（机械制造及其自动化专业论文）硬脆材料异形面超声微精加工工艺研究.pdf

张磊硬脆材料异型面超声微精加工工艺研究 摘要 超声加工是硬脆材料( 特别是非导电硬脆材料) 成形加工的一种有效方法。本文概述 了超声加工技术的发展概况和国内外研究现状，阐述其技术优势与局限性。 本文探讨了超声加工机理，分析了超声空化作用及其对超声加工材料去除率、加工精 度和表面粗糙度的影响规律；在解析有关超声加工材料去除速度的m i l l e r 、s h a w 数学模型 基础上，提出一种新的超声加工材料去除率的数学模型，论述超声加工材料去除速度m ，的 影响因素，同时从机理上论证各加工参数对超声加工速度、表面粗糙度和加工质量的影响 规律。 设计并制作了阶梯形和特殊指数形两种变幅杆，可满足不同材料超声加工对超声振动 振幅的要求；介绍了三种超声a n t 机的基本工作原理，分析了微位移工作台的组成、蠕动 进给及稳定进给压力的原理；给出了微细超声加工效率、精度及表面精度的测量方法；构 建并完善了微细超声加工系统。 微细工具头尺寸微小，精度要求高，制作难度大，其设计与制作是微细超声加工的关 键技术。本文设计微细轴、微细孔、微细筋槽、阶梯孔、微轴阵列( 圆形、方形、菱形) 等多种端面形状工具头，采用微细电火花线切割、电火花“反拷+ 平动 放电等组合电加 工成功制作出各种工具头，满足异形面微细超声加工试验要求。 进行了微细孔超声加工不同进给压力试验，工件与工具间微接触压力有一最佳值，此 时加工速度达最高；不同磨料阶梯轴超声加工特性试验及分析表明，磨粒粒度及硬度影响 加工效率与精度，但不同粒度磨粒需对应合理的进给压力与超声振幅，才能达到高精度、 高效率；进行不同材料微细孔、微细筋、窄槽和阵列微凹坑微细超声加工试验，试验表明 材料的加工精度、表面质量及加工效率和材料特性密切相关，材料的强度和断裂韧性越高， 在超声波高频振动撞击及空化作用下，表层去除脆裂较小，加工精度和表面质量越高，加 工速度越低；超声) b n - e 是硬脆非金属材料异形面微细加工的一种有效方法，具有很高的加 工效率、精度及表面质量。 本文同时对不同特性材料异形面( 压电陶瓷、合金钢、硬质合金等) 进行超声加工及 超声复合电解加工试验比较，试验表明超声复合电解加工对硬质合金等硬韧导电材料有更 小的工具损耗，更高的加工效率，更好的加工精度与表面质量。 最后，针对加工试验中出现的主要问题进行了分析总结，并对后续研究工作提出了设 想和展望。 关键词：微细超声力n - r _ ，硬脆材料，异形面，加工机理，工艺研究 张磊硬脆材料异形面超卢微精加上工艺研究 a b s t r a c t u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ( u s m ) i sc o n s i d e r e dt ob ea l le f f e c t i v et e c h n i q u ei np r o c e s s i n go f h a r d a n db r i t t l em a t e r i a l s ，p a r t i c u l a r l yn o n c o n d u c t i v eh a r da n db r i t t l em a t e r i a l s ，t h i sa r t i c l eo u t l i n e s t h ed e v e l o p m e n to ft h eu l t r a s o n i cm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n dm i c r o - u l t r a s o n i cm a c h i n i n gh i s t o r y a n dr e s e a r c hs t a t u s ，a n de x p l a i n st h et e c h n i c a la d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h em e c h a n i s mo fu l t r a s o n i cm a c h i n i n g ，a n a l y s i so fu l t r a s o n i c c a v i t a t i o na n di t sr e m o v a lr a t eo fu l t r a s o n i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s ，m a c h i n i n ga c c u r a c ya n d s u r f a c er o u g h n e s so ft h el a w ；i nt h er e s o l u t i o nt or e m o v et h em a t e r i a l si nu l t r a s o n i cm a c h i n i n g s p e e dm i l l e ra n ds h a wb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，al l e wm a t e r i a lr e m o v a lr a t eo f u l t r a s o n i c p r o c e s s i