（机械制造及其自动化专业论文）硬脆材料高效复合研抛机理研究.pdf

摘要 摘要 硬脆材料以其优良的性能在生产实践中得到广泛应用，但其具有的低塑性、 易脆性及不导电性等使得其加工十分困难，尤其是超精密表面制作更加困难，为 此将超声振动引入普通研抛中，以期在保证优良表面质量的同时获得较高的材料 去除率。论文致力于超声研抛声学系统及硬脆材料超声振动研抛机理的研究，研 制了适应于不同振动模式的多子系统研抛装置；进行了研抛轨迹的计算机模拟与 仿真，分析了各研抛参数对研抛轨迹及其长度的影响规律，研究了不同振动模式 下超声研抛材料去除率提高的主要原因：给出了超声研抛声学系统模型，运用机 械阻抗分析法揭示了各声学子系统固有频率与整个系统固有频率之间的关系；建 立了声学系统耦合振子力学模型，解释了超声研抛中存在的“局部共振”现象a 根据压痕断裂力学，建立了理论去除率模型；通过不同振动模式下a j 2 0 3 工程陶瓷 的普通和超声研抛试验，研究了不同研抛参数对材料去除率、研抛压力及表面粗 糙度的影响规律，分析了硬脆材料超声研抛机理。通过正交试验和多元线性回归 分析研究了各研抛参数对研抛压力及表面粗糙度的影响主次顺序，得出了最佳研 抛参数，给出了研抛压力和表面粗糙度的试验公式。晟后通过扫描电镜( s e m ) 分析了工件表面微观结构和研抛过程中的油石状态，验证了超声研抛加工效率高、 加工表面质量好的结论。 关键词：硬脆材料超声振动研抛研抛轨迹材料去除率表面质量 塑堕望三奎兰堡主堂垒笙茎 s t u d yo nh i 曲e f ! f i c i e n ta n dc o m b i f l e dl a p p i n gm e c h a l l i s mo f h 砌一b r i t t l em a t e r i a i s h a r d - b d t t l em a t 鲥a l s1 】a v eb e 曲p o p l l l 甜u 剃i nm 助u 角c 衄e x p 酾e n c eb e c a u s e o ft h e i re x c e l l e n tp e d b 肋姐c e s h a w e v e rt h el o wp l a s t i c i t ) r 、 矗a n g i b i l i t y a n d n o n c o n d u c t i o nm a l c em e i rm c 址1 i i l gv e r yd i m c u h ，e s p e c i a l l ym u i 讹- p r e c i s es l l r f k e f 曲r i c 撕o n t h e r e f m ，u l m 略o n i c “b 删o ni si m r o d l l c e dt 0c o m m o nl a p p i n gf o rn l e p u m o s eo f h i g l l e rr e m o v a lr a t ea n df i n es u r f h c eq u “i 吼t h i sp a p c rf o c i l s e so na c o u s t i c s y s t e mo fu l 仃a s o i l i cl a p p i i l g 趾dl l l t m s o n i cv i b r a t i o nl a p p i n gm e c h a n i s mo fh a r d - b r i t t l e m a t e r i a l s t h em l l l t i p l es u b s y s t 嘲l 印】妇gd e 、，i c ea d a p t i n gt od i 髋瑚l tv i b r 弧0 n 瑚d e l s i sd e v e l o p e d ；m r o u g ht h es i m m g t i o no f 也el a p p i i 唱p a t h ，t h ci 1 1 n u e n c eo f p a r a m e t c r so n l a p p i n gp a ma n di t sl e n g t l li sa n a l y z e d ，瓤l d 也em a mr e 聃o no f 轴g h e rm 觚e r i a lr e i i l o v a l r a c ei nu l 仃a s o n i cl 印p i r l gw i t l ld i 昼b 删v i 姚t i o nm o d c 王si sr e s e a r c h c d ；血ea c o u s t i c m o d e 】o fu j 仃a 涮cl 印岫n gi sp r o p o s c d ，锄d 出er e 】鲥o n 蜘e 髓r e s o n 锄c c 矗e q u e n c i e s o fe a c hs u b s y s t e ma n dt l l ew h o l es y s t e mi sr e v e a l e db y 也eu s eo ft h em e c h a i l i c a l i m p c d 锄c et l l e o r