（机械制造及其自动化专业论文）手机屏幕超声加工声学系统研究.pdf

摘要 声学系统是超声加工设备的重要组成部分，其性能优劣决定着加工设备能否正常工作， 严重影响着工件加工效率、加工精度和表面质量。如今智能手机屏幕材料一般都是蓝宝石或 者钢化玻璃，两者都是硬脆材料，具有高强度、高硬度、低断裂韧性、温度系数小，介电常 数大等特点。手机屏幕形状复杂，几何尺寸精度和表面质量要求高，传统加工技术很难保证 其加工质量和加工效率。磨料冲击加工是超声加工方法之一，是解决手机屏幕高效加工的有 效方法。本文研究了磨料冲击加工机理，建立了数学模型及有限元仿真模型，对声学系统进 行了理论分析，计算了尺寸模型，制造了声学系统，并进行了测试。 首先综述了国内外超声加工技术发展状况、手机屏幕材料和加工方法的研究及现状，针 对硬脆材料特性，采用了手机屏幕超声加工方法，并在此基础上提出了本文主要研究内容。 其次介绍了磨料种类及其物理性能和选择条件，研究了磨料冲击加工原理，建立了加工 机理模型，用a n s y s 软件进行了有限元仿真，得到了被加工工件表面形状和应力变化情况， 分析了工艺参数对材料去除率的影响，建立了材料去除体积模型。 再次对整个声学系统进行了研究，主要包括变幅杆和工具头的设计，介绍了传统变幅杆 的设计方法和理论模型，研究了大直径复合变幅杆和工具头的振动形式，计算了声学系统的 数学模型，根据理论公式设计并建立了系统的三维造型。 然后介绍了有限元分析方法，研究了有限元分析理论模型，对声学系统进行了模态分析 和谐响应分析，得到了声学系统理论谐振频率值为1 9 8 7 4 k h z ，与理想谐振频率2 0 k h z 的偏 差为1 2 6 h z ，二者非常接近，同时也得到了端面位移、应力随频率的变化情况。 最后根据前面的计算、设计和分析，制造了声学系统，利用自动阻抗分析仪对所设计的 声学系统进行测试，计算了实际谐振频率与理想频率之间的误差，并进行了深入的研究和分 析，对声学系统进行了修正，使其满足使用要求。总结了全文的主要研究内容，对硬脆材料 加工方法的进一步研究工作进行了探讨与展望。 关键词：手机屏幕，磨料冲击加工，声学系统，有限元分析，谐振频率 a b s t r a c t t h ea c o u s t i c a ls y s t e mi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h eu l t r a s o u n dp r o c e s s i n ge q u i p m e n t ，t h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fi t sf u n c t i o nc a ns h o wi fm a c h i n i n ge q u i p m e n tc a l lo p e r a t er e g u l a r l y , a n da f f e c ts e r i o u s l yp r o c e s s i n gp r o d u c t i v i t y , p r o c e s s i n gp r e c i s i o na n dq u a l i t yo fw o r k p i e c e n o w a d a y st h em a t e r i a lo fs m a r t p h o n es c r e e ni ss a p p h i r eo rt e m p e r e dg l a s sg e n e r a l l y , t h eb o t l la r e h a r da n db r i t t l em a t e r i a l ，a n dh a v et h en a t u r eo fh i 曲s t r e n g t ha n dh a r d n e s s ，l o wf r a c t u r et o u g h n e s s ， s m a l lt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t , l a r g ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n ds oo n s h a p eo fc e l l p h o n es c r e e ni s c o m p l e x ，t h ed i m e n s i o n a la c c u r a c ya n ds u r f a c eq u a l i t ya r ev e r yh i g h ，s o o r d i n a r ym a c h i n i n g t e c h n o l o g yc a nn o tm e e tp r o c e s s