（机械电子工程专业论文）精密光电器件超声复合研磨技术与装备研究.pdf

中南大学硕十学位论文 摘要 随着光通信技术的发展，光纤连接器得到了广泛的应用。但由于回波损耗偏 低、插入损耗偏高和表面变质层等原因，光纤连接器端面的超精密加工仍有待进 一步解决。近年来，难加工材料的精密加工中，超声波加工技术、电加工技术、 和各种复合加工新技术得到了巨大的发展，它们普通加工无法比拟的工艺效果。 但是，在研磨这一领域里，目前大多为游离磨粒的研磨，很少涉及固着磨粒的超 声复合研磨。基于超声复合研磨的一系列优越性，本文将超声振动引入光纤连接 器端面研磨的界面，探讨了光纤连接器端面超声复合研磨的方法。同时，对超声 复合研磨工艺所需要的工艺装备进行了设计。为相关试验提供了硬件平台。 本文先介绍了光纤连接器的发展现状以及加工中存在的一些关键问题。然后 从理论上分析陶瓷脆性材料精密研磨的加工机理，在此基础上对超声复合研磨作 了运动分折以及材料去除机理分析；对于普遍关心的问题，如加工效率作了深入 的探讨。在随后的章节中设计了超声复合研磨的关键设备，包括超声波发生器， 换能器、变幅杆。在本文的最后进行了大量的试验，探明了声学参数和机械力学 参数对加工效率和加工质量的影响规律，找到了优化的工艺参数，从而找到了光 纤连接器端面的超声复合精密研磨的有效办法。分析了超声复合研磨能提高加工 精度、提高表面质量和改善表面变质层的原因。因此，相关试验结论和规律对于 进行光纤连接器端面的超声复合研磨的研究有一定的价值。 关键词：超声复合研磨，光纤连接器。超精密加工，研磨 中南大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，f i b e ro p t i c c o n n e c t o ri s w i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h ec o n n e c t o rh a s $ o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hi n s e r t i o nl o s sa n dl o wr e t u r nl o s s h e n c et h e r e s e a r c ho f u l t r ap r e c i s i o nm a c h i n i n gi sn e c e s s a r yn e e d e d i nr e c e n ty e a r s ， u l t r a s o n i c ，a san e wm e a n s ，h a sb e e na p p l i e di nt h ef i e l do fi n d u s t r y m a n u f a c t u r e ，p r e c i s i o nm a c h i n i n ga n dt h ep r o c e s so fs o m ek i n do f m a t e r i a lw i t hh i g hr i g i d i t ya n dd i f f i c u l tt om a c h i n e p r o c e s sw i t h u l t r a s o n i ch a s s u p e r i o r i t y o v e rt h ec o m m o n p r o c e s s a n daw i d c a p p l i c a t i o n n o w d a y s ，t h ep l a n eg r i n d i n gw i t hu l t r a s o n i ci ss t i l ll i m i t e di n t h el e v e lo fd i s s o c i a t e dg r i n d i n gm e d i u m l i t t l ea t t e n t i o nh a sp a i dt o u l t r a s o n i c c o m b i n i n gp o l i s h i n g t h ep r e s e n tp a p e rb a s e d o nt h e c o m p o u n d 酬吨w i t h u l t r a s o n i co fo p t i c a lf i b e rc o n n e c t o r i tw a n t st o r e s o l v et h ep r o b l e mo fg r i n d i n go fo p t i c a lf i b e rc o n n e c t o r t h er e l a t e d i n s m a n e n t sa r ed e s i g n e d t h e p a p e rs t a r t sw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eo p t i c a lf i b e rc o n n e c t o r a n ds o m ek e yp r o b l e m