y ；也ec o u p l i n go s c i l l a t o rm e c 枷c a lm o d e lo fa c o u s t i cs y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ep h e n o m e n o no fl o c a lr c n a n c ee 】【i s t e dmu l 仃a s o n i cl a p p i n gi s e x p l a i l l e d ht 圭l i sp a p e r t l l et l l e o t i c a lr e m o v a lr a t em o d e li se s t a _ b l i s h e d 踮c o r d 协gt o i n d e m a t i o nf n j r em e c h a l l i c s t h r o u g ht h ec o n m l o na n du l 仃a s o n i cl a p p m ge x p e r i m e n t o fa 1 2 0 3e n g i n e e rc 踟i c s 埘n id i 腩咖tv i b 豫d o nm o d e l s ，也ei n n u c er t l l eo f d i 疏r e n t l 印p i n gp a r a m e t e 糟m a t e r i a lr e m o 、砌r a t e 、1 a p p i n gf o 玎c ea n ds u 血c e r o u g h n e s si ss t l l d i e d ，t l l e u l 订船o i l i cl a p p i i l gm e c h a n j s mo fh a r d - b r i m em a t e r i a l si s a 1 1 a l y z e d w i mo m l o g o n a lt e s ta i l dm u l d v a r i a t el i n e a rr c 舒e s s i o n 糊l y s i s ，t h ep r i m a r y a n ds e c o n d a r yi n n u e n c i n go r d c ro f 辟姗e t e r so nl 印p i n gf o l - c ea n ds u r 自c ef d u g h n e s s i sp r e s e n t e d ，m eo 蛳m 啪l a p p 血gp a 鞠m 成e r so fl l 王位略o i l i cv i b r a t i o nl a p p i n ga r ep u t f b n a r d ，m ee x p e r i m e n t a lf b m l u l 硒o fu l 地坞o i l i cl a p p i l l gf o r c ea n ds u r f 配er o u g h n e s s a r eg a i l l e d a tl a 巩t h es u r f k em i c r o s c o p i cs 饥l c t l i r e 越do i l s t o n e ss t a t ea 矗c rl a p p i n g a r ea n a l y z e db ys c a n n i n ge l o c 订o nm i c m s c o p e ( s e m ) ，a i l dt l l ec o n c l u s i o no f h i g h e r e f f i c i e n c ya 1 1 df i n es u r f a c eq u a l i t yi l ll l l 订a s o i l i cl a p p i n gi sv 舐f i e d k e y w o r d s ：h a r d b r i n l em a t e r i a l s u l 由r a s o n i cv i b r a d o nl a p p i n g l a p p i n gp a t h m a t e r i a lr e m o v a lr a t e s u l h c e 删i t y i l 河南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地 方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：趣舄竭 哆年朋引日 河南理工大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于河南理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：趄) 墨蔓； 指导教师签名： x u ；年f 月 j 日v 咿夕年端 l 绪论 1 1 课题产生背景 1 绪论 近年来，在徽电子、传感器技术等尖端技术中，高精度超光滑表面的零件获 得了广泛应用。