i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y t h ep r i n c i p l eo fa b r a s i v ei m p a c t i n g m a c h i n i n gi s s t u d i e do nu l t r a s o u n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , i t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e d , a c o u s t i cs y s t e mi s a n a l y s e d i n t h e o r y , d e s i g n e d ， m a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e d i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fu l t r a s o u n dm a c h i n i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d ，t h em a t e r i a la n dp r o c e s s i n gm e t h o do fc e l l p h o n ea r es u m m a r i z e d ，t h ea b r a s i v ei m p a c t i n g m a c h i n i n gi sp r o p o s e do nt h eb a s i so fc o n t e n t so fc h a r a c t e ro fc e l l p h o n es c r e e n ，t h em a i nt h i s d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ek i n d ，p h y s i c a lp e r f o r m a n c ea n dc h o i c eo fa b r a s i v ea r ed i s s e r t a t e d ， p r i n c i p l eo fa b r a s i v ei m p a c t i n gp r o c e s s i n gi ss t u d i e d ，m a c h i n i n gm o d e li se s t a b l i s h e d ，f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ni so p e r a t e db ya n s y ss o f t w a r e ，t h ev a r i a t i o n so fs u r f a c es h a p ea n ds t r e s sa r eo b t a i n e d ， t h ee f f e c to ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro nr e m o v a lr a t ei sa n a l y s e d ，a n dm o d e lo fm a t e r i a lr e m o v a l v o l u m ei sp r e s e n t e d i nt h et h i r dc h a p t e r , t h ea c o u s t i c a ls y s t e mi sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o n s i s to fd e s i g no fs o l i d h o r na n dt o o ，d e s i g n i n gm e t h o da n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n v e n t i o n a la m p l i t u d et r a n s f o r m e ri s i n t r o d u c e d ，t h ev i b r a t i n gm o d eo fn e wl a r g ed i m e n s i o n a lh o r na n dt o o lw i t hr e c t a n g u l a r c r o s s s e c t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h e i rm o d e la r ec a l c u l a t e d ，3 dm o d e l sa r ed e s