sw a n tt ob er e s o l v e d t h e nm a k ea na n a l y s i so f m e c h a n i s mo f # n d i n ga n d 目曲d i i l go fb r i t t l e n e s sm a t e r i a l t h ea u t h o r a p p l i e du l t r a s o n i ct ot h ea n a l y s i so f t h ee f f e c to f t h eu l t r a s o n i cm a c h i n i n g t h ee m p h a s i ss u c ha sm a c h i n i n g e f f i c i e n c yw a sd i s c u s s e d t h ev i b r a t i o n s y s t e mi n c l u d i n gu l t r a s o n i cg e n e r a t o r , t r a n s d u c e r , h o ma n dt h ew h o l e s t r u c t u r eo fe q u i p m e n tw e r ed e s i g n e di nf o l l o w i n gc h a p t e r i nt h el a s t c h a p t e r , w i t ht h eh e l po fag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t so fu l t r a s o n i c g r m d 吨o ft h eo p t i c a l f i b e rc o n n e c t o r , t h er e l a t e dm e c h a n i s ma n d r e l a t i o n s h i p i ：) e 啊f i r e e na c o u s t i c m e c h a n i c a l p a r a m e t e r sa n dm a c h i n i n g e f f i c i e n c y & q u a l i t ya r ec o n f l r m e d p r o c e s so p t i m i z e di sg a i n e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cg r m d 堍，g r i n d i n g , o p t i c a lf i b e rc o n n e c t o r , u l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g 中南大学硕七学位论文 第章综述 1 1 光纤连接器 第一章综述 1 1 1 光纤连接器的基本结构 光纤连接器是光纤传输系统的一种重要的光无源器件，国际电信联盟( i t u ) 将光纤连接器定义为“用以稳定地、但不是永久地连接两根或多根光纤的无源组 件”i l l 。作为现代光通讯系统的基本组成之一，光纤连接器在光纤技术的应用中 发挥着很大的作用。光纤连接器目前有很多种型号，使用最普遍的是物理接触型 ( p c ) 光纤连接器【2 l 。其结构如图1 1 所示。二氧化硅玻璃材料的光纤纤芯穿过插 针体的内孔，并通过连接器体对接在一起。插针体( 套筒) 的材料多为氧化锆陶 瓷( p s z ) 。插针体的端面曲率半径约为2 0 m m 的球面。端面的粗糙度很小，能 够保证光纤准确对接。纤芯和插针体的力学特性参数如表l - l 。 表1 - 1 纤芯和插针体的力学特性参数 光纤包覆层 连接器体插针体连接器端面耦合面 耦台套 ( a ) ( b ) 圈1 - 1 连接嚣( a ) 与耦合接头( b ) 对接示意图 1 1 2 光纤连接器的分类及端面形状 光纤连接器从结构上分为单芯光纤连接器和带状多芯光纤连接器，目前使用 中南大学硕士学位论文 第一章综述 最多的是单芯光纤连接器，它又有单模光纤用和多模光纤用之分。依据光纤活动 接头的结构和形状，常见的单芯光纤连接器可分为f c ，s c ，s t 等几种。图1 2 ， 图1 3 为几种不同连接器的图片。 f c 型为圆形的螺纹式结构，接头插入法兰盘后，插头中的卡锁落入法兰盘的 槽中，再用螺纹拧紧，接触的光纤端面不产生位移。光纤端面经研磨、抛光处理， 靠套简的高精度内圆与插针体的高精度外圆紧密配合进行轴心对准。f c 型插针 的外径为2 5 m m ，可使用金属、塑料、玻璃等材料，但目前应用最多的是氧化锆 陶瓷( p a r t i a l l ys t a b i l i z ez i r c o n i a ) 材料。 s t 型为圆形卡口式结构，接头插入法兰盘压紧后，旋转一个角度便可使插头 固定牢固，并对光纤端面施加一定的压紧力。 图卜2f c 、s t 型光纤连接器 s c 型是在f c 、s t 型基础上得以改进发展的一种插拔式光纤连接器。具有体 积小、质量轻、可批量生产和高密度安装的特点。