而在这些材料中，金属间化合物、工程陶瓷、光学晶体等硬脆材 料由于具有一般金属材料无法比拟的高强度、商硬度、高脆性、耐詹损和耐腐蚀、 隔热、低密度、低膨胀系数及化学稳定性好等特点而占有相当大的比例，越来越 多地用来制作精密零件，己成为尖端科学技术中应用最为活跃的材料【l 】。尤其是工 程陶瓷材料，是支撑交通运输、能源动力、航天航空以及国家莺大工程等领域的 重要物质基础，是目前国际上竞争最激烈的高技术新材料之一。高性能结构陶瓷 材料的进步不仅对国家基础产业的发展和国家安全的保障起着关键性的作用，而 且还影响和带动新材料产业的发展，推动传统产业的升级改造。 因此，硬脆材料的加工方法成为人们研究的热点，但其具有的低塑性，易脆 性，微裂纹以及不导电性等，如果加工方法选择不当将会引起工件表面层组织的 破坏，使得硬脆材料的加工十分困难尤其是超精密表面制作更加困难比1 。普通研 磨抛光虽然可以提高加工精度，改善加工质景，但其生产效率极低。超精密切削、 超精密磨削的实现依赖于锐利的超硬切削工具、高精度高剐度的设备及其他周边 技术的支持，使得硬脆车孝料的加工特别是精密超精密加工十分困难，严重影响了 工程陶瓷材料的推广应用b 1 。 适用于硬脆材料加工的手段主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声 加工等。另外，还有基于机械作用的超精密研抛、基于机械化学作用的超精皆 研抛、液面研抛抛光等采用新原理的超精密研抛技术。其中超声加工与电火花加 工、电解加工等技术相比。既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用；在激光 加工中，由于加工过程的基础是利用热，因而，不能排除材料有热损伤和微细龟 裂。与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状。而其他的超精密研抛技术对加 工设备和条件都有特殊的要求，在影响加工精度、表面质量的各种因素中，有的 因素较难控制，对加工对象也有较多的限制，因而在工程应用中，往往受到制约， 达不到高的技术经济效果。 超声振动研抛是使研具产生超声频振动的同时进行机械研抛的方法，是一种 河南理工大学硕士学位论文 超声与机械加工复合的加工方法，能有效提高研抛效率，可作为 二件的最终处理 工序，使工件获得较高的尺寸精度和微观几何形状精度。同时研究表明，如果研 抛工艺参数( 发生器功率，磨料粒度，研抛压力等) 选择恰当，则可使新生成的损伤 层更薄、更均匀，从而获得较佳的表面质量，实现超精密加工，理想的状况是获 得接近无损伤的表面。 综合国内外硬脆材料研磨抛光技术的研究现状，在普通游离磨料研抛的基础 上如何添加超声系统，优化研抛效果正成为研抛加工当前的主要任务。在陶瓷等 硬脆材料的超声振动研抛加工领域，主要侧重于“变幅杆一一刀具”子系统的纵 向振动和横向振动两种振动模式下研抛机理的分析，对多子系统弯曲振动超声研 抛声学系统的分析不够全面，很多现象和机理解释不清，缺乏一定的理论依据； 另外，对超声振动研抛机理的理论研究尚不充分，例如：对亚表面层的形成机理 和特性缺乏一定的研究；对超声研抛时加工区温度的变化对材料性能和加工质量 的影响研究不够深入。在应用基础研究上，迄今也一直存在着硬脆新材料超声超 精密加工的稳定性、可靠性，与零件成本密切相关的加工效率等问题。这些问题 的解决，不仅关系到精密超精密加工技术的理论发展，而且也直接影响到基于硬 脆材料精密超精密技术在我国军事、生物、计算机及精密工程中的推广应用。因 此，设计出硬脆材料高效复合研抛的加工工艺装备，研究硬脆材料、研究不同振 动模式下的研抛机理，都具有十分重要的意义。 基于上述研究结合课题组在硬脆材料超声精密加工领域取得的一些成果， 本项目提出了“硬脆材料高效复合研抛机理”这一课题，选择目前研究较为成熟 的a 1 2 0 3 工程陶瓷为研究对象。旨在硬脆材料的加工方面作些基础性和探索性的工 作，获取较高的加工效率和优良的表面质量，揭示硬脆材料高效复合研抛机理， 进一步推动a 1 2 0 3 工程陶瓷在工程中的实际应用。 1 2 陶瓷的结构及其特性h 。1 陶瓷材料是典型的硬脆材料，在化学上是指由金属和非金属元素的氧化物、 碳化物、氨化物、硼化物、硫化物、硅化物及复合化合物所构成的材料。工程陶 瓷( e n g i n e e 血g c e r 枷i c s ) 主要指可用于工程方面的具有高强度、高耐磨性、耐高 温、由氧、碳、硅、硼等材料烧结丽成的陶瓷材料。 2 l 绪论 1 2 1 陶瓷的结构 陶瓷材料的性能取砍于晶体点阵结构，在很大程度上是由微观结构所决定的。 从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子键、共价键或离子一共价混 合键。不同陶瓷材料的共价键和离子键所占的比例不同，性能也有所差异，蛔表1 1 所示。共价键的主要特点是它的方向性，使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍 位错运动发展的能力，使陶瓷呈现出较高的硬度和弹性模量：离子键晶体的方向 性不明显，静电作用力是决定离予键陶瓷结构的主要因素。主要由离子键构成的 陶瓷材料在静电作用下呈现出较高的强度且强度受温度影响较大；而主要由共 价键构成的陶瓷材料则受温度的影响不大，所咀共价键比例大的陶瓷热膨脏系数 低、导热率高、更适合做高温结构材料。 