i g n e da n db u i l t i nt h ef o r t hc h a p t e r , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di se x p l a i n e d ，i t st h e o r yf o r m u l ai s p r o p o s e d ，m o d e la n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i so fa c o u s t i c a ls y s t e ma r ec a l c u l a t e d ，t h ek e y p a r a m e t e r so nr e s o n a n tf r e q u e n c y , v a r i a t i o no fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so ft i pe n da r eo b t a i n e d ，t h e r e s o n a n tf r e q u e n c yo fa c o u s t i c a ls y s t e mi s19 8 7 4 k h z ，a n dl e s s12 6 h zt h a ni d e a lo n e2 0 k h z ，b o t h o ft h e ma r ep r e t t yc l o s e a n dt h ev a r i a t i o no fe n df a c ed i s p l a y si so b t a i n e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , i na c c o r d a n c ew i t ho fa b o v ec a l c u l a t i o n ，d e s i g na n da n a l y s i s ，t h ea c o u s t i c s y s t e ma r em a n u f a c t u r e da n dt e s t e db ya u t o m a t i ci m p e d a n c ea n a l y z e r , t h ee r r o rb e t w e e na c t u a l i i r e s o n a n c e 丘e q u e n c ya n di d e a lo n e i sc a l c u l a t e d ，r e a s o nc a u s e de r r o r si ss t u d i e da n da n a l y s e dd e e p l y ， t h es y s t e mi sf i n a l l ys a t i s f i e dw i t ho p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n tt h r o u g ha m e n d i n g i nt h el a s tc h a p t e r , t h ec o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n df u t u r er e s e a r c ho f p r o c e s s i n gm e t h o do f h a r db r i t t l em a t e r i a li sp r o p o s e d k e y w o r d s ：c e l l p h o n es c r e e n ，a b r a s i v ei m p a c t i n gm a c h i n i n g ，a c o u s t i c a ls y s t e m ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，r e s o n a n tf r e q u e n c y l l i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着3 g 技术的发展和推广，智能手机步入普及阶段，走在手机行列的前沿。仅仅局限 于通信功能的手机已经不能够满足人们的需求，多元化的功能和美观的外形已经成为手机畅 销的亮点。大屏幕手机就在这样的环境下应运而生，且快速发展。手机屏幕的演变非常迅速， 1 9 9 9 年摩托罗拉推出了全球首款中文手写触摸屏手机a 6 1 8 8 ，它的出现颠覆了当时传统的手 机数字键盘输入方式，成为当时无数用户不二的选择。