由于s c 型是矩形，所以很容 易对准。多根光纤的终端多选用s c 型，以利于高密度安装。如图1 3 。 图1 - 3s c 型光纤连接器 光纤连接器的端面形状可分为p c 型、s p c 型、a p c 型和u p c 型 3 4 1 。如图 卜4 ，p c ( p h y s i c a lc o n n e c t ) 型连接器的端面研磨抛光成微凸球面、球面半径为 1 0 - 2 5 m m ：s p c ( s p h e r i c a lp h y s i c a lc o n n e c t ) 型研磨成凸球面、球面半径为2 0 m m ； a p c ( a n g l e d p h y s i c a lc o n n e c t ) 型一方面在端面形成8 0 倾角，另一方面还要在端 2 中南大学硕士学位论文第一章综述 面形成一定曲率皿= 2 0 5 0 m m ) 的球面；u p c ( u l t r a - p h y s i c a lc o n n e c t ) 型为超平 面连接。 1 1 3 国内外光纤连接器的现状 目前，国内外光纤连接器用得最多、工艺最为成熟的是f c 型( 螺口式) 、s c 型( 插口式) 和s t 型( 插入旋转式) 系列产品，插针外径均为2 5 m m l s l 。随着信息产 业的飞速发展，要求传输设备中的光纤连接器在插入损耗、回波损耗、耐机械环 境以及小型密集等方面都上新台阶。为此，日本和美国相继开发出外径为1 2 5 m m 的l c 型、m u 型光纤连接器；瑞士钻石公司也开发出类似于l c 型的f - 3 0 0 0 型新 一代高密度的光纤连接器：日本n t t 公司和日本大型电线厂开发出m t 型连接 器系列。8 芯乃至1 2 芯的一次性连接的m p x 型光纤连接器，正被欧美各大光通 信整机厂商当作背板连接器来评价或采用。 图1 - 4 先纤连接器的端面形状 a ) p c 型：b ) $ p c 型：( c ) a p c 型；( d ) u p c 型 作为光无源器件中用量最多的低端产品，我国出现了为数众多的光纤连接器 生产单位。目前，基本上都是引进国外设备和陶瓷插针、套筒等核心零件，组装 成插针直径为2 5 m m 的f c 型、s c 型和s t 型的p c ，u p c 及a p c 端面的系列 光纤连接器产品。随着光纤接入网的发展，国内也已研发并生产出新一代的光纤 连接器，如扇型光纤带连接器和插针直径为1 2 5 m m 的l c 型、m u 型等光纤连 接器。国内生产光纤连接器所用外围散件的质量己可与国外同类零件媲美，唯一 受制于人的是陶瓷插针和陶瓷套筒等核心零件。虽然我国在广东、天津、上海和 江苏有几家生产陶瓷插针和套简的厂家，但其设备是国外引进的，毛坯也是国外 ( 特别是日本) 的，只是进行外圆研磨深加工而已。中国电子科技集团公司第二十 三研究所与浙江中爱实业有限公司合作，进行了大芯径镍基合金插针的研制，并 获得了成功。 在插针生产的早期，不锈钢等金属曾作为试用材料，但其耐蚀性差，在反复 插拔过程中的抗磨损性差，因此很快被证明金属材料不适合作为光纤连接器插针 材料而转向其他材料的研究，由于陶瓷材料具有抗腐蚀、硬度高、耐磨损等优点， 3 中南大学硕士学位论文第一章综述 使其作为连接器插针材料的研究和开发获得了飞速进展，但其所用最佳陶瓷材料 的研究仍在不断的探索中。在插针的开发过程中先后研究了氧化铝、玻璃、氮化 硅、碳化硅、部分稳定氧化锆等材料，而真正实用的是氧化铝和部分稳定氧化锆 陶瓷插针| 6 - 0 1 。 光纤连接器的发展大致可分三个阶段。8 0 年代，为了探讨制造光纤连接器的 工艺方法，各种结构应运而生，多达2 0 余种。9 0 年代，经过批量生产和使用， 各种结构和工艺的优缺点逐渐分明，形成了以直径2 5 m m 陶瓷插针为关键元件 的f c 、s t 和s c 三种类型连接器占主导地位的局面。随着光纤连接器制备技术 的进步、全球光传输信息化的发展，光纤连接器的发展不仅要求插入损耗低、回 波损耗大，而且要求安装方便、操作简单，不需要特殊的安装技术指导，并向着 小型化、高安装密度的方向发展。但光纤连接器的发展无外乎从结构和材料两个 方面进行提高和改进。，为适应光纤接入网光纤到家庭的需要，光纤连接器进入 第三阶段。新一代连接器体积更小、价格更低。美国和日本的有关厂商在数年 前已经开始研究新一代的光纤连接器，目前已有十余种产品面世。现在兴起的新 一代小型封装( s f f ：s m a l l f o r m - f a c t o r ) 连接器，使在较小的空间内安装更多的光 纤连接器成为可能。在结构上大体分为朗讯科技的l c 型、3 m 的v f 2 4 5 型、 p a n d u i t 的o p t i - j a c k 型以及由a m p 、西康、h e w l e t t - p a c k a r d 、u sc o n e c 和f u j i k u 2 r a 共同开发的m t i u 型连接器等。利用外径d - 1 2 5 m m 的插针，n t t 最近已开发 出一系列m u ( m i n i a t u r eu n i t ) 型连接器，其中有用于光缆连接的插座型连接器 ( m u 2 a 系列) 、具有自保持机构的底板连接器( m u 2 b 系列) 以及用于连接l d p d 模块与插头的简易插座( m u 2 s r 系列) 等【m l i 】。 