高頻振蕩轉(zhuǎn)換為機(jī)械振蕩，變幅桿將機(jī)械能振蕩振幅放大，根據(jù)加工振幅需要設(shè)計(jì)合適的研磨工具將變幅桿連接起來，從而使研磨工具端面或工件產(chǎn)生高頻機(jī)械振蕩[14-16]。其中研磨液的超聲空化作用可以對研磨頭進(jìn)行動態(tài)清洗，提高加工效率，可充分發(fā)揮硬研磨工藝特點(diǎn)。

1.1 研磨機(jī)理

普通研磨時，在研磨壓力作用下，顆粒大的磨粒率先嵌入加工表面，整個研磨過程相當(dāng)于刨削，加工效率較低，工件表面粗糙度較高。而施加壓電超聲振動研磨時，由于工件或工具的高頻機(jī)械振動，不同大小的磨粒迅速得到很大的瞬時速度和加速度，局部產(chǎn)生很高的能量，對工件表面產(chǎn)生銑削效果[17]。

當(dāng)施加超聲振動時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，工具和自由磨粒對工件的高速沖撞，在工具端面的瞬態(tài)位移方程為

x(t)=Asin(2πft)

(1)

式中：A為工具頭振幅；f為振動頻率;t為振動工作時間。

由式(1)可得工具頭端面的瞬態(tài)速度方程式和瞬態(tài)加速度方程式為

(2)

(3)

此外，超聲研磨過程中所產(chǎn)生的能量有一部分是通過研磨顆粒的破碎和研磨液的空化作用來實(shí)現(xiàn)的。

1.2 材料去除機(jī)理

根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)可知，材料去除方式主要包括脆性斷裂和塑性去除兩種方式[18]，超聲振動研磨拋光過程中，主要以脆性斷裂去除為主，塑性去除為輔。

工件表面材料的脆性斷裂機(jī)理為

(4)

(5)

(6)

式中：CL為橫向裂紋；Cr為縱向裂紋；Fg為單顆磨粒對工件的壓載；hi為橫向裂紋深度；Hw為工件材料的硬度；kc為斷裂強(qiáng)度；ζ1，ζ2，ζ3為比例系數(shù)。

2 壓電超聲輔助研磨拋光方法的研究現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)外研究人員的不斷探索，逐漸發(fā)展出多種不同的超聲振動輔助研磨拋光方法。一般根據(jù)磨料在工作中的運(yùn)動方式可分為游離磨料超聲研磨和固結(jié)磨料超聲研磨[19]；根據(jù)壓電振子的振動方式可分為一維壓電超聲振動研磨和二維壓電橢圓超聲振動研磨等。

2.1 游離磨料超聲研磨

游離磨料超聲振動研磨技術(shù)是在拋光盤和工件表面間加入磨料，在超聲振動的作用下通過磨粒的振動與滑擦，對工件進(jìn)行拋光[20]。Suzuki等[21]研制了一種新型的超聲振動輔助拋光機(jī)來加工微型碳化鎢模具，采用游離磨料和微球形聚氨酯拋光頭，在恒壓下對工件表面橫向施加超聲振動，經(jīng)過對碳化鎢模具進(jìn)行拋光試驗(yàn)，得到表面粗糙度可達(dá)7 nm。但由于研磨過程中加入磨粒與工件表面接觸不均勻，會導(dǎo)致磨粒浪費(fèi)和研磨加工精度難以保證等缺點(diǎn)。

2.2 固結(jié)磨料超聲研磨

固著磨料超聲研磨技術(shù)是將磨粒附著在研磨盤或拋光墊上，較好地解決了傳統(tǒng)游離磨料研磨效率低，磨料浪費(fèi)嚴(yán)重，研磨質(zhì)量不易控制等缺點(diǎn)[22]。張?jiān)齐姷萚23]將超聲技術(shù)與固結(jié)磨具相結(jié)合通過優(yōu)化聲學(xué)系統(tǒng)研制了超聲微研磨裝置，并成功應(yīng)用于內(nèi)孔珩磨機(jī)上，取得較好的效果。焦峰等[24]采用固著磨料對工程陶瓷進(jìn)行壓電超聲輔助研磨，研究了磨料粒度、研磨參數(shù)和超聲振幅等對工程陶瓷表面粗糙度的影響，結(jié)果表明，與普通研磨相比，超聲輔助研磨獲得的表面粗糙度值減小。

2.3 一維壓電超聲振動研磨

一維壓電超聲振動研磨主要是利用壓電振子的縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動，將振動施加給工具或工件。張洪麗等[25]對一維超聲磨削壓電振子的3種振動模式分別進(jìn)行了建模，經(jīng)過分析表明，施加軸向和切向超聲振動表面粗糙度明顯優(yōu)于徑向超聲振動，且證實(shí)了超聲振動有助于材料的塑性去除。Xu Wenhu等[26]采用壓電超聲彎曲振動輔助化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)對藍(lán)寶石基片進(jìn)行拋光，綜合研究了拋光墊、二氧化硅磨粒及拋光液的pH值等因素對藍(lán)寶石基片加工的影響，并從運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)角度研究了彎曲振動對單晶硅磨粒、拋光墊和藍(lán)寶石基體相互作用的影響，結(jié)果表明，壓電超聲振動的作用是影響藍(lán)寶石材料去除率的主要因素。何勍等[27]通過改裝現(xiàn)有機(jī)床，研制出了一種可控轉(zhuǎn)速的行波超聲振動研磨拋光裝置，實(shí)驗(yàn)表明，該裝置可完成不同工況下的超聲研磨拋光實(shí)驗(yàn)。