苹果i p h o n e 的出现给人们带来了强大 的震撼，i p h o n e 不仅完全颠覆了原来触摸屏的使用体验，并且在屏幕的设计上给出了新的款 式，给了人们耳目一新的感觉，它的出现带动了整个手机行业技术的迅速延伸和相关软件产 业的变革 。目前i p h o n e 手机的市场占有量处于遥遥领先的地位。 越来越多的人通过手机收看电视节目，大屏幕已经成为手机的发展趋势，手机的销售量 与手机屏幕的形状和尺寸密切相关，随着大屏幕手机的出现，到如今己成为手机购买者的首 选考虑对象，可以说手机屏幕的形状和尺寸成为其销售数量的重要因素。现今各个品牌手机 制造厂家除了增加手机本身的功能来吸引消费者外，更是增加了手机外形的多样化来吸引顾 客的眼球。大屏幕手机的外形主要体现在屏幕的形状和尺寸。 1 2 手机屏幕材料研究现状 手机外表面屏幕的材料一般是钢化玻璃或者是蓝宝石，钢化玻璃是在普通玻璃表面通过 物理或化学方法形成压应力，来提高玻璃强度和抗压性；蓝宝石主要成分是氧化铝，属刚玉 族矿物；二者都是硬脆材料。二者都具有温度系数小，介电常数大，无滞后，高灵敏度，高 可靠性，硬而透明等独特优点。正是这样的特点使得其成为手机屏幕的最佳材料的选择。 1 2 1 钢化玻璃 钢化玻璃是一种预应力玻璃，为了提高玻璃强度，一般使用化学或物理方法，在玻璃表面形 成压应力，玻璃在承受外力时先抵消表层应力，因此提高了承载能力，增强玻璃自身冲击性、 抗风压性、寒暑性等。其主要优点：一是强度比普通玻璃提高数倍，其抗弯强度是普通玻璃 3 5 倍，其抗冲击强度是普通玻璃的5 1 0 倍，提高强度亦是提高了安全性；二是使用安全， 其承载能力的增大改善了易碎性质，钢化玻璃破坏呈现无锐角小碎片，极大地降低了对人体 的伤害。钢化玻璃耐急冷急热性质比普通玻璃提高2 3 倍，对防止热炸裂有明显效果。 钢化玻璃中应力的分布是钢化玻璃的两个表面为压应力，板芯层处于张应力，在玻璃厚 度上应力分布类似抛物线。玻璃厚度的中央是抛物线的顶点，即张应力最大处；两侧接近玻 璃两表面处是压应力；零应力面大约位于厚度的l 3 处。通过分析钢化急冷的物理过程，可 知钢化玻璃表面张力和内部的最大张应力在数值上有粗略的比例关系，即张应力是压应力的 杭州电予科技大学硕士学位论文 1 2 - - - 1 3 。国内厂家一般将钢化玻璃表面张力设定在io o m p a 左右，实际情况可能更高一些。 钢化玻璃自身的张应力约为3 2 m p a - - 一4 6 m p a ，玻璃的抗张强度是5 9 m p a - 6 2 m p a 。美国标准 a s t m c l 0 4 8 中规定钢化玻璃的表面应力范围为大于6 9 m p a ；半钢化( 热增强) 玻璃为2 4 m p a - - ， 5 2 m p a 。幕墙玻璃标准b g l7 8 4 1 则规定半钢化应力范围2 4 8 6 9 m p a 。 1 2 2 蓝宝石 蓝宝石的主要化学成分为三氧化二铝( a 1 2 0 3 ) ，因含微量元素钛( t i 4 + ) 或铁( f e 2 + ) 而呈蓝色，属三方晶系。晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等，几何体多为粒状或致密块状， 透明至半透明，具有玻璃光泽。光折率1 7 6 1 7 7 ，双折射率0 0 0 8 ，二色性强。莫氏硬度为9 ， 密度3 9 5 - 4 1 克立方厘米。 除了红色的刚玉宝石，其他所有色调的刚玉在商业上被统称蓝宝石( s a p p h i r e ) 。所以， 蓝宝石( s a p p h i r e ) 并不是仅指蓝色的刚玉宝石，它除了拥有完整的蓝色系列以外，也有如同 烟花落日般的黄色、粉红色、橙橘色及紫色等。 1 3国内外手机屏幕加工现状和发展趋势 现在手机屏幕的材料一般是钢化玻璃或者蓝宝石，钢化玻璃主要成分是二氧化硅，蓝宝 石主要成分是氧化铝，二者都属于硬脆材料，难于加工。 国内外现在所采用的主要技术是激光雕刻切割技术，切割原理是利用经聚焦的高功率密 度激光束照射工件，在超过阈值功率密度的前提下，热能被材料吸收，引起照射点材料温度 急剧上升。达到沸点后，材料开始气化，并形成孔洞；随着光束与工件的相对移动，最终是 材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除。激光切割过程是一个极其复杂的 热加工过程，是设计光学、热力学、热化学及气体和流体动力学等多学科复杂因素综合作用 的结果，切割过程涉及激光材料辅助气体三者的交互作用。由于被加工材料的不同，激光 切割的方法和机理也有所不同，常用的激光切割法主要有以下4 种：( 1 ) 激光气化切割法； ( 2 ) 激光熔化切割法；( 3 ) 反应气体辅助切割法；( 4 ) 激光热应力法。这4 种切割法是完 全独立的，它们往往同时存在于同一切割过程，只是在某一特定切割条件下，以其中某一种 为主要特征。虽然激光切割一次性投资比较大，但是激光切割的切割质量，如热损伤层、表 面粗糙度等都明显优于磨料喷射，热切时间短，生产效率高，得到广泛应用。