表1 1 常用精细陶瓷的结构特点 t 曲l el - 1t h es 眦c t u mc h a m t e i i s co r 盯d i n a l yn 凹c e 舢i c s 堕塑壁盛 陶瓷种类 阴离子排列方式 阳离子填充结构 结台键比例( ) 情况 名称一面手砸匡面淹 1 2 2 陶瓷材料的性能 陶瓷材料结构决定了它具有金属等其他材料所1 i 具备的特殊性能：耐高温、 高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高热导率和质量轻等。如表1 2 所示。 高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高热导率和质量轻等。如表1 2 所示。 表1 2 陶瓷材料的性能 t a b 】e 1 2t h ep e 曲n n a n c eo f c e r 蛐i c s 弹性模量b ( g p a ) 3 5 52 1 53 3 0 4 2 0 抗弯强度。( h 伊a ) 4 6 05 9 0 9 0 0s 6 0 垫垦堡鏖! 鲢! ! ! 堕! 一一一一 i ! 唑 ! ! ! ! ! 业 l 绪论 1 2 1 陶瓷的结构 陶瓷材料的性能取决于晶体点阵结构，在很大程度上是由微观结构所决定的。 从晶体结构看，陶瓷材料的原子间结合力主要为离子键、共价键或离子一共价混 合键。不同陶瓷材料的共价键和离子键所占的比例不同，性能也有所差异，如表l l 所示。基价键的主要特点是它的方向性，使晶体拥有较高的抗晶格畸变和阻碍 位错运动发展的能力，使陶瓷呈现出较高的硬度和弹性模量：离子键晶体的方向 性不明显，静电作用力是决定离子键陶瓷结构的主要因素。主要由离子键构成的 陶瓷材料在静电作用下呈现出较高的强度，且强度受温度影响较大；而主要由共 价键构成的陶瓷材料则受温度的影响不大，所以共价键比例大的陶瓷热膨胀系数 低、导热率高、更适合做高温结构材料。 表1 1 常用精细陶瓷的结构特点 t 曲l el - lt h eg v c t u r ec h 雠懈瞳鲥co f o r d i n a r yf i c e 衄i c s 1 2 2 陶瓷材料的性能 陶瓷材料结构决定了它具有金属等其他材料所不具备的特殊性能：耐高温、 高硬度、耐磨损、耐腐蚀、低膨胀系数、高热导率和质量轻等。如表1 2 所示。 表l 一2 陶瓷材料的性能 t a b l el - 2t h ep e 怕m o f c e r 咖i c s 弹性模量e ( g p a ) 3 5 52 1 5 3 3 04 2 0 抗弯强度o ( m p a ) 4 6 05 9 0 9 0 05 6 0 抗压强度ob c ( m p a )! ! 塑! ! ! ! ! ! 塑 河南理工大学硕士学位论文 1 3 工程陶瓷精密超精密加工方法及其进展“- 8 1 硬脆材料超精密加工方法根据零件的不同形态、加工精度、表面质量及材料 特性等进行选择，其中主要有超精密机械加工法、电化学以及光能加工法，表l 一3 所示为各种加工方法的分类。 对于工程陶瓷这样的硬脆材料，其本身所固有的特性对材料的去除非常不利。 硬脆材料的可加工性很差，当采用切削或磨削等机械加工法时，材料的去除过程 主要是由于裂纹的扩展所造成的，所以过程控制便是超精密加工的关键。另一方 面，由于材料的高硬度、低热传导性导致加工区温度较高，易于产生热应力并导 致裂纹产生，而低导电性和高化学稳定性又使其难于进行电解加工。但由于陶瓷 材料具有优良性能，陶瓷加工新工艺相继涌现，特别是超精密加工方法，主要有 超精密切削加工技术、超精密磨削加工技术、超精密研抛和超精密特种加工等。 表l 一3 陶瓷材料主要加工方法 t 曲l e1 - 3t h cm a j o rp m c e s s i l l g m e t h o do f c e r 蚴i c s 1 、超精密切削 随着一些关键技术，特别是空气轴承技术突破以后，以镜面切削加工为主， 面向不同零件的超精密金刚石切削机床相继研制成功，技术水平也越来越高，在 美国、r 本和西欧等工业发达国家，超精密切削加工技术f 了趋成熟。用金刚石刀 4 1 绪论 具切削脆性材料并获得离质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术，通常 称为脆性材料的超精密车削加工。 研究者们对陶瓷等硬脆材料进行了试验研究，获得了有价值的研究成果。日 本的研究人员在使用聚晶金刚石刀具对a 1 2 0 3 陶瓷与s i 3 n 4 陶瓷进行切削试验，探 讨了陶瓷塑性切削深度极限问题，指出当2 0 3 陶瓷的临界切削深度口= 2 m ? ， s i c 陶瓷的口p 一= 1 p 晰，s i 3 n 4 陶瓷的4 p 。= 4 p m ( 口p 口，一时，陶瓷材料会产 生脆性破坏；口， 口，。时，则为塑性流动式切削) 。美国的研究人员对单晶锗进 行了一系列金刚石车削试验，成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削，并提出 了临界切削厚度的计算公式。 