n g o ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d i s c u s s e st h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eo f u l t r a s o n i cm a c h i n i n gf a c t o r s ，w h i l et h ea r g u m e n tf r o mt h em e c h a n i s mo ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r s o nu l t r a s o n i cm a c h i n i n gs p e e d ，s u r f a c er o u g h n e s sa n dp r o c e s s i n gq u a l i t yo f t h el a w d e s i g n e da n dp r o d u c e dal a d d e r - s h a p e da n dt w os p e c i a le x p o n e n t i a lh o 驰u l t r a s o n i c m a c h i n i n go fd i f f e r e n tm a t e r i a l st om e e tt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o na m p l i t u d eo nt h er e q u e s t ； d e s c r i b e st h r e eb a s i cu l t r a s o u n dm a c h i n ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em i c r o - d i s p l a c e m e n t c o m p o s i t i o nt a b l e ，c r e e pf e e da n dt h es t a b i l i t y o ft h ep r i n c i p l eo ff e e dp r e s s u r e ；g i v e n m i c r o - u l t r a s o n i cm a c h i n i n ge f f i c i e n c y , a c c u r a c ya n ds u r f a c ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t m e t h o d ；b u i l da n di m p r o v et h em i c r ou l t r a s o n i cm a c h i n i n gs y s t e m m i c r o t o o lh e a ds i z es m a l l ，h i g hp r e c i s i o n , m a k i n gi td i f f i c u l tt od e s i g na n dp r o d u c t m i c r o u l t r a s o n i cm a c h i n i n gi st h ek e yt e c h n o l o g y t h i sd e s i g nm i c r os h a f t ，m i c r oh o l e ，m i c r ob a r s l o t ，s t e ph o l e s ，m i c r o - a r r a ya x i s ( r o u n d ，s q u a r e ，d i a m o n d ) a n ds ot h es h a p eo ft h et o o lh e a de n d ， u s i n gm i c r o e d mw i r ec u t t i n g ，e d m ”a n t i c o p y + t r a n s l a t i o n ”t h es u c c e s s f u lc o m b i n a t i o no f e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gt op r o d u c eav a r i e t yo ft o o lh e a d s h a p e dt om e e tt h et e s t r e q u i r e m e n t so fs u r f a c em i c r o - u l t r a s o n i cm a c h i n i n g u l t r a s o n i cm a c h i n i n go fm i c r oh o l e sf o rd i f f e r e n tf e e dp r e s s u r et e s t ，t h ew o r k p i e c ea n dt h e t o o lc o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e nt h em i c r oh a st h el o w e s tv a l u e ，t h e nt h em a x i m u mp r o c e s s i n g s p e e d ；d i f f e r e n ta b r a s i v ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a s o n i cm a c h i n i n gs t e p p e ds h a f tt e s ta n da n a l y s i s s h o wt h a tt h ei m p a c to fa b r a s i v ep a r t i c l es i z ea n dh a r d n e s sp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , b u td i f f e r e n tp a r t i c l es i z ec o r r e s p o n d st oar e a s o n a b l en e e dt of e e dp r e s s u r ea n du l t r a s o u n d a m p l i t u d e ，t oa c h i e v eg o o dp r e c i s i o n , o rh i g he f f i c i e n c y ；t i n yh o l e sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，f i n e b a r , n a r r o wc h a n n e la n dm i c r o a r r a ym i c r o p i t su l t r a s o n i cm a c h i n i n gt e s t sa n dt e s t si n d i c a t et h a t m a t e r i a l sp r o c e s s i n gp r e c i s i o n ，s u r f a c eq u a l i t ya n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , a n dc l o s e l yr e l a t e d m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，m a t e r i a ls t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s so ft h eh i g h e rf r e q u e n c yv i b r a t i o ni n t h eu l t r a s o n i ci m p a c ta n dc a v i t a t i o n , l e s sb r i t t l ef r a c t u r es u r f a c er e m o v a l ，t h eh i g h e rm a c h i n i n g i i i 扬州大学硕士论文 a c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y , l o w e rp r o c e s s i n gs p e e d ；u l t r a s o n i cm a c h i n i n gh a r da n db r i t t l e n o n m e t a l l i cm a t e r i a l sa r es h a p e ds u r f a c em i c r o m a c h i n i n gi sa l le f f e c t i v em e t h o dw i t hh i g h p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , a c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t y t h i sa r t i c l ea l s os h a p e ds u r f a c eo nt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s ( p i e z o e l e c t r i c c e r a m i c ，s t e e l ，c a r b i d e ，e r e ) u l t r a s o n i cm a c h i n i n ga n du l t r a s o n i ct e s te c mc o m p a r i s o nt e s t s h o w e dt h a tu l t r a s o n i ce l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n go fc a r b i d ea n do t h e rh a r d d u c t i l ec o n d u c t i v e m a t e r i a lh a sas m a l l e rt h et o o lw e a r , h i g h e rp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , b e t t e rp r e c i s i o na n ds u r f a c e q u a l i t y i nt h ee n d ，t h ep r o c e s so ft h em a i ni s s u e sa r i s i n gi nt e s t i n gw e r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d , a n dm a d ef o l l o w - u pr e s e a r c hi d e a sa n do u t l o o k k e yw o r d s ：m i c r ou l t r a s o n i cm a c h i n i n g ，b r i t t l ea n d h a r dm a t e r i a l s ，f u n d a m e n t a l so f m a c h i n i n g p r o c e s s ，s t r a n g es u r f a c e i v 张磊硬脆材料异形面超声微精加上工艺研究 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名。 厌磊 签字日期： 之口卢年厂月z ，尹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学可以将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、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名： 炙矗 导师签名： 签字日期： p b 年r 月l , e l签字日期：认f 7 5 张磊硬脆材料异型面超卢微精加工工艺研究 第一章绪论 超声加工是利用超声振动工具在有磨料的液体介质或干磨料中产生的磨料的冲击、抛 磨、液压冲击去除材料的加工方法。几十年来，超声加工技术的发展迅速，在深小孔加工、 拉丝模、异形面及型腔模具研磨抛光领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难n - r 材料 领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。 1 1 超声加工技术的发展概况 超声加工起源于1 9 2 7 年由美国物理学家r w w i o o d 及l a l o o m i s 发表全世界的第一 篇关于超声加工原理的论文【l j ，而到了1 9 4 5 年由英国取得第一个专利权之超声发生器，之 后超声加工理论研究开始蓬勃发展，超声加工已应用到各种地方，如机械工业、电器工业、 食品、冶金、通信等地方。 日本研究超声加工源于2 0 世纪5 0 年代初划2 。，日本在甲府成立了专门的振动切削研 究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。日本研究超声加工的主要代表人物有 两位：一位是中央大学的岛川正宪教授，超声工学理论和实务是他的代表作；另一位 是字都宫大学的隈部淳- - n 精密加工一振动切削基础和应用是他的代表作。日本研究 人员不但把超声加工用在普通设备上，而且在精密机床、数控机床中也引入了超声振动系 统，并且试图将超声加工引入超精密加工机床。超声加工在日本已经获得近百项专利，在 生产中发挥了一定的作用。 苏联的超声加工研究也比较早，5 0 年代末6 0 年代初已经发表过很有价值的论文【3 1 。 在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效 果。他们将超声加工设备操作人员的技能等级分为五级。为了推动超声加工的应用，1 9 7 3 年苏联召开了一次全国性的超声加工讨论会，充分肯定了超声加工的经济效果以及实用价 值，对于这项新技术在全国的推广和应用起到了积极的作用。 6 0 年代初，美国开始了超声加工的研究工作。用于当时超声加工技术还很不成熟，声 振系统、换能器、放生器的设计制造和质量都较差，美国的研究工作曾经停顿了1 0 年。 7 0 年代中期，美国在超声钻中小孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，硬件处于生产 应用阶段；超声车削、钻孔、镗孔已经处于试验性生产设备原型阶段；通用超声振动切削 系统已经供工业应用，目前已经形成部分标准。1 9 8 3 年a d i t h a n 4 j 研究磨料对孔加工的情 况，发现适当的静压力负载，磨料的损耗可以降到最低；新鲜的研磨液在使用一段时间后 必须更换，否则会降低切削率速度，磨料也会从本来的尖锐形状，而慢慢被磨成圆弧状， 加工精度也会跟着下降；碳化硼磨料比碳化矽与氧化铝的磨耗来的低，主要原因是碳化硼 硬度较高所致。美国金属切削研究协会h l r u t a n t 5 j 在1 9 8 4 年发表一篇论文，利用超声来 做多孔加工，加工在电子工业所用的基层板钻孔，只用一台机器，同时钻9 3 0 个孔，加工 扬州大学硕士论文 时间只需8 5 分钟，平均每个孔德切削时间只要0 5 秒，其加工速率可与水刀及激光加工 相抗衡，加工效率高得惊人。 