上海创明激光 设备厂生产的编号为c m z 1 2 9 0 激光雕刻切割机，主要用来加工手机屏幕。但是激光束加工 会使材料表面产生深度为5 0 p m 的微观裂纹。 用于加工硬脆材料的方法主要还有以下两种：机械研磨法，磨料喷射化学加工蚀刻法。 后者先是利用化学蚀刻技术方法去除大面积的多余材料，再利用混有粉末或磨料的气体，聚 焦成束，通过高速喷射，去除剩余的少量工件材料。 电火花加工也是加工硬脆材料的一种方法，但是其只适用于导电材料的加工，电阻率要 求小于1 0 0 k 2 c m ，钢化玻璃和蓝宝石的导电率低，因此不适宜用电火花加工方法来加工手机 屏幕。 杭州电子科技大学硕士学位论文 由于手机屏幕形状复杂，几何尺寸精度要求高，同时硬脆材料具有高硬度和易断裂等特 点，这使得手机屏幕的加工更困难。现有对于手机屏幕的加工技术主要是激光切割技术、蚀 刻法、磨料喷射法等。与金属材料不同，手机屏幕的加工直接受到加工方法的影响，以上几 种加工技术都在不同程度上影响屏幕表面的完整性，产生裂痕，造成断裂。 与电解加工、电火花加工和激光加工技术相比，超声波振动加工既不依赖于材料的导电 性，也没有热物理作用，因此决定了超声加工在硬脆材料尤其是非金属材料加工方面的发展 和应用。虽然超声波加工效率比激光加工、电火花加工和机械加工等方法低，但是加工精度 和表面质量显著提高，能够稳定的加工出精度5 0 1 t m ，表面粗糙度r a 0 6 1 t i n 的零件。磨料 冲击加工是超声加工方法之一，能够很好的解决手机屏幕难加工的问题，并且对磨料冲击加 工声学系统中的变幅杆和工具头进行分析和设计。 近3 0 多年来，国内外学者对磨料冲击加工进行了大量的研究，建立了不同材料去除率的 模型。s h a l l ，m i l l e r 、c o o k 、r o z e m b e r g 等人认为：磨料对工件表面直接冲击和碰撞会造成磨 损，磨粒自由移动产生微量切削，悬浮液的空化作用是去除材料的主要机理。c o o k 等人的研 究表明磨料冲击加工中材料的去除主要有两个原因：一是磨粒对工件的直接锤击，二是磨粒 对工件的冲击作用。张建华等人研究了超声加工工程陶瓷，分析了材料去除机理，建立了理 论模型，总结出材料去除率随静载荷、工具振幅、磨粒直径的增大而增大，随材料断裂韧性 和硬度的升高而降低i z j 。 1 4 超声工程的发展 超声波技术已经不是简单的固体内部缺陷探测手段，而是全面的探索固体和液体内部世 界奥秘的有力工具。超声波在改变物质内部的性质和状态方面的应用也是相当广泛的，如： 超声波钻孔、清洗、焊接、粉碎、萃取和催化等。人类真正地开展超声波技术的研究是从1 8 8 0 年发现压电效应开始的【3 】。表1 1 列出了1 8 8 0 年以后同超声波发展有关的大事。 表1 1超声波的发展 项目 发明者年代 压电效应 j c u r i e e c u r i e18 8 0 电真空管 l d e f o r e s t1 9 0 7 声纳 e l a n g e v i n 1 9 1 7 超声的生物效应 a l o o m i s ，r w o o d ，e h a r v e y 1 9 2 7 1 9 2 8 初期的超声实时现象s s o k o l o v , r p o h l m a n 1 9 2 9 1 9 4 9 n d t 中的脉冲回声 f f i r e s t o n e1 9 4 2 组织的穿透式超声现象 k d u s s i k ，t h u e t e r 19 4 2 4 9 5 0 脉冲回声法用于医学 j w i l d ，j r e i d ，d h o w r y 1 9 5 0 1 9 5 2 超声对组织的基本效应f f 吼w f r y , f d u n n ，r s c h w a n 1 9 5 0 1 9 6 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 续表) 项目发明者 年代 心脏诊断 c j e r t z 1 9 5 6 1 9 6 5 妇产科诊断 i d o n a l d ，g k o s s o f f , t w a g g i 1 9 5 8 1 9 6 5 脑扫描 r h e i m b u r g e r 1 9 5 8 1 9 7 6 血流连续多普勒 里村茂夫1 9 5 7 脉冲式 d f r a n k l i n ，d b a k e r 1 9 5 9 多普勒区散射 d f r a n k l i n1 9 6 1 脉冲多普勒d b a k e r , p p e r o n n e a u 1 9 6 9 光全息 d g a b o r 1 9 4 8 乳房肿瘤声衰减的确 e f r y 1 9 6 6 1 9 7 1 诊 激光 c t o w n e s ，a s c h a w l o w , 1 9 5 4 1 9 6 0 t m a i m a n 计算机应用于超声显 