1 1 4 研磨中的主要问题及性能指标 在球面光纤连接器中，由于球面接触使纤芯之间的间隙接近于0 ，端面间隙 和多次反射所引起的插入损耗将得以消除，从而使后向反射光大为减小。将装有 光纤插针体的端面加工成球面，球面曲率半径一般为1 0 - - 2 5 r a m ，其回波损耗可 以达到5 0 d b 以上。但是球面光纤连接器的加工相当困难，需要使用超精密研磨 和抛光才能加工出镜面光学表面【1 2 】。 在光纤连接器的超精密加工中，经常使用c e 0 2 、a 1 2 0 3 和金刚石研磨砂纸， 使用这3 种研磨砂纸加工的光纤连接器，表面粗糙度都能够达到o 0 1 p r o 。以 下，加工表面不会残留划痕和划伤，能够得到良好的镜面。使用c e 0 2 研磨砂纸 加工的光纤连接器，回波损耗平均为4 1 4 d b ，使用a 1 2 0 3 研磨砂纸加工的光纤连 接器，回波损耗平均为3 4 i d b ，使用金刚石研磨砂纸加工的光纤连接器，回波 损耗平均为3 6 3 d b 。产生这一差别的原因足，同c e 0 2 比较，使用a 1 2 0 3 和金刚 4 中南大学硕士学伊论文 第一章综述 石研磨砂纸超精加工时，加工面的损伤大，产生加工变质层。因而，要求高回波 损耗时，使用c 0 2 研磨砂纸超精密加工是合适的，如果要求提高加工效率，则 推荐使用高硬度的a 1 2 0 3 和金刚石研磨带。 在使用c e 0 2 研磨砂纸时，比较加工过程中加入水分的场合( 湿式) 和不加 入水分的场合( 干式) ，研究水分对加工后的光纤连接器光学特性的影响，干式 超精密加工的光纤连接器平均回波损耗为4 1 1 d b ，湿式超精加工的光纤连接器， 平均回波损耗5 0 2 d b ，实验表明在光纤连接器的加工过程中，应该加入适当的 水分。在湿式的场合，其加工机理是依靠化学反应来去除的，一般认为会发生水 解反应，在常温常压时，其反应难以进行，但在微细磨粒的尖端上，由于极高的 压力，能够促进其反应【i ”4 1 。 上世纪8 0 年代，k a r a k i - d o y 和k a n d a 等开始了光纤连接器端面的精密加工 的研究 1 5 - 1 “，分别设计出最初的研磨设备和相应研磨工艺。在h h u a n g 及l i n g - y m 等的研究中【l 叼，由于采用了较新的工艺设备和方法，加工效果有了进一步 的改善。近年来，光纤加连接器端面的加工主要是采用压力复映原理或运动复映 原理的精密研磨( 磨削) 装置进行机械加工，研磨的介质主要为金刚石、碳化硅， 氧化铝等颗粒，然后再用更细颗粒进行抛光，这些加工方法虽然在光纤连接器生 产中得到了广泛应用，但也存在一些不足，主要有以下几个方面。一是表面质量 和几何槠度无法进一步提高，光传输性能受到制约，插入损耗一般为0 2 o 3 d b ， 回波损耗一般为- 4 5d b 左右。二是加工效率也不够较理想，三是在加工后产生的 变质层使连接器的光学性能恶化。四是研磨时，由于材料对加工的响应不同而导 致的光纤在端面凸出或凹陷问题。 篓裟偏移的情况m 嚣篡翁= 慨 顶点偏移为9 8 t i n “一一 圈1 - 5 项点偏移 通信领域需要更高的连接器性能。研磨过的光纤连接器。必须经过严格质量 检测以便确保通信线路达到最大光传输和最小于扰。光纤连接器的检测项目和性 5 中南大学硕七学位论文第一章综述 能指标见表l - 2 。以下为光纤连接器的各种研磨的性能指标的说明【1 3 , 1 嘲。 顶点偏移的定义只适用于球形端面的光纤，顶点的定义是沿光纤轴线方向球 形端面的最高点。顶点偏移量是指，从光纤纤芯中心到顶点的距离。具体的示意 图如图卜5 所示，较大的顶点偏移会导致较低的回波损耗和较大插入损耗。 表i - 2 光纤连接器的检测项目及评价指标 检测项目检测条件评价指标 纤芯凹陷 5 0 h m 纤芯r a 士5 0 h m 主要 插针体r a 5 0 h m 性能 曲率半径r 1 5 2 5 r a m 指标 插入损耗x = 1 3 p m l d l i 0 4 d b 回波损耗 = 1 3u m ldl r 4 0 d b 弯曲9 0 。2 5 2 4 5 n ，加载5s 后测鼍 扭曲4 - 9 0 0 。，1 3 2 n 。循环1 0 次 机械 拉伸6 9 n ，加载5s 后测量 l i 0 5 d b 性能 震动1 0 5 5 hz ，振幅1 s m m 2 h l r 4 0 d b 检测 冲击1 0 0 n ，6 ms 循环1 0 次，3 个方向 耐久性1 0 0 0 次插拔，每插拔l o 次测量一次 环境热循环- 4 0 。8 0 。，8 h ，周期，1 0 0 个周期 l i o 5 d b 性能高温8 5 。2 。，9 6 0 h l r 4 0 d b 检测 低温 - 2 5 。4 - 2 。，9 6 0 h 当光纤纤芯凹陷进连接器顶端的时候称之为纤心凹陷，当光纤纤芯凸出到连 接顶端以外称之为纤芯凸起。测量纤芯凸凹度的方法一般是通过对端面进行测 量，从干涉条纹中计算出纤芯凸凹度。纤芯凸凹度一般不大于5 0 n m 。