2.4 二維壓電超聲振動研磨

二維橢圓超聲振動研磨是將壓電超聲橢圓振動附加于工具或加工工件，使工具端面相對于加工工件按橢圓軌跡進(jìn)行振動，從而實(shí)現(xiàn)高頻間歇性高頻振動磨削。它是由兩個或兩個以上的單向壓電振動模態(tài)進(jìn)行復(fù)合形成的，按照復(fù)合振動的模式來劃分，它大致可以分為彎曲模式、扭轉(zhuǎn)模式及縱-縱、縱-彎、縱-扭等振動模式[28]。

梁志強(qiáng)等[29]基于壓電振子的彎曲和伸縮兩種模態(tài)下研制了一種垂直型振動的二維超聲振動輔助研磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)的超聲振子由金屬彈性體和壓電陶瓷粘合而成，研究表明，超聲振動研磨工件表面形成橢圓超聲振動，有效提高了金剛石砂輪的磨削性能，工件表面粗糙度明顯低于普通磨削的粗糙度，表面裂紋減少，延性域去除比例增加。陳濤等[30]設(shè)計(jì)了一種縱-彎復(fù)合超聲振動橢圓振動裝置，對光纖陣列組件進(jìn)行了研磨拋光，實(shí)驗(yàn)表明，超聲振動研磨拋光后的光纖端面粗糙度達(dá)到27.58 nm。Kobayashi等[31]通過對拋光墊施加橢圓超聲振動，拋光墊上研磨液內(nèi)的磨粒以極高的加速度沖擊工作表面，獲得較高的材料去除率和良好的表面質(zhì)量，與傳統(tǒng)研磨拋光法相比，采用橢圓超聲研磨拋光的單晶圓片邊緣表面粗糙度提高31.7%以上。

3 壓電超聲輔助研磨拋光技術(shù)的應(yīng)用

隨著生產(chǎn)和科技的發(fā)展，不斷有高硬度、高性能以及其他優(yōu)質(zhì)特性的新材料被開發(fā),并被應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，而壓電超聲輔助研磨拋光技術(shù)很好地應(yīng)用于對新材料的加工。

楊衛(wèi)平等[32]研制的一種壓電超聲橢圓振動-化學(xué)機(jī)械拋光裝置對單晶硅材料開展了超聲波振動輔助拋光試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在超聲波振動輔助加工條件下，材料的去除率和表面質(zhì)量有較大提高。Yu Tianbiao等[33]采用軸向超聲振動輔助加工方法應(yīng)用于光學(xué)元件的拋光，并采用正交實(shí)驗(yàn)法對超聲技工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時選取優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到工件材料去除率為1.102 mm/min，表面粗糙度為2.66 nm，研究表明，超聲振動輔助拋光系統(tǒng)在保證拋光表面質(zhì)量的同時，提高了拋光效率，

肖強(qiáng)等[34]對k9光學(xué)玻璃進(jìn)行了超聲振動研磨拋光，并從理論上分析了材料的去除機(jī)理，試驗(yàn)表明，施加頻率為16～25 kHz的超聲振動后，其對光學(xué)玻璃去除率比不施加超聲振動加工材料提高約1.5倍，表面質(zhì)量更好。Miura Takuya等[35]運(yùn)用螺旋超聲輔助研磨技術(shù)對藍(lán)寶石晶片進(jìn)行光整加工，結(jié)果表明，采用螺旋超聲輔助研磨技術(shù)可降低法向磨削力和切向磨削力，提高表面粗糙度。Zahedi等[36]對氧化鋁-氧化鋯陶瓷材料進(jìn)行超聲振動表面研磨拋光，研究表明，應(yīng)用超聲波振動研磨能耗可降低約35%。

4 結(jié)論

壓電超聲輔助研磨拋光技術(shù)的研究與應(yīng)用對拓展超聲工程的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展新材料的研磨拋光工藝具有重要作用。通過對近年來得到迅速發(fā)展和應(yīng)用的壓電超聲振動研磨拋光技術(shù)進(jìn)行了回顧、分析和總結(jié)，仍有一些問題有待進(jìn)一步探討和研究：

1) 壓電超聲振動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)研究還需進(jìn)一步完善。在超聲鉆孔、超聲磨削及超聲珩磨應(yīng)用研究中，一些學(xué)者對“局部共振”現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，并基于局部共振理論，相繼提出了整體諧振設(shè)計(jì)和非諧振設(shè)計(jì)理論[37-40]，但機(jī)理研究尚停留在對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定性推理上，理論分析尚未形成定論，因此，對基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)等理論研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

2) 不同硬脆材料的超聲振動研磨拋光材料去除機(jī)理及處理后表面殘余應(yīng)力等機(jī)理仍需研究與優(yōu)化。隨著對具有高性能元件的需求迅速增加，材料拋光表面的質(zhì)量控制對于保持其在一系列工程應(yīng)用中的壽命和性能至關(guān)重要。因此，針對超聲工具振動幅值、磨削深度、工作臺進(jìn)給速度等超聲研磨工藝參數(shù)對材料中磨削能、抗彎強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展的影響具有重要意義。

3) 壓電超聲振動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在硬脆材料的光整加工中，由于負(fù)載變化、工具磨損、換能器發(fā)熱等因素，會導(dǎo)致超聲系統(tǒng)阻抗特性發(fā)生變化，造成系統(tǒng)諧振頻率漂移和工具振幅衰減，進(jìn)而影響到研磨精度、研磨效率和研磨過程穩(wěn)定性。不同加工參數(shù)對平面度和表面粗糙度等拋光效果的影響、建立完善的理論模型、最優(yōu)加工參數(shù)的確定和工藝、設(shè)備和拋光液的研究等日益成為今后的研究內(nèi)容。