德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行了大量的研究，并发表了许多有价值 的论文j 在生产中也得到了积极的应用。 我国超声加工的研究始于5 0 年代末，曾经掀起过一阵群众性的超声研究热潮，但由 于当时超声波放生器、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作， 很快就冷了下来。6 0 年代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的铝制细 长轴，取得了良好的切削效果。由于我国特定的历史条件，这项新技术的研究工作中断了 十多年。1 9 7 6 年以后，我国再次开展了超声加工的试验研究和理论探讨工作。吉林工业大 学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率先进行超声车削设备试验及研究。1 9 8 2 年，山 河钢管厂、中国科学院声学研究所及上海超声波仪器厂研制成功了超声拉管设备，为我国 超声加工在金属塑性加工中的应用填补了空白。1 9 8 5 年，机械电子工业部第1 1 研究生研 制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷、y a g 激光晶体等硬脆材料的钻孔、套料端铣、内 外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。1 9 9 1 年，中北大学王爱玲教授研制成功 了变截面细长杆超声车削装置，从根本上解决了节制杆、各种复杂形状的变幅杆、等截面 细长杆精密加工的重大技术难题，对保证产品质量、提高制造技术水平有重大意义，这项 新技术也通过部级鉴定。可以相信，随着超声加工设备的不断完善了理论研究的不断深入， 它必将在我国技术进步和社会主义现代化建设中起到重要的作用。 1 2 超声加工技术的应用及加工实例 2 图1 1 超声精密加工实例简图 斯翰w 曲m 张磊硬脆材辩异形面超声微精, h aj 一 艺研究 超声加工可实现如下各种精密加工 6 】，如图l1 ，( a ) 为雕模，工具的形状轮廓直接复 现与工件加工物。( b ) 为异型贯通孔。( c ) 为管状中空工具压剪素材。( d ) 用多刃工具切 片。( e ) 是旋转工具加工眼膜等微细孔。( f ) ( g ) 所示为加工弯曲孔。( g ) 是是振动工具 单纯往复运动，使加工物摇动运动而加工孔内面。( h ) 使加工物旋转和进给，进行类似车 削加工的加工。( i ) 为槽加工( j ) 为圆扳等的切圆加工。( k ) 为复杂形状的切沟或切穿加 工。( i ) 是将成束的管安装于工具保持器从素材切去多个圆板。 i21 磨料的冲击超声j n - t - 12 1 l 金属材料冲击超声加工 图1 2 1 6 1 是对车刀用超硬刀片实行各种超声加工，此时t n i 所需时间凼超硬台金材质而 异，外径l o m m 的管状工具贯通厚度5 m m 需2 5 - 4 0 分钟，磨料用e c2 8 0 目，图中的螺纹 为8 m m 、板厚4 m m ，3 2 0 目且c 需要4 小时，图示的沟槽宽度9 r a m 。图13 在工具钢模 具加工有阶梯的底孔。图l4 是在纤维用喷嘴不锈钢加工3 2 0 条宽i5 m m 、长2 5 m m 的沟， 板厚3 m m 图1 - 5 为特殊钢板的异形加工，孔为i8 m m 的方孔，供量规用。孔尺寸精度 00 2 m m 。 零 蝌i2 超硬台盘车刀的超声加下实例图13 模具的超声加丁 国“、灌 图1 4 维修j 】喷嘴的不锈钢超声加i 圈i5 特殊钢板的方孔加f 1 212 玻璃的超声加工 玻璃以其具有的耐高温、膨胀系数低、机械强度高、化学性能好等特点，被广泛应用 于航空航天、信息、微电子及测绘等诸多现代高技术行业。光学玻璃足典型的脆性材料， 它具有硬度高、强度太、质地脆的特点，使得传统的切削加工方法难以胜任制造任务，所 以对这些材料的精密和超精密, n 3 2 已成为先进制造技术领域的一个重要研究方向口i 。光学 玻璃硬度高，对工具的选择具有局限性；质地脆，容易在己加工表面产生裂纹和凹纹，严 重影响其表面的质量和精度。由于光学玻璃的可加工性极差，如果仍采用传统的粗磨、精 扬j i t 大学硕士论文 磨、研磨及抛光等复杂的工艺，加工生产率低、成本很高，加工精度不易保证对于面形 复杂的工件甚至无法加工，远远不能适应现代高科技发展和高效率的要求，精密超声被加 工是为完成这类硬脆材料加工而产生和发展起来的。超声加工工艺适合于普通大面的研 抛，对基本体的钻孔、开槽、精细加工等特殊切削要求也能逐步满足高精度要求。 图1 6 石英玻璃的超声加工图i7 特种玻璃的加工与工件彤状及尺寸 图18 石英玻璃管的淘槽加工图1 9 对石英玻璃的深孔加工 图1 6 删在石英玻璃同时加工方孔与圆孔，也表示工具形状，此加工贯通孔。图l7 为 机器的盖玻璃，孔尺寸是直径9 6 r m a 、厚5 m m 。图18 ，沟宽o8 m m 、深度6 m m 、沟的角 度3 0 。、沟数1 8 条，1 次完成加工。图19 是对石英玻璃实行的直径4 m m 、深越1 2 0 r a m 的 深孔加工。 12 1 3 陶瓷的超声加工 工程陶瓷材料具有强度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能，可以作为新型工程 技术材料而用作重要的机械零部件口】。