如图1 7 所示。 对于p c 型、s p c 型或者a p c 型连接器由于光纤端面要求加工出一定的球面度， 这个曲率半径就是指此球面的曲率半径。其大小一般要求在1 5 2 5 m m 之间( p c 型) 。相应的示意图见图l - 6 。 6 中南大学硕+ 学位论文 第一章综述 套筒 1 2 超声加工 无复大。 1 h i r l 2 5 n 曲率半径 曲率半径 躅 图卜6 光纤端面曲率半径 纤芯凸起 、 纤芯 纤芯凹陷 田1 - 7 纤芯凸起凹陷的情况 1 2 1 超声加工及其优点 超声加工，是指给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的方 法。在超声加工过程中，高频的电信号通过换能器及变幅杆转换成高频的机械振 动，通常为沿着变幅杆的轴向的纵振，带动相应的工具振动 超声加工设备的功率和结构有所不同，但其基本组成相同。一般包括超声发 生器。超声振动系统、磨料悬浮液循环系统和机床。超声加工系统由超声波发生 器、换能器、变幅杆、振动传递系统、工具、工艺装置等构成。超声波发生器的 作用是将2 2 0 v 或3 8 0 v 的交流电源转换成超声频电振荡信号。能够实现频率的 自动跟踪，电流或电压的控制或是功率随负载的自动调节；超声波换能器是将电 振荡信号转换成机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动振幅进行放大。 超声加工是一种非传统的材料去除工艺。因为这种加工方法基本不受工件的 电特性或化学特性的影响，十分适合低塑性或者硬度值高于4 0 h r c 的材料，例如， 无机玻璃、氮化硅、镍钛合金等。也同样适合微小孔的加工。 超声复合研磨时，由于其与众不同的材料去除机理，各种不同的材料在一定 7 中南大学硕士学位论文 第一章综述 条件下能够获得较为接近的材料去除率。从而避免了在传统研磨等加工中，由于 不同材料的去除率差差别较大，导致多组元材料在加工时出现凹陷或者凸出的现 象，能够获得较为一致的表面或形貌。 超声研磨时由于大幅度降低了研磨的切削力、研磨的温度，使得被加工表面 的表面粗糙度值大幅度降低，加工精度大幅度提高。在超声研磨的过程中，磨粒 相对被加工表面在振动，但在磨粒刃与加工表面接触的各个瞬间，磨粒刃所处的 位置遵从不灵敏性振动切削机理。按照这个机理，不仅加工表面变形量减少( 仅 为普通研磨的l 3 1 l o ) ，而且完全不随时间变化，从而使精密加工成为可能。 在普通研磨中，冷却液总是压在接触面上，形成一个高温高压区，对于加工 来说，这样很不利。而在超声研磨中，这个高温高压区被打破了。超声研磨时， 对于局部研磨过程是断续发生的，当切削刃与被加工面分离时，冷却液从周围流 过来进行补充，包围切削刃，进行充分的冷却和润滑。在切削刃切入时，冷却液 被强力挤压，形成瞬时高压，使冷却液渗透到整个接触面，充分地起到冷却和润 滑作用。超声研磨时，由于超声振动的影响所形成的空化作用，一方面可使冷却 液均匀乳化，形成均匀一致的乳化液微粒；另一方面，冷却液更容易渗透到接触 面中，进一步提高了冷却液的使用效果。 1 2 2 国内外超声加工技术的发展状况 高于2 0 0 0 0 h z 的声波称为超声波。直到本世纪生产和科学有了相当发展， 对超声波的研究和应用有了可能和需要之后，超声学才发展起来。超声波具有许 多独特的性质和优点，所以超声学的发展很迅速，应用领域十分广泛，并有广阔 的应用前景。 1 9 2 7 年，& ww o o d 和九l l o o m i s 发表了第一篇有关超声加工的论文。 在1 9 4 5 年，l b a l a m u t h 申请了世界上第一个超声加工的专利。最早研究超声加 工技术的国家是日本。日本研究超声加工的主要代表人物是岛川正惠教授和隈部 淳教授。除了把超声加工用在普通设备上，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。超声加工在日本已获得 几百项专利，在生产中发挥了一定的作用。 原苏联的超声加工研究也比较早。在超声车削、钻孔、磨削、光整加工、复 合加工等方面均有生产应用，并取得了良好的经济效果。为了推动超声加工的应 用，1 9 7 3 年原苏联召开了一次全国性的讨论会，充分肯定了超声加工的经济效 果和实用价值，对这项新技术在全国的推广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。7 0 年代中期，美国在超声钻 孔、光整加工、磨削、拉管和焊接等方面，已处于生产应用阶段：超声车削、钻 3 中南大学硕士学位论文 第一章综述 孔、镗孔已处于实验生产设备原型阶段：通用超声振动切削系统己供工业应用。 在这个时候就已形成部分标准。德国和英国也对超声加工的机理和工业应用进行 了大量的研究工作，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 年代末以研究超声加工、清洗、焊接、粉碎 和乳化等应用为先导，进而研究磁致伸缩换能器，压电换能器和簧片哨。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。