w f r y 等 1 9 6 5 1 9 7 3 像及组织扫描 超声全息 e g r e g u s s ，r m u e l l e r , 1 9 6 5 1 9 6 8 a m e t h e r e l l ，b b r e n d e n 声参数确定e p o h l m a n ，e c a r s t e n s e n , 1 9 3 9 1 9 7 3 h s c h w a n n ，d g o l d m a n ，t h u e r e r , w f r y 等 声学的布拉格成像 a k o r p e 1 9 6 6 时间延迟频谱测量 r h e y o s e r 1 9 6 7 s o k o l o v 管s s o k o l o v1 9 3 7 s o k o l o v 管医学成像j j a c o b s1 9 6 4 超声显微镜 s s o k o l o v , e d u n n ，w f r y , 1 9 4 8 1 9 7 2 e s u c k l i n g ，c q u a t e 等 随机信号雷达 g c o o p e r 1 9 6 6 随机信号多普勒 v n e w h o u s e ，c j e t h w a 1 9 7 3 1 9 7 4 超声有四个基本作用：第一个基本作用是线性的交变振动作用，就是超声在媒质中传播 时，必然使媒质粒子作交变振动，并引起媒质中的应力和声压的周期性变化，从而引起一系 列次级效应；第二个基本作用是大振幅振动在媒质中传播时会形成锯齿形波面的周期性激波， 在波面处造成很大的压强梯度，因而能产生局部高温高压等一系列特殊效应；第三，振动的 非线性会引起相互靠近的柏努利力，由粘度的周期性变化引起的直流平均粘滞力等，这些直 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 流力可以说明一些定向作用、凝聚作用等的力学效应；第四，是空化作用，只能在液体媒质 中出现的一种重要的基本作用。超声的五种效应见图1 1 ，超声应用如图1 2 。 超声效应 力学效应 搅拌作用 分散作用 去气作用 成雾作用 凝聚作用 定向作用 冲击破碎作用 疲劳破坏作用 热学效应 波蕃譬篆蓑热 光学效应 电学效应 化学效应 衍射 折射 双折射 声致发光 产生电场 产生磁场 电子逸出 电化学效应 促进化学反应 促进氧化还原 促进聚合或解聚 底片的感光 声化学发光 超声效应 杭州电子科技大学硕士学位论文 超声应用 钻孔 切割 粉碎 焊接 清洗 分散 乳化 凝聚 除尘 成雾 烘干 去气 萃取 化学反应 医疗器 f 光和激光超声调制器 器件 超声频闪观测器 f 超声显像器等 图1 2 超声应用 1 5国内外超声加工现状和发展趋势 超声加工起源于上世纪5 0 年代初期，日本最早研究超声加t 技术，在当时政府设立了专 门研究振动切削的机构，许多大学和科研机构也都开设了这个研究课题。有两位代表人物最 早究超声波加工技术：一位是中央大学的川岛正宪教授，他的代表作是超音波工学理 论和实际；另一位代表人物是宇都宫大学的隈部淳- f i g 教授，他的代表作是精密加工、振 动切削基础和应用。日本研究人员不仅在普通加工设备上应用了超声加工技术，还把超声加 工振动系统应用在数控加工机床和精密加工机床中。超声加工在日本已经获得诸多项专利， 在生产应用中发挥了重要作用【4 j 。 美国在6 0 年代初期开始研究超声加工技术，因为当时对超声加工技术的研究不是很成 熟，这项工作停顿了1 0 年 7 1 。7 0 年代中期，美国已经在超声钻孔、光整加工、拉管以及焊接 等方面处于生产应用阶段；超声磨削、镗孔已经处于实验性生产设备原型阶段；普通超声振 动切削系统已经在工业制造中应用【8 一。1 9 9 3 年d p r a b h a k a r 等人基于压入破碎力学理论提 出了旋转超声加工工程陶瓷材料去除率的理论模型，主要研究了材料去除率与振幅、磨粒粒 度、旋转速度、加工压力之间的理论关系，并通过试验证明了在与普通磨削相同条件下，旋 转超声加工工具有较低的切削力和相对较高的材料去除率。1 9 9 5 年z j p e i 等人对旋转超声铣 削工程陶瓷等问题进行了研究，给出了预测材料去除率和切削参数之间关系的数学模型【l0 1 。 在4 8 届c i r p 年会上b v a r g h e s e 和s m a l k i n 报道了磨削加工时在工件径向施加超声振动的研 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 究结果，结果表明砂轮的接触应力、承载面积、工作循环时间、超声振动和砂轮表面开槽等 都对淬硬轴承钢的材料去除率均有影响l l 。 苏联和日本于上世纪5 0 年代将超声加工与电加工( 如电解加工和电火花加工等) 、切削加 工相结合【1 2 】，开辟了复合加工新领域。