2 、超精密磨削 超孝毒密磨削技术是在一般精密磨削基础上发展起来的，该加工方法不仅要提 供镜面级的表面粗糙度。还要保证获得精确的几何形状和尺寸。材料的高硬度使 得刀具难以切入工件，刀具磨损迅速，而材料的脆性使其被加工时易于破碎和开 裂，零件强度大为降低。因此，要想既不破坏试件强度又得到高的表面质量，就 要变脆性磨肖0 为延性域磨削。 延性域磨削( 或塑性化磨削) 技术可获得只有研抛才能达到的超光滑表面。 美国t g b i 胁长期从事硬脆材料延性域磨削的研究工作，提出了硬脆材料延性域 磨削的临界切削深度模型，并指出硬脆材料加工时产生延性域流动，仅与材料本 身属性有关。而与磨削参数的关系并不密切。国内很多学者的研究结果表明，磨 削工程陶瓷、光学玻璃和晶体时，均存在明显的塑性变形特征。 自9 0 年代以来。硬脆材料的延性域磨削是许多国家都在积极探索的课题，其 目标是制成3 5 n r n 的平滑表面，也就是通过磨削加工而不需抛光即可达到要求的 表面粗糙度，这就要求机床具有高精度高刚度，即在硬脆材料的弹塑性域内获得 精准的微小材料去除深度，同时砂轮种类及修整条件对磨削加工结果也起着决定 性的作用。因此，超微细超硬磨料金刚石砂轮用于超精密磨削加工也是重要的研 究方向之一。除此之外，磨削液、环境条件及工件本身的特性等都对硬脆材料的 超精密磨削加工产生重要影响。 另一方面，在磨削加工中附加其它机械能、热能及电化学能等形成复合磨削 加工方法，可显著提高加工效率，获得更优良的表面。例如：复合电解磨削e m g 和m e e c 磨削法。 5 河南理工大学硕士学位论文 3 、超精密研抛 超精密研抛包括机械研抛、化学机械研抛、浮动研抛、弹性发射加工以及磁 力研抛等加工方法。超精密研抛加工出的球面度达0 0 2 5um ，表面粗糙度达 i 瑚0 0 3um 。利用弹性发射加工可加工出无变质层的镜面，表面粗糙度可达 r a 0 5 n r n 。超精密研抛的关键条件是几乎无振动的研抛运动、精密的温度控制、洁 净的环境以及细小而均匀的研抛剂。此外高精度检测方法也必不可少。 4 、超精密特种加工 特种加工技术是直接借助电能、热能、声能、光能、电化学能以及特殊机械 能等多种能量或其复合以实现材料去除的加工方法悖一。常用的特种加工方法有 电火花加工、激光加工和超声复合加工等。 微细电火花加工是指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电 产生的瞬时局部高温来熔化和汽化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏 观的切削力。只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可以实现 极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝平面及曲面等。 超声复合加工是指采用几种不同能量形式、几种不同的工艺方法。互相取长 补短、复合作用的加工技术，例如超声电解加工、超声电解研抛、超声电火花等， 可比单一加工方法更有效，使用范围更广。超声复合加工方式较适用于陶瓷材料 的加工，其加工效率随着材料脆性的增大而提高。日本的研究人员对陶瓷材料的 超声磨削加工进行了研究，使陶瓷材料的加工效率提高近一倍；他们在对a 1 2 0 3 陶瓷与z 由2 陶瓷进行加工时，在工具与工件上同时旌加超声振动，从而使加工效 率提高了2 3 倍；在钻头上施以超声振动进行深孔加工，大大提高了孔内表面质 量与孔的圆度。在国内，1 9 8 6 1 9 8 8 年清华大学王先遗教授研究了硬脆材料的超声 砂带磨削技术，获得了高效超镜面加工效果。1 9 8 9 1 9 9 2 年我国学者王立江教授深 入研究了微小孔的超声振动钻削问题，为超声振动高效钻孔奠定了严密的理论基 础。1 9 9 1 年赵波教授在工程陶瓷普通磨削研究的基础上，于1 9 9 6 1 9 9 8 年研究了 超声、普通珩磨工程陶瓷和高强度钢的材料去除机理】，建立了适应于高强度钢 和硬脆材料的高效去除率模型，同时研究了超声珩磨的表面微观特性，通过电镜 观察了8 0 # 粗粒度金刚石油石珩磨氧化锆和氧化铝表面从延性到脆性的过渡现象， 获得了固结磨具延性磨削的临界切深及r a l 3 2 m 的缸套类零件表面。 6 l 绪论 1 4 硬脆材料精密超精密研抛加工的国内外现状 在国外，日本东京大学中川威雄等进行了复合材料振动抛光研究。h h o c h e n g 和k l ik u 0 对型模钢的超声抛光进行试验研究2 13 1 ，表明：磨粒尺寸应根据 刀具的振幅和抛光前的表面糨糙度进行选择；抛光磨粒粒径应小于刀具振幅，大 于工件最大表面租糙度值的3 4 倍；在得到的表面粗糙度和静载荷之间存在一线 性关系，研抛压力存在一临界值。德国柏林的p r o f d r h c m u n d l 1 1 1 9 g s p u r 等对陶瓷的超声振动缓进给平面磨削进行试验研究4 j ”，分析了磨削过程中磨削 力、表面粗糙度以及砂轮磨损的特性并与无超声振动磨削的情况相比，表明：与 普通磨削相比，在所有参数都一致的情况下，超声磨削中的法向力减少了5 0 ， 砂轮磨损增加，表面粗糙度恶化。