1 9 7 6 年以后，我国再次开展超声加工的实验研究和理论探讨 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 备的实验研究。7 0 - 8 0 年代发展并提出两种新型的功率超声换能器。一种是半穿 孔结构宽频带压电换能器，理论上予以阐明工作原理，并广泛应用于超声清洗设 备渊l 另一种是双向辐射换能器，用于超声乳化设备 2 9 1 ；提出换能器的声匹配问 题p o l ，为改进功率超声换能器设计指出方向。1 9 8 2 年，上海钢管厂、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 研究所研制成 功超声旋转加工机，1 9 9 1 年研制成功变截面细长杆超声车削装置，从根本上解 决了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。在同一时期，研制出有特色的超声珩磨 设备【3 “ 在硬脆陶瓷材料的微细超声加工方面，目前的研究主要是针对微细孔和微三 维结构的加- r j 亡1 3 2 。1 9 9 6 年，日本东京大学生产技术研究所增泽隆久教授等人在 超声加工机床上，利用w e d g 在线加工出微细工具，并成功地利用超声加工技术在 石英玻璃上加工出了直径为q 1 5 p m 的微孔，1 9 9 8 年又成功地加工出了直径为 0 5 t t m 的微孔，如图i - 8 所示。由于超声加工中的工具及加工原理相对简单，因此 配以适当的数控系统，借鉴数控铣削的方法，国外许多学者正在开展三维轮廓微 细旋转超声加工的研究。由于半导体硬脆材料( 如s i 等) 在m e m s 中的成功应用， 加之超声加工对此类材料的适应性，微细超声加工技术有望成为m e m s 技术的有 力补充。超声加工本身的效率较低，因此其单独用于加工的场合并不多，但是超声 振动带来的一系列力学效应却是不容忽视的。利用超声振动所带来的均化和空化 作用以及加速度大的特点，超声电火花复合加工、超声电解加工、超声切削、超 声研蘑等复合加工技术受到了广泛的关注。 2 3 超声加工在研磨领域的应用 近年来，随着超声波加工技术的发展，超声振动加工也开始应用于平面的研 磨领域，但研磨的介质主要为游离的磨粒，具体情况见图i - 9 。主要工作原理为： 9 中南大学硕七学位论文 第一章综述 超声振动工具头的端面和工件表面保持固定的间隙，并在其间充以微细磨料工作 液，当超声振动工具以一定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对 工件表面进行研磨。用这种游离磨粒进行振动研磨，当工作台作平面运动或曲面 运动，即可对整个工件表面进行加工超声研磨时，大量的磨粒以与超声振动相 同的频率、脉动式的冲击被加工表面，除去或改造工件表面原有的损伤层，并在 其下面构成新的损伤层。如果工艺参数( 如超声发生器的功率，磨粒的硬度、粒 度，磨液浓度，间隙等) 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。 超声研磨脆性材料和塑性材料的机理是有所不同的，脆性材料的加工主要是依赖 于表面层微裂纹扩展、生成，而使材料脆裂、脱落。超声研磨时，在大量磨粒脉 冲式冲击下，更有利于实现上述加工过程。磨粒的冲击具有随机性，但对微观表 面上凸起处冲击到的机率应高于凹下处，而且磨粒量大、粒小对表面的加工是 均匀而柔和的。因而可以获得残余应力低、裂纹更微细更浅的高质量的加工表面。 塑性材料的加工则主要依赖于表面层的塑性变形，即通过材料的挤压和撕裂将金 属从表面扯下来，其残余应力为拉应力。超声研磨时，磨粒对工件表面的作用， 类似于轻微的表面强化加工。它可以消除工件表面先前工序的加工痕迹，将表面 残余应力由拉应力转变为压应力，这对大多数零件的使用性能是有利的哪l 。 图卜8 在石英玻璃上超声加工的微孔图1 - 9 超声振动研磨 经前人的研究，目前公认的去除机理主要包括以下几个方面。一是超声空化 作用；二是磨粒和切削冲击表面形成的机械磨削；三是自由磨粒的微切削作用； 四是与超声空化相关的化学反应。 超声研磨的聚晶金刚石拉丝模超声研磨抛光技术在国内外已获得广泛应用， 新的超声研磨抛光方法和设备已出现。北京市电加工研究所提出的超硬工具材料 电火花超声波复合抛光方法，其特点足：采用超声频信号调制高频电火花脉冲电 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章综述 源与超声加工复合进行聚晶金刚石拉丝模研磨抛光。该技术已获得国家专利，并 在生产中获得应用。浙江大学进行了超声波电化学复合研磨硬质合金拉丝模的 实验研究。巴西的研究人员对石英晶体的超声研磨技术进行了研究，发现石英晶 体的材料去除率取决于晶体的晶向，研磨晶粒的尺寸影响材料去除率和表面粗糙 度。研究指出，加工过程中材料产生微裂纹是材料去除的主要原因。北京航空航 天大学和哈尔滨工业大学将超声振动引入普通聚晶金刚石( p c d ) 的研磨加工，显 著地提高了研磨效率，并在分析p c d 材料的微观结构和去除机理的基础上，对 p c d 超声振动研磨机理进行了深入研究。研究指出，研磨轨迹的增长和超声振 动脉冲力的作用是提高研磨效率的根本原因。 