这种复合加工方法不仅改善了电加工或金属切削加工 的条件，还能够提高加工效率和工件质量。德国的h e i d e n h a i n 的超精密光栅被世界各国超 精密设备场所选用。美国的c r a n f i e l d 和m o o r e 、日本东芝机械、英国的r a n kt a y l o rh o b s o n 公司的超精密加工装置，销售到许多国家，我国已经引进n a n o f o r m 系列，这类机床采用 摩擦传动代替传统的滚珠丝杠，采用微晶玻璃进行高精度的测量，装置的回转精度可达到 0 0 1 朋，进给最小精度为o 0 1 脚，s t d 应用的使用测量精度达到了a 级。 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 在线加工微细工具，成功的利用了超声波振动加工技术在石英玻璃上加工出直径为b 1 5 t m 的 微孔，1 9 9 8 年又成功的加工了直径为5 朋的微孔【l 引，由于超声加工原理及其工具相对简单， 国外许多学者正在展开三维轮廓微细旋转超声加工的研究。2 0 0 3 年日本的k a s u g a y 和 a s p i n w a l l d k 利用2 0 k h z 换能器加工钛铝合金，得到了材料去除率和刀具磨损数据，同时获 得了工件表面粗糙度、表面质量和残余应力相关信息【l4 1 。r a h m a n c n m 和a n d r e w s s k 在 2 0 0 7 年做了基于超声振动切削低合金钢的研究，结果表明超声振动加工比传统加工得到的表 面质量更好、切削力更小、刀具磨损率更低1 1 引。2 0 1 0 年a s a m i t 和m i u r a h 研究了利用超声 振动切削圆环其纵向振动特性，当空心阶梯型变幅杆横截面积比不超过4 6 时，其小端振幅 与横截面积比成正比例关系i 阚。w u j q ，c o n g w l 和w i l i a m s r e 等人在2 0 11 年利用超声 旋转加工加工铝制材料，研究了表面粗糙度和切削力的影响因素，建立了加工运动过程模型 【1 7 】 o 2 0 世纪5 0 年代末，我国开始了对超声波振动加工技术的研究工作，也曾掀起过一阵群 众性的“超声热，但是由于当时很多技术不成熟，也缺乏合理的组织以及持续性的研究，因 此很快就冷了下来。6 0 年代末期，哈尔滨工业大学率先搞起超声加工技术，利用超声车削加 工了一批飞机上用的铝制细长轴，效果良好，但是并没有及时进行深入的总结和研究。由于 特定的历史条件，我国对超声加工技术的研究工作中断了十余年之久。七十年代末我国再次 展开了超声加工的实验研究和理论探讨工作，广西大学、吉林工业大学以及甘肃光学仪器厂 等单位，率先进行超声车削实验。8 0 年代清华大学王先逵教授研究了硬脆材料的超声砂带磨 削技术，并且获得了高效高质量的加工效果。吉林工业大学的王立江教授研究了微小孔的超 声振动钻削问题，建立了超声振动高效钻孔的理论基础【l 8 ，m l o1 9 8 2 年，我国第一台超声拉管 设备诞生了，由中国科学院声学研究所、上海钢管厂及上海超声波仪器厂共同研制，填补了 我国超声加工在金属塑性加工中的空白。1 9 8 3 年l o 月，西安召开我国第一次“振动切削专 题讨论会，这次会议充分肯定了超声振动在金属切削中的重要作用，促进了超声波加工技 术在我国的深入研究和推广应用。1 9 8 5 年，机械电子工业部第1 1 研究所成功研n - j 超声旋 转加工机，并在玻璃、陶瓷、y a g 激光晶体等硬脆材料的套料、钻孔、端铣、内外圆磨削以 杭州电子科技大学硕士学位论文 及螺纹加工中，都取得了优异的工艺效果。1 9 8 9 年，张云电教授成功研制了超声珩磨装置， 实现了在拖拉机、汽车、摩托车发动机气缸、油缸、炮管、煤矿液压支架等精密孔的珩磨加 工，并通过了部级鉴定，填补了国内技术空白。1 9 9 1 年张云电教授经过悉心研究，成功研制 了变截面细长杆超声车削装置，解决了各种复杂形状变幅杆、等截面细长杆等精密、超精密 加工的重大技术难题。1 9 9 4 年哈尔滨工业大学张其馨教授和j d k i m 等人先后研究了碳纤增 强聚合材料的超声振动钻削和车削机理。上海交通大学的赵波等人研究了工程陶瓷发动机缸 套的旋转超声研磨技术，分别探讨了超声、普通研磨工程陶瓷和高强度钢的材料去除机理， 并且建立了适应于高强度钢和硬脆材料的高效去除模型，并研究了超声研磨的表面微观特征 【2 0 1 。2 0 0 3 年上海交通大学的马春翔和胡德金研究了超声波椭圆振动切削技术，对s o d a - l i m e 玻璃和q u a r t z 玻璃进行了加工实验，研究了加工运动特性和工件表面质量1 2 。2 0 0 7 年哈尔滨 工业大学的贾宝贤、边文凤等人对微细孔超声加工关键技术进行了研究，分析了微细工具动 态压杆稳定性，得出其稳定性不仅与静压力有关，也与超声振幅有关，其磨损率随着进给速 度和超声振幅增大而增大【2 2 1 。