其广泛应用于各工业领域随着新技术的兴起和发 展，原料粒度不断细化，增韧补强措施屈出不穷，以及制备工艺的不断进步，工程陶瓷材 料的性能b 益完善和提高。这使其成为一种新型的机械工程材料而愈益引起重视。目前 工程陶瓷材料已用于电子、宇航、汽车、切削工具、冶金、化工等各部门n 并不断向新 的领域发展。据预测，陶瓷材料年销售额将以1 2 p 丑上的速度递增。陶瓷是由共价键、离 子键或两者混合的化学键结合的物质，呈现出与金属不同的性质，在常温下对剪切应力的 变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子或阴离子和阴离子之间的 化学键结台而成的，化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，使陶瓷显示出 很大的脆性i l q ，而成为难加工材料，特别是加工高精度、形状复杂的构件非常困难。导致 精加工的费用增大，严重阻碍了工程陶瓷材料的推广应用。这就对机械加工提出了新的挑 战。显然，陶瓷材料作为工程材料的大规模应用，在很大程度上取决于陶瓷零件加工技术 的发展】。 张磊硬脆材料异形面超声微精加j i 艺研究 目前，对工程陶瓷的加工研究多集中于平面和外圆加工技术的研究，而对成形j l 加工 的研究却很少p i ，且对工程陶瓷进行孔加工的方法，普遍存在着加工效率低、加工表面质 量差、难以保证形状及尺寸精度等问题。因此，对工程陶瓷成形孔加工技术的进步研究 具有卜分重要的意义。硬脆材料用超声加工是目前应用较普遍的方之一。由于加工工具 无需旋转，所咀能加工型腔和特殊轮廓的孔。当使用中空工具时，还可以实现陶瓷料的套 料加工。目前研究主要集中在如何提高加效率、加工质量以及加工自动化等方面。超声加 工加工陶瓷材料有如下缺点：( 1 ) m l i i 其的更换比较麻烦：( 2 ) 于加工中工具质量变化和力 的传导等因素使加工速度和加工质量受到影响；( 3 ) 女r i i 程陶瓷材料时，工具磨损严重， 加工效率也比较低。 图li o 瓷器扳的切出图11 i 可变电阻基板用瓷器的加工 圈1 1 2 瓷器舶异形切出凹1 1 3 甓板的切芽与孔加丁= 图ll o 【6 i 是从瓷板上用图示工具切出1 8 个板，板厚0 , 03 m m ，加工的尺寸精度 o o2 r a m ，1 8 个的加工时间为3 0 秒到1 分钟。图1 1 1 为加工的可变电阻基板，外径4 6 m m 、 内径3 2 r m n 。图l1 2 零件同时切出4 个8 m m 见方，边框宽05 m m 、厚o6 m m ，材质为陶 瓷。图1 1 3 是切出电器零件用的瓷板，同时开2 个孔。 l22 超声复合加工 将超声加工与其他加工工艺组合起束的加工模式，称为超声复合加工。超声复合加工， 强化了原加工过程，使加工的速度明显提高，加工质量也得到不同程度的改善，实现了低 耗高效的目标。加工包括传统加工和特种加工的、特种加工与特种加工的。目前，常用的 复合加工方法主要有以下几种类型。 12 , 2 1 超声复合电加工 超声复合电加工是以磨料机械能、火花放电产生的电能和热能、电解的化学能几种能 量形式的加工，通常所说的电加工技术主要包括电火花加工( 包括电火花成形加工、电火 扬州大学硕士论文 话线切割加工等) 和电化学加工( 包括电解加工、电镀、电铸等) 两大类。 超声加工和电解加工单一工艺的研究及应用已经有较长的时间l l 引，并已逐渐成为了比 较成熟的实用加工手段，在国内外军事工业和民用工业都得到了广泛的应用。它们的加工 机理分别具有独特的优点，但具体针对不同的加工对象、加工条件和加工要求，在某种程 度上也都存在着一定的缺点和限制。在国外，俄罗斯、德国等国家的科研人员开展了有关 超声加工和电解加工复合工艺方法的研究，取得一定的实用性进展，已具有一些工业应用 对象，俄罗斯并已经形成了超声电解复合加工机床的系列产品。 在电火花加工过程中辅之以超声振动就是新的加工工艺之一【1 6 1 ，可以是电极端面频繁 进入合适的放电间隙，提高火花击穿的概率；它有利于提高放电加工的材料蚀除率和有效 火花放电利用率，同时由于超声波的空化、泵吸作用，有利于加工区的工作液循环，改善 间隙放电条件，提高了加工过程的稳定性和加工精度。还可以提高表面质量和加工效率。 总之，超声引入的目的都是为了强化原加工过程，使得这些加工的速度明显提高，而加工 质量得到不同程度的改善，达到低耗高效。 1 2 2 2 超声振动切削材料加工 超声振动切削作为新兴的特种加工技术，引起了国内外专家学者的广泛兴趣和极大关 注。最早对振动切削进行比较系统的研究、可以称为振动切削理论与应用技术奠基人的是 日本学者隈部淳一郎。他在2 0 世纪5 0 - 6 0 年代发表了许多振动切削方面的论文，系统地 提出了振动切削理论旧，并成功地实现了振动车削、振动铣削、振动镗削、振动锯料、振 动刨削、振动磨削等。随后美国也对振动切削进行研究，到2 0 世纪7 0 年代中叶，振动车 削、振动钻孔、振动磨削、光整加工等均已达到实用阶段，超声加工在难加工材料和高精 度零件的n - r 方面显示了很大的优越性，取得了一系列研究成果，并在生产中得到推广应 用。 超声振动切削具有如下特点【1 8 1 【1 9 1 ：( 1 ) 减小切削阻力，作用于加工物的平均切削阻力 减为普通切削的1 5 1 1 0 。减少转速可以简化工作母机的主轴构造。在作业上，容易加工 细棒、薄肉管、易破缺的加工物，可切削无突起的断面、孔加工的弯曲少、缩短切削时间、 不均度少、加工进度高、( 2 ) 改善切削的送出。