台湾的h h o c h e n g 等人对模具钢的超声抛光进行了基础性研究，研制了一套 高效的超声抛光系统，应用该系统对模具钢进行了抛光试验，研究结果表明此系 统大大提高了模具钢的抛光质量。日本研制的u m a 2 l 型数控超声研磨机，其研 磨时间在1 - 9 9 9 s 范围内可任意设定；频率自动跟踪；研磨钢针夹持可靠，发热 少，钢针磨耗能自动修整；钢针以固定速度进给，具有研磨时间短、精度高的优 点。吉林大学对机器人超声电火花复合加工模具曲面进行了研究，结果证明该 方法可改善加工质量，模具曲面精加工效率提高4 倍以上。哈尔滨工业大学针对 目l i 模具光整加工难以实现高精度、高效率加工的实际问题，将电解加工、机械 研磨及超声加工相复合，提出了一种新型的光整加工方法：电化学超精密研磨技 术，开发研制了一种数控展成超精密光整加工的新工艺及设备。通过对模具型腔 高效镜面加工的实验，表明选配适当工艺参数进行光整加工，可以获得表面粗糙 度r a 0 0 2 5 p m 的镜面，效率较普通研磨提高l o 倍以上，较电解研磨提高l 倍以 上。北京市电加工研究所于1 9 8 5 年起就开始对聚晶金刚石等超硬材料的研磨、 抛光进行研究【l 】。于1 9 8 7 年研究成功了超硬材料超声电火花复合抛光技术。这 项发明技术是世界上首次提出并实现采用超声频调制电火花与超声波复合的研 磨、抛光加工技术。与纯超声波研磨、抛光相比，效率提高5 倍以上，并节约了 大量的金刚石磨料。 。 在工程陶瓷和难加工复合材料超声加工方面，日本东京大学中川威雄和日本 u n n o 海野邦昭分别进行了复合材料振动抛光和工程陶瓷超声磨削的研究。在 国内，清华大学王先逵等进行了4 5 号钢制件的超声砂带研抛的实验研究。超声 研抛技术的应用及自动化被广泛研究，中国科学院武汉物理与数学研究所的董世 玮等研制了人工牙功率超声抛光仪，并试验证明在抛光人工牙时频率在4 0 k h z 、 位移幅度一般在5 - 6 0 p n l ，超声抛光比砂轮机械抛光要快得多，工效提高几十倍， 用竹质作抛光头，配有金刚石软膏，牙齿的光洁度可达1 0 级以上。吉林大学詹 建明、赵继等研究了一种面向自由曲面精加工的机器人超声弹性研抛系统，并在 中南大学硕七学位论文 第一章综述 实验中得到了卸8 “m 的二维曲面，证实了超声弹性斜角研磨加工技术的先进 性和机器人超声弹性研磨系统的技术合理性。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目：“光纤器件亚微米制造理论及关 键技术”中的“光纤连接器端面的超声波复合研磨”子课题。 1 3 2 研究内容 研究的内容主要包括以下几方面： 1 了解光纤连接器的发展现状，明确光纤连接器的关键工艺参数，以及各 项工艺参数对光纤连接器的影响；了解现阶段光纤连接器端面加工存在 的难题，明确光纤连接器端面研磨的目的；了解超声振动研磨的发展现 状及相关超声设备的发展；了解超声在平面研磨这一领域里的应用情况， 为光纤连接器端面的超声复合研磨找到合适的方法。 2 分析硬脆材料研磨的材料去除机理，找出材料脆性去除向塑性去除的转 化条件，进一步认识脆性材料的去除方式。在此基础上分析引入超声振 动后，超声振动研磨出现的新的特点。对在超声振动研磨下材料的去除 机理进行全面地分析，找到合适的超声振动研磨的工艺参数，为超声波 复合研磨的实验打下理论基础。完成超声复合超精加工机理的研究。材 料在磨粒、流体冲击和空化气泡微爆作用下表面材料解离的行为和条件， 查明超声波对材料的性能与力学参数的影响和机理，探索在复合外场和 多因素协同作用下材料的解理去除和表面成形机理。 3 设计超声波振动研磨实验装置。根据加工工艺要求设计超声波研磨装置 的总体结构；设计合适的超声波发生器、换能器以及变幅杆，以满足超 声复合研磨所需要的振动功率和振幅，满足研磨的阻抗匹配，设计专用 的夹具，为相关的实验提供可用的实验设备。 4 通过不同的实验，了解在不同的研磨的工艺参数下的研磨效果，总结出 超声复合研磨的特点和光纤连接器超声复合研磨的合适的加工工艺参 数。研究超声复合协调机制及界面超声能流密度、磨料粒度形状、研磨 速度和压力、研磨时日j 和流体介质性能对材料表面的面形精度、表面粗 糙度、表面变质层的影响和规律。从而优化加工工艺及相关的工艺参数。 中南大学硕士学位论文第二章脆性材料的精密研磨 第二章脆性材料的精密研磨 超精密研磨的目标是获得高质量，高精度的超光滑表面。对超精密研磨机理 的研究有助于明确超精密研磨工艺对机床、关键工艺装置、磨料、工件材料和环 境等因素的具体要求，是进一步改善和提高超精密研磨质量的前提和理论基础。 多数有关陶瓷等脆性材料加工理论的研究工作都是建立在断裂力学基础上的，本 章将从压痕断裂力学理论出发，考虑研磨加工特点，建立金刚石磨粒研磨加工的 分析模型，对普通研磨过程脆性材料的脆性去除机理和超精密研磨过程中材料的 延性域去除机理进行研究。 2 1 脆性材料的裂纹扩展 2 1 1 裂纹扩展的过程 压痕裂纹可能起源于试样上原有的裂缝，也可能在压头加载的过程中产生。 借助于表面处理引进的人工裂缝的分布状态，密度和尺寸，以及随后的裂纹发展 等等都取决于力学、热学和化学等复杂过犁3 s 1 。