同时分析了不同加工参数对材料去除率的影响， 指出：砂轮转速和触点压力的增大将会导致材料去除率的增加，而振幅的影响则 是不恒定的，最后对材料的去除机理也进行了分析。j e o n g d u k i i n 等在对光学塑 性材料的超声振动延性域加工时发现6 1 ，如果刀具振速是加工速度的1 0 倍，则可 得到无裂纹的表面，并用能量谱方法分析了超声加工的性能，对材料的微观表面 形貌和特性也进行了研究。 在国内。毛志敏、李蓓智分析了陶瓷材料超精加工机理“”，用固结磨粒低频 振动( 频率厂为0 + 5 2 0 何，、振幅为o 5 3 m m ) 压力进给的精整加工，研究了 切削角8 ( 合成切削速度方向与工件速度方向的夹角) 与工件加工精度的关系，给出 了最大切削角8 的计算公式，同时还研究了适宜的经济加工条件及有关参数，如切 削角、磨条压力、工件速度、磨头振幅、频率等工艺参数对零件表面质量，特别 是对零件表面粗糙度的影响。并验证了经过磨削加工后的陶瓷工件，再经过超精 加工可以进一步降低其表面粗糙度，一般可降低2 4 个等级。由此证明了超精加 工工艺用于陶瓷材料的精加工是完全可行的。王纯、杨建明研究了适于各种异形 截面孔腔、细小沟槽及复杂零件表面的柔性磨体振动研抛方法“”。在研抛中，对 孔腔中的柔性磨体保持一定的压力，然后对工件激振，使得孔壁与柔性磨体之问 产生高速、高频振动。由柔性磨粒的粘弹性产生形变恢复的滞后性，使工件与柔 性磨体产生划擦，达到研抛加工的目的。加工形状误差仅有0 5 12p m ，粗糙度 r 。可达o 0 1 2 m 。哈尔滨工业大学精密工程研究所的潘洪平、梁迎春等提出超声 振动研抛法们。通过对氮化硅陶瓷球进行超声振动研抛试验证明超声振动研抛与 传统的研抛相比，加工效率可提高2 3 倍，并据此提出了m 点研抛法与n 点研 7 河南理工大学硕士学位论文 抛法北京航空航天大学的季远及哈尔滨工业大学的王娜君等在分析聚晶金刚石 ( p c d ) 材料的微观结构和去除机理的基础上，对p c d 材料的超声振动研抛机理进 行了深入研究2 。通过试验证明，采用超声振动研抛p c d 可显著提高研抛效率， 认为研抛轨迹的加长和超声振动的脉冲力作用是提高研抛效率的主要原因。清华 大学的冯之敬等针对砂带超精密研抛中存在的导入问题提出了解决办法，在原导 入机构的基础上设计了振动超精装置，大大改进了被加工表面的质量。 1 5 本课题研究的主要内容 该课题旨在研究径向、纵向及切向振动研抛时不同研抛参数对研抛压力、表 面粗糙度、材料去除率等的影响，从而探索不同振动模式下的超声研抛机理，并 通过正交试验得出了可用于实际生产的最佳研抛工艺参数，给出了研抛压力及表 面粗糙度试验公式。具体研究内容如下： 1 、研制适用于不同振动模式下的超声研抛声学系统装置。主要包括超声振动 研抛声学系统的设计，特别是交幅杆、弯曲振动杆及研具的制造、安装、调试。 2 、研究不同振动模式下的超声研抛轨迹，建立油石相对工件的轨迹模型通 过仿真验证轨迹模型的可行性，并从研抛轨迹长度、超声研抛过程速度及受力等 方面对超声研抛机理进行研究。 3 、研究超声研抛声学系统中振动研具及弯曲振动杆的振动特性并进行试验分 析，同时研究整个超声研抛声学系统的固有频率及“局部麸振”现象。 4 、研究a 1 2 0 3 工程陶瓷等硬脆材料高效超声研抛的材料去除机理，建立其材 料去除率理论模型。并通过不同研抛参数下的材料去除率试验验证模型的可行性。 5 、研究超声振动研抛压力特性，分析不同研抛参数对研抛压力的影响规律， 进行正交试验，得出优化研抛参数，给出研抛压力试验公式。 6 、研究a 1 2 0 3 工程陶瓷等硬脆材料超声研抛表面质量，正交试验得出良好表 面质量的最佳研抛参数，给出表面粗糙度试验公式。 7 、研究普通研抛和超声研抛加工后a 1 2 0 3 陶瓷等硬脆材料在扫描电镜下的表 面微观形貌及油石磨损状态，分析验证硬脆材料的超声研抛机理。 8 2 硬脆材料超声振动研抛机理研究 2 硬脆材料超声振动研抛机理研究 长期以来，国内外学者采用了各种有效的加工方法对工程陶瓷进行精密超精 密加工，以获得各种特殊工况下使用的机械零部件，对机械加工领域工程陶瓷的 加工机理研究也开展了大量富有成效的工作。只有对其加工机理深入认识才能彻 底揭示工程陶瓷材料加工全过程，才能找出加工过程中各种复杂问题的最优解决 方法，并应用于指导生产实践以期获得精度、表面粗糙度以及材料性能均符合要 求的工程陶瓷零部件。 硬脆材料超声振动研抛加工，在高精度超光滑表面的零件加工中占有较大的 优势，国内外很多研究人员对超声波振动加工进行了试验研究，得出的结论大致 相同，即超声波振动研抛有助于提高效率和加工质量。本章对a 1 2 0 3 工程陶瓷超声 振动研抛机理进行以下研究。 2 1 普通研抛原理心 工程陶瓷的结晶体主要由离予链组成，离子键结合的陶瓷，其破坏强度依赖 于温度的高低，温度高达l o o o o c ，就有明显的蠕交。另外，陶瓷破坏韧性值越大， 抗龟裂的能力越强，而舢2 0 3 的破坏韧性值小，在加工中容易产生龟裂破碎破损。 普通研抛过程初始阶段，在研抛压力的作用下，众多的磨粒进行微量的切削， 同时被研表面发生微小起伏的塑性流动。并且被加入的油酸等活性物质与被研表 面起化学作用，随着研抛加工的进行，研具与工件表面间更趋贴近，其间充满了 微属与破碎磨料的碎渣，堵塞了研具表面，对工件表面起着滑擦作用。