超声振动面得摩擦系数为普通面摩擦系数 的1 1 0 ，比起普通切削，因是薄切屑，单位长度的切屑重量小，简化钻头的深孔加工等。 ( 3 ) 形成几何学加工面粗糙度。超声振动的振动刃刀具、前圆刃刀具、圆刃刀具所得的 车削面、超声扭曲振动铣刀铣削面粗糙度因切屑刀具的形状与其切削机构，与几何学加工 面粗糙度很一致。( 4 ) 毛屑少。超声切削时，毛屑发生量少，尺寸精度的不均度少，可省 略超声毛屑除去工程，即使切削时间长些，也可减轻成本。( 5 ) 成为加工应变少的加工面 超声切削的价格应变少，成为方向性少而耐磨耗性、耐蚀行优秀。( 6 ) 切削油剂发挥充分 的润滑效果。超声切削时，工具前斜面与切屑之间有规则产生空隙，可对前斜面全面冲击 供给切削油剂。可达成切削油剂的润滑冷却目的。图1 1 4 为超声这种超声振动切削的加工 简图。 6 张磊硬脆材料异形面超声微精加工工艺研究 图1 1 4 超声振动切削实例简图 1 2 2 3 化学机械复合加工【1 4 】 化学机械加工是指化学加工和机械加工的，是一种超精密的精整加工方法，可以有效 地加工陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片，可防止通常机械加工用硬磨料引起的表面脆性裂 纹和凹痕，避免磨粒的耕犁引起的隆起以及滑引起的划痕，可获得光滑无缺陷的表面。化 学机械加工中常用机械一化学抛光， 化学一机械抛光两种方式。 1 2 2 4 磁场辅助研抛加工【1 4 】 磁场辅助研抛加工是利用磁场进行研抛加工的新方法，通过在磁场作用下形成的磁流 体，使悬浮其中的非磁性磨料在磁流体的流动和浮力作用下，压向旋转的工件进行研磨和 抛光，从而提高精整加工的质量和效率。它能高效、快速地对各种材料、尺寸和结构的零 件进行精加工，是一种投资少、效率高、用途广、质量好的研抛加工方法。 1 2 2 5 其它加工【1 4 】 以化学加工为主，辅以光学或液体动力学能量的加工方法，包括光刻加工、水合抛光 和非接触化学抛光，前者主要用于复杂的图形加工，后者主要用于加工蓝宝石和g a a s 晶 片，其加工粗糙度可达到纳米级。 1 3 微细加工技术概况 随着科学技术的快速发展，制造技术也在不断革新，2 0 世纪末以集成电路为代表、建 立在硅加工工艺基础上的微电子技术取得了巨大成功，它所引发的微小型化科技革命，正 是精密、微细发展方向的具体体现伫田。微电子技术的巨大成功在许多领域引发了微型化( 小 7 扬州大学硕士论文 型化) 革命，以加工微米纳米结构和系统为目的的微米纳米技术在此背景下应运而生【2 。 微机械在在不同国家名称也会有所不同，在美国被称为微电子机械系统( m e m s ) ，在日本 被称为微机器( m m ) ，在欧洲被称为微系统( m s ) 2 2 1 。微机械由于具有在狭小空间内作业而 又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广 泛的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，受到各国的高度重视，被誉为2 l 世纪 十大关键技术之首、2 1 世纪最具代表性的技术团j 。 微细加工技术是指制造微小尺寸零器件和薄膜图形的方法【2 引。在微小型化技术领域， 依据微机械的特征尺寸可将其划分为0 0 0 1 1 岬的纳米机械，0 0 0 1 l m m 的微型机械和 l l o o m m 的小型机械；相应地依据零件特征尺寸可分为纳米尺度( 0 1 l o o n m ) 、微米尺度 ( o 1 1 0 0 岬) 和介于宏微之间的中间尺度( o 1 l o o m m ) 2 孓2 引。从图1 1 5 所示各种技术的相对 精度示意图可以看出【2 9 】，微细加工主要用于制造具有较高相对精度的精密微小零件，而且 能够适应多种材料及复杂形状要求。 相对精度( t s ) 久 薹 i 起 零件特征尺寸( s r a m ) i 纳米技术2 微细加工3 超精密中间尺寸加工 4 传统的中间尺寸加工5 超精密机械加工6 传统的精密机械加工 图1 1 5 各种加工技术的相对精度 目前，微细加工技术被赋予更广泛的内容和更高的要求，加工尺寸已从微米量级、亚 微米量级发展到纳米量级。微细加工方法包括【3 0 j ：第一种是以日本为代表的利用传统机械 加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法；常规方法主要有： 微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、冲压等；第二种是以美国为代表的利用化学 腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基m e m s 器件；第三种是以德国为代 表的l i g a ( l i g a 是德文l i t h a g r a p i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 铸) 和a b f o r m u n 以塑铸) 三 个词的缩写) 技术四l 。它是利用x 射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的 方法。其中第二种方法与传统i c 工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，并适 合于批量生产，已经成为目前m e m s 的主流技术。