以下分析圆锥形压头作用下的 压痕裂纹生长过程。 圆锥形压头加载引起压痕裂纹比较复杂。图2 1 给出了圆锥形压头加载和卸 载的整个周期中压痕裂纹的发展过程。在加载的甜半个周期中，拉应力场的峰值 处于压头的正下方，这里有最大的塑性和弹塑性约束。 a ) 塑性区对亚表面裂纹施加了一个相当于屈服极限的拉应力。由于自由表 面上没有弹性，塑性约束，原有表面裂纹所受到的应力被部分地松弛了。 b ) 当应力场的空间范围达到了某种临界程度，某个或多个裂缝突然生长成 亚表面的硬币状裂纹，即所谓中位，径向裂纹，它处于载荷和压痕对角线 构成的平面上。 c ) 随着载荷的提高，接触面积继续扩大，中位，径向裂纹在压头底下稳态地 向下扩展，并且同时扩展向自由表面并与之相切于压痕的两侧，直至呈 半圆剖面的几何形状。这时构成了从压痕棱角扩展开来的表面径向裂纹。 d ) 当压头开始移开，载荷减小时，中位径向裂纹开始闭合。在整个加载周 期中，压痕应力场受到弹塑性界面上应变失调的影响，从而产生出残余 拉应力分量。这个残余拉应力分量在随后的卸载半周期中起着控制压痕 裂纹扩展行为的重要作用。 e ) 在压头完全移去前的一瞬间，残余拉应力促使新的“横向裂纹”体系的 中南大学硕士学位论文 第二章脆性材料的精密研磨 形成。 o 压头全部移歼后，横向裂纹可能继续扩展，甚至扩展到呈碟状而与试样 表面交接并导致剥落。 如果重新加载，则中位裂纹又张开，而横向裂纹又合并起来。 1 0 m 图2 - 1v i c k e r s 压痕裂纹的发展过程( + p 表示增大载荷_ p 表示减小载荷) 2 1 2 裂纹扩展的微断裂几何学分析 用测定硬脆材料( 陶瓷、玻璃及石英) 硬度的压痕研究方法来分析硬脆材料 在载荷作用下的断裂机理例。当压头压入材料表面，在压应力作用下压头下部 的试件材料发生非弹性流动。载荷不大时，卸载后压痕保留，说明硬脆材料也存 在一个延性变形区，对于高韧性的陶瓷，往往在压头侧面出现微隆起现象但不显 著，尽管压痕所造成的这种材料流动是由许多因素引起的，如材料的孔洞、位错 和疏松等。但这种流动可看成是原有缺陷导致的位错滑移，即显微塑性流动。 g e o g e 等人发现，若压痕仅由材料的显微塑性变形形成，则载荷p 与压痕特征尺 寸2 口有如下关系i 4 6 , 4 7 1 ； p = 口一以a 2( 2 1 ) 式中；日，一材料的显微硬度 a _ 压头几何因子，维氏压头，a = 1 8 5 4 4 p 一作用载荷( ) 当载荷继续增大，塑性变形区迸一步增大，当p 值超过临界载荷p c 时，压头下方 的材料便产生一个中位裂纹，并扩展。硬脆材料表面生成裂纹的i i 缶界载荷 b 与材料的断裂韧性满足以下条件1 4 0 - 4 2 1 ： r 只= 厶f 孑】3 墨。 ( 2 2 ) 1 4 田田田日日田 中南大学硕士学位论文 第二章脆性材料的精密研磨 式中：厶一综合系数。厶= ( 1 0 一1 6 1 0 4 ) 足，。一材料的断裂韧性，a l p 所 以一材料的硬度，g p o 若载荷p 在增加，中位裂纹稳定扩展，载荷过大时压头将造成材料表面、侧 面和中央均有裂纹形成，有的甚至造成压痕周围完全破碎。 当载荷p 减少时，中位裂纹开始闭合但并未完全闭合。继续卸载，材料松弛， 由于残余拉伸应力在应力场上的叠加，裂纹沿侧向扩展，形成侧向裂纹。当完全 卸载时，侧向裂纹继续扩展，形成材料的去除。 通过上述压痕作用过程分析可知。当p 只时，材料主要发生弹塑性变形， 在表面有压痕痕迹，这个压痕是由显微塑性变形所致。而当p b 时，材料内部 和表面出现裂纹扩展。由式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 可知，材料的显微塑性变形取决于材料 的硬度，而裂纹形成与扩展取决于材料的断裂韧性。 对于陶瓷材料而言，材料的不同，其中位，径向裂纹产生的i 临界压痕载荷也不 同。根据式( 2 1 4 ) 。取2 0 = 1 6 x1 0 4 ，计算出几种材料的临界载荷值见表2 1 ，表 中风和肠。是2 0 条件下陶瓷材料的典型性能。 表2 - 1 材料的临界栽荷 材料 m g p s z 彳，2 q 中等强度钢 h ，( g p a ) 1 4 6 21 5 7 5 蜀。( m p a 4 m 3 05 0 5 0 ， 日，足k 4 8 73 1o 1 只( r ) 0 4 1 2 6 8 0 0 0 0 0 从表2 1 中可以看出：比值h 。k t 。作为材料的脆性参数，反映了材科裂纹产生 的难易程度。金属材料的h d k i 。值最低，其压痕临界载荷值远远大于其他几中陶 瓷材料。随着陶瓷材料韧性的提高，h v k t ，比值逐渐降低，压痕裂纹产生的临界值 提高。陶瓷材料在精密及超精密加工时，需要控制加工界面的压力，抵制或减少中 位径向裂纹的产生。因此在进行光纤连接器端面的研磨时，只要将研磨的压力 控制在一定的范围内，就可以抑制或减少中6 ；z 径向裂纹的产生，从而使材料以 塑性方式去除，得到高质量的光纤连接器端面。 中南大学硕士学位论文 第二章脆性材料的精密研磨 2 2 脆性材料精密研磨的力学模型 2 2 1 研磨应力场分析 研磨应力是由金冈石砂纸表面众多磨粒同时对工件表面作用的结果，文献指 出单金刚石颗粒磨削可作为陶瓷材料研磨加工理