所以研抛 加工的实质是磨粒的微量切削、研抛表面微小起伏的塑性流动、表面活性物质的 化学作用及研具堵塞物与工件表面滑擦作用的综合结果。 综合起来，在实际加工过程中，有以下几种作用可能引起材料的去除： 工件表面上磨料颗粒捶击、冲击作用。 工件表面上磨粒的摩擦、刻划作用。 加工间隙中自由磨料颗粒的冲击作用。 磨料工作液的空化作用。 9 河南理工大学硕士学位论文 2 2 超声振动研抛原理 本课题采用固结磨料超声振动研抛a 1 2 0 3 工程陶瓷外圆试件。超声振动研抛加 工是将金刚石树脂结合剂的油石，用高性能粘结剂( 环氧树脂胶) 固结在4 5 4 钢研 具上对工件进行加工，是超声振动与普通研抛工艺相复合，经声学系统的传递使 研抛油石做径向振动或纵向振动的一种加工方法。 2 2 1 径向超声振动研抛磨粒运动模型 e u 1 1 i m 煳于1 9 9 8 年在研究氮化硅陶瓷的缓进给磨削时，曾给出了在砂轮径 向施加超声振动，单颗金刚石磨粒的运动模型嗽1 ，如图2 一l 所示。 晡t h u n 绡a f 懈l o ，n t i c l ， l 弋 _ 帆i t 埘扛摹瞻 d$ n i p 籼o n | m 瞄 t l 、。、叉 篡 q n g i 怒勋吣毫u 矗c 毫肥l e - i 心忿够， d _ 谢 ，4 1 一 。 、 一2 。? 。r 。 la i _ f _ 嚏忡q 5m m3z1o- 1 图2 1 径向施加超声振动单颗金刚石磨粒的运动模型 f i g u r e2 - lm o v c m e n tm o d e l so f d b 撬s i v eg r a i nm 砌i 8 l 山妇s o n i cv b r a t i o nl a p p i n g 研究者根据在砂轮径向施加超声振动下单颗磨粒的刻划实验，得出了超声磨 削比普通磨削磨粒有较大的切入角、较短的切削长度、较厚的切屑以及较低的摩 擦，得出采用超声磨削可获得较大的材料去除率且被磨削材料的表面和亚表面并 不存在额外的破损，同时预测了在砂轮纵向施加振动进行端面和缓进给深磨时将 会获得高精度的复杂轮廓。 由图2 i 可见，假如忽略研具的进给运动，在对油石径向施振时。磨粒的运动 轨迹是一个磨粒的切削宽度不变( 其数值为磨粒切入部分的直径) 而磨粒的切削 深度在不断变化，其变化范围为振幅a 的一个圆环。即在径向施加超声振动研抛 时，磨粒的实际切削深度为进给切深( 普通研抛的切深) 与超声振动的振幅幅值 的总和。超声径振研抛时，除了附加切深外，磨料工作液在振动挤压瞬间的“爆 炸”即空化作用，对材料的去除也有着十分明显的影响。磨粒间歇切入、切出工 1 0 1 2 帅 5 口 毒 邶 2 硬脆材料超声振动研抛机理研究 件表面，磨削点极低的磨削温度，不仅保持了磨粒的锋锐性和硬度，还在超高频 下，改变了材料的本构关系，使材料体本身相对“变软”使材料的去除变得更加 容易。因此，超声研抛时材料的高效去除机理，直观上看是附加了数值为一个振 幅的间隙切深，实际上空化作用和材料在高频下本构关系的影响也是材料获得高 效去除的原因。 2 2 2 纵向超声振动研抛磨粒运动模型 在纵向旌加超声振动的情况下，赵波教授通过对油石的运动轨迹和磨自0 表 面进行详细的观察，给出了如图2 2 的模型，得出了纵向超声振动下的加工特性。 w 蜘【u _ l 铷 | w 曲ct u hm c l 赫 ， h 蛳m k 苫彰 堪 、l一一 扩 卜 帕d 中e ， 柏， i 埘 f 、 ： l - 佑令 。广 砣0 7 ”螂i 噬r v al 妇ik 图2 2 纵向施振单颗金刚石磨粒的运动模型 f i g u r e2 2m o v 蛐咖m o d e l so f a b r 鹊i v eg r a mml o n g i m d _ 眦lu l 恤湖i cv i b r a t i o nl 印p i n g 由图2 - 2 可知，在对油石纵向旄振时，加工中磨粒不脱离工件表面，与工件表 面属于永久性接触，磨粒的运动轨迹是一个切削深度始终不变，而磨痕宽度却由 于振动的施加变宽( 最大宽度为磨粒切入部分直径与双振幅之和) 的一个园环带。 即纵向施振研磨时，加工效率提高的主要原因之一也是单位时间内切削体积增加 的缘故，只是径向振动时是由于磨粒切深的增加，而纵向振动时是由于磨粒切削 宽度的增加。此外在纵向施加超声振动时，由于磨粒的纵向运动使磨粒的切入角 比普通磨削的切入角要大的多，比径向施振的切入角更大。同时由于磨粒在切入 后的高频振动，其磨屑的长度将被大大截短，呈现比普通磨削和经向振动磨削更 短的磨屑，这种现象在硬脆材料的延性加工中会表现的十分明显，沟槽底部和两 边缘也将出现微明显的刻画。由图2 2 还可以看出，在纵向施振时，尽管磨粒与工 件表面不脱离，但由于磨粒的纵向振动，使磨粒在大部分时间内与工件材料只有 前面和个侧面接触，由予接触面的减少将会导致摩擦力比普通磨削大大减少。 ” ， 哪 4 m 叮南理上人学硕士学位论文 由以上的分析可以看出，径向超声振动研抛与纵向超声振动研抛，其主要差 别是磨粒与工件的接触状态不同。在径向超声振动研抛中，磨粒与工件的接触是 间断性的，它的临界速度符合现有的振动切削理论，即当工件的线速度大于等于 油石的振动速度时，将会出现磨粒与工件不分离的现象，成为普通研抛。