由于利用l i g a 技术可以加工各种金属、 塑料和陶瓷等材料，可以得到高深宽比的精细结构，其加工深度可以达到几百微米，因此 l i g a 技术也是一种比较重要的m e m s 加工技术。利用l i g a 技术已经开发和制造出了微 8 张磊硬脆材料异形面超声微精加川艺研究 齿轮、微马谜、微加速度计、微射流计等。 从工艺角度看，基于平面硅工艺的m e m s 具有集成度高，便于火批量生产等优点。但 这种方法难以加工出三维自由度曲面形状，也难以处理各种性能优异的金属材料。l i g a 技术在三维结构制作上所取得的成就令人瞩目，但昂贵的设备投资也同样令人却步。将微 机电系统技术与微细特种加工技术并重，将两种或者两种以上的微细加工技术进行有效l f 勺 集成与融合，充分发挥各种工艺的优势，取得任何单一方法所达不到的技术优势，寻求高 效率、高精度、高质量、低成本的工艺方法，将是新世纪微细加工技术发展的的一个重要 方向j “， 微细特种加工方法具有设备简单同l i g a 、光刻等m e m s 技术相比，可实施性强和 真三维加工能力。同时处理材料非常广泛，不仅可以加工各种性能优良的金属、合金，证 可以加工硅等半导体材料、陶瓷等。而且超声加工方法的能量易于控制，可方便的实现去 除与生长可逆加工f 3 3 捌。微细特种加工技术，包括了各种传统精密加工方法以及几乎涉及 各种现代特种加工的各种加工方法，如微细电火花加工、微细电解加工、微细超声加工、 等离子体加工、激光加工等m 。3 6 】。 1 4 超声微细加工发展概况 超声微细加工与电火花加工、电解加工、激光加工等技术相比，既小依赖于材料的导 电性又没有热物理作用，与光刻加工相比又可加工高深宽比三维形状，这决定了超声加工 技术在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面有着得天独厚的优势即) ，尤其对于加工 微细孔、微细沟、槽、异型唾方面能很大的发挥很大的功能。 图11 6 是在用超声加工方法对电子仪器用的玻璃基扳上施行各种加工。图11 7 用直 径l m m 的工具2 0 9 个，对硬质玻璃化学仪器用眼盘的加工。图l2 0 是在o5 n m a 的硬质玻 璃开直径0 4 n m a 的孔。图1 1 8 在碳平板开2 1 7 6 个正方形孔，材料厚度l0 2 m m ，孔的一 边长o 7 9 m m ，一次加工，加工时间不到1 0 分钟。图11 9 在钼加工2 0 2 5 个孔用于形成 离子光学系静电场的网栅，圆扳素材直径3 8l m m ，厚度o2 5 m m ，孔为四角形，一边长 o8 l m m 网厚3 8 5 l p m 。图12 1 是钼扩散工摸的沟加工，沟数15 条，宽03 r a m 、长l l m m 、 深15 m m ，一次加工5 条沟。 厩 幽】1 6 电子仪器用玻璃基板f i 勺超声加i刚11 7 理化学仪器用眼盘的加j 一 扬州大学硕士论文 _ 图l2 0 硬质玻璃的微细加工 图l2 】是钳扩散工模的淘加工 t 9 9 6 年，增泽隆久p 目等人在超声加工机床上，利用w e d g 删在线加工出微细工具，在 硅和玻璃上加工出了直径1 5 岬的微孔，深度为3 2 岬，由于工具折断而被迫中止。同年， 他们加工出了真径。o 陋l 、深度5 0 妒1 的圆孔和边长2 研肺、深度3 0 “m 的方孔以及边长 5 0 岬、深度3 0 l m 的三角孔。1 9 9 8 年又成功地加工出了直径5 “m ，深度1 0 岬的微孔， 这是目前微细孔超声加工的较高水平。在进给过程中保持工具与工件之间的静压力恒定 在常规超声加工中可以利用配重来实现。但是当工具很细时，许用压力也根小，这时需 要配重装置或压力检测装置的灵敏度很高，要求分辨率为几1 1 i n 至不到i 州，一般情况 下很难达到a 这时可采用恒速度进给，就是不管压力的大小，以一定的速度进给。2 0 0 2 年， 台湾的王阿城m 】博士等用这种进给方式在水平布局的微细超声加工系统上进行了微细孔 加工实验，在矽硅酸硼玻璃上加工出了直径i 8 0 u m 的微细孔如图l2 2 凰 酗l2 2 超卢微缅加：的微缅扎 美国内布拉斯加林肯大学的余祖元与r a j u r k a r 等借鉴成功应用于微细三维结 构微细电火花加工的损耗原理，对连续发生的工具损耗有效补偿进行了研究，并使用简单 工具利用分层扫描方式在白行研制的超声微细加工系统上加工出了高精度的微细三维结 构。哈尔滨工业大学贾宝贤博士等人在自行研制的微细特种加工平台上利用工件加振的方 式进行了超声微细加工的实验。从理论上推导出微细工具压杆稳定的条件，在石英玻璃上 加工出微细孔，实验中还发现由于超声振动的空化作用，即使加工介质中不加入磨料，仅 用水作介质进行加工也可以去除工件材料 张磊硬脆材料异形面超卢微精加r = t 艺研究 2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的研究人员也采用这种进给方式在硅片上加工出了直径 1 3 p x n 的微孔f 4 3 】。2 0 0 4 年，日本京都工业大学的江头快博士【删利用如下工艺路线进行了多 孔微细超声加工实验：即用w e d g 制备微细一用微细电火花加工微细孔阵列一用微细孔阵 列电火花反拷制备微细工具轴阵列一用微细工具轴阵列超声加工微细孔阵列。虽然经过反 复拷贝，孔的形状误差被放大，但为用微细超