而在纵 向振动研抛中，磨粒与工件是永久性接触，不存在磨粒与工件表面分离的特点， 因此，如果沿用振动切削的概念，将纵向研抛时的临界速度吐”定义为：当研抛时 的往复进给速度大于等于油石的纵向振动速度时，将会出现磨粒在前进方向与磨 削沟槽的左侧不分离的现象，此时振动研抛成为普通研抛。 2 3a 1 2 0 3 工程陶瓷超声研抛轨迹研究 超声振动研抛运动轨迹是由工件自身的回转运动、油石的振动以及油石相对 工件的进给运动相叠加得至0 的。其中，径向研抛中油石沿工件径向振动，葜方向 平行于工件的线速度方向：切向研抛中油石沿工件的切向振动，其方向同时垂直 于工件线速度方向和进给速度方向；轴向研抛中油石沿工件的轴向振动，其方向 垂直于工件线速度方向、平行于进给速度方向。 2 3 1 超声研抛轨迹方程 图2 3 为油石与工件的相对运动关系图。在垂直于工件旋转轴的平面内，其 旋转中心为o ，在该平面内建立正交坐标系o x y z ，a 为油石上一单颡磨粒，磨 粒一边绕y 轴做圆周运动，一边沿y 轴做直线进给运动。设其初始位置在o y 上， 距o 点的距离为工件半径r 。当研抛t 时间后，a 点振动位移为一s i n ( 2 矽) ( a 为 研抛油石的振幅。厂为振动频率) ，进给位移为厶口( l 为进给速度) 。同时，工 件转过角度日= 耐( w 为工件转动角速度) ，此时a 点到达一点。 x y y 图2 3 油石与工件的相对运动关系 f i g u 他2 3t h e 他1 州v cm “o n 咒l 砒i 帆k t w no i l g t o n e 锄dw o r k p i e c e 1 2 2 硬脆材料超声振动研抛机理研究 x 一= i 面l ，n = 1 丽l ，= p 1 = c z t ， 向量面、万了分别为： c x 。y 。z 。， ； = c 一厶日4 s ；n z 巧厅。， i c z z ， c x ，y ， z ) i = c 。r c 。s 8 露s ；n 8 ， ； c ：一s ， 一铲咖锄协胁如日) | ：。一矗。土一。i n ：妒+ r c 0 。日r 。i n 8 ，f ；1 c ：一。， 吲 y = 士一s i n ( 2 妒) 十r c o s 日 2 5 j z = 骨s ；n 口 b = _ 矗- 8 s i n ( 2 ，妒) 】 卜= r s i n 8 i x = 一9 v = r c o s 0( 2 7 ) 【z = 胄s i n 日爿s i n ( 2 妒) 其中，r 一工件半径( m m ) ；为工件角速度( r a d s ) ，：塑；t 一超声研 抛时间；矗一工件进给速度( 础) ；a 一超声振幅( um ) ；厂一超声振动频率。 河南理工大学硕士学位论文 2 3 2 研抛轨迹仿真与分析 分别给各研抛参数赋予一定值，令r 为1 0 7 5 2 m m ；疗为3 5 5 r p m ；兀为 o 1 3 7 蛐n r ；a 为1 3u m ：，为2 0 1 0 3 h z ，对三种振动方式下的超声研抛轨迹进 行仿真，其结果如图2 4 、2 5 、2 6 、2 7 所示： 图2 4 径向振动研抛轨迹 f i g u r e2 - 41 kr a d 瑚v i b r 8 l i l a p p i i i gp a m 圈2 6 轴向振动研抛轨迹 f i g i 七2 石n l ea 对a l “b r a t i l 印p i i l g p 越i l 图2 5 切向振动研抛轨迹 f i g u r e2 - 5t h e 协g e m i a l v i b r a c i o n1 印p i n gp a 置h 图2 7 三种振动方式下研抛轨迹的对比 f i g u r e2 71 1 1 ec 0 呻撕s o nm o n gl a p p i n gp a 也w 确 t h r e ev i b r 娟o nw a y s 从图2 4 、图2 5 、图2 6 可以看出，研抛轨迹是一组螺旋角周期性变化 的螺旋线，研抛条纹是两个方向互相交错的螺旋线，从各自的研抛轨迹图上并不 能明显看出三种振动方式下的研抛轨迹之间的区别。从图2 7 上可以看出，三种 研抛轨迹之间的网纹分布有些不同，径向和切向研抛轨迹网纹基本上重合，而轴 向研抛轨迹网纹的分布要密集些。 为了更清楚的看出三种振动模式下的研抛轨迹的不同，将上图放大5 0 0 0 倍， 对不同振动模式下的单颗磨粒运动轨迹在小范围内进行模拟与比较，如图2 - 8 。 1 4 2 硬脆材料超声振动研抛机理研究 ( a ) 径向振动研抛轨迹 ( a ) t h er a d i a lv i b f a t i o nl a p p 啦p a m ( b ) 轴向振动研抛轨迹 ( b ) t h e 蹦a lv i b r 鲥o nl a p p i n gp 8 l i ( c ) 切向振动研抛轨迹( d ) 三种研抛轨迹的比较 ( c ) n l e t a f l g e n t 湖v i b r a t i o n l a p p 岖p a m ( d ) t h ec o m p a r i s o n o f t h r e e k i n d so f l a p p i n g p a t h s