近年来杭卅i 电子科技大学张云电教授、兰红玉、张兵等人对超 声车铣技术进行了深入的研究和分析，成功研制了超声铣削加工装置。现今我国已经在多个 领域中应用超声加工技术，表了多篇有关超声加工方面的科学研究论文，申请了很多项关于 超声加工的专利，国内许多大学也都设有超声加工的研究课题，对超声波加工技术的进一步 发展起到了很好的指导作用。 超声波在工业中的应用可以分为加工和非加工两类。加工应用包括传统的超声波加工 ( u s m ) 、金刚石工具的超声波旋转加工( u r m ) 、各种超声波复合加工等。非加工应用包括： 清洗、塑料焊接、金属焊接、超声分散、塑料金属成型、化学处理和无损检测等。 超声波振动加工是功率超声技术在制造业中的一项重要技术，是一种加工如陶瓷、石英、 宝石、硅、锗等硬脆材料的重要方法，超声加工主要用于硬脆材料的孔加工、套料加工、切 割、雕刻等方面。即使经过电火花粗加工或半精加工的淬火钢、拉丝模、硬质合金冲压模、 塑料模具等，最后都要利用超声抛磨和光整加工技术进行处理，其主要应用类型见图1 3 。 岛国 ( a ) ( b ) ( c ) 囹； 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( e )( f ) ( g ) ( h )( i ) 图1 3 超声加工应用类型 ( a ) 加工圆孔( b ) 加工异型孑l( c ) m - r 型腔( d ) 雕刻 ( e ) 研磨金刚( f ) 开槽( 酚多片切割 ( h ) 切槽( i ) 套料石拉丝模 超声加工从2 0 世纪5 0 年代开始，在实用性方面的推广和应用日益广泛。超声振动加工 技术是一种多学科交叉的高新技术，能在声能、电能、机械能的综合作用下，实现各种各样 的加工和处理。大量实验数据证明：当在加工工具或者工件上施加了超声频振动后，在加工 过程中材料的变形，工具的受力状态与常规机械加工有着很大的差异，超声加工工艺效果更 好。随着科学技术不断发展和国际竞争日益加剧，精密与超精密加工、特种加工技术越来越 成为工业化国家发展的重要支柱【2 3 2 4 1 。随着科学技术和材料工业的发展，新技术、新材料层 出不穷，超声加工的应用范围也随之扩大，发挥作用更大。目前，主要应用于以下几个方面： 1 、型孔、型腔加工 超声波振动加工可以在硬脆材料上加工出圆孔、异形孔、型腔、沟槽、微细孔、弯曲孔 等，虽然其生产率比电火花、电解加工低，但工件表面质量较高。目前生产中常用的一些模 具，如拉深模和拉丝模多为合金工具钢( 如c r w m n 、c r l 2 、5 c r n i t i 、c r l 2 m o v 等) ，改用硬 质合金后，再利用超声加工，模具寿命可提高8 0 1 0 0 倍。如采用电火花加工，在工件表面上 经常出现微裂纹，严重影响了模具表面质量和使用寿命。采用超声加工工件表面质量明显提 高，而且尺寸精度可控制在0 0 1 0 0 2 r a m 之内，内孔锥度也能修整至8 。 对蓝宝石、钢化玻璃等硬脆材料进行套料加工时，更加突出了超声加工的优越性。不仅 提高了加工效率，而且提高产品加工精度，降低表面粗糙度。此外，由于近年来对超声波加 工技术的不断研究和实验，己经排除了其通向微细加工领域的障碍。日本东京大学工业科学 学院利用超声加工技术，加工出了直径仅为9 p m 的微孔。 在模具制造方面，超声加工技术还可以缩短模具制造时间，如e x t r u d eh o n el t d 公司利 用模具加工复杂形状的石墨电极，采用超声加工技术，电极加工时间由原来仿形铣加工的2 0 小时缩短为3 0 分钟。 9 _ # _ ，艮：粤 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 、切割加工 用普通机械加工的方法切割硬脆材料存在着很大的困难，加工后的工件容易出现裂纹或 者断裂，改用超声切割后，其加工质量得到提高。与金刚石刀具切割铁氧体、半导体、石英、 金刚石、宝石等硬脆材料相比，超声加工技术有着切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经 济性好的优势。如超声切割高7 m m 、宽1 5 - 2 0 m m 的锗晶片，在3 5 分钟内就可以切割出厚 0 0 8 m m 的薄片；超声切割单晶硅片一次就可切割1 0 2 0 片；集成电路用的元件陶瓷，加工 8 m m 、厚0 6 r a m 的陶瓷片，一分钟内可加工4 片；可在4 l m m 2 的陶瓷元件上，加工o 0 3 m m 厚的陶瓷片振子，0 5 1 分钟以内，可加工1 8 片，尺寸精度可0 0 2 m m 。 3 、旋转超声加工 超声旋转加工是在传统超声加工技术基础上发展起来的，与传统超声加工不同的是：工 具作超声振动的同时也作旋转运动。 超声旋转加工产生于二十世纪六十年代，经过近4 0 年发展，各国的研究者对其加工工艺 和机理进行了系统的研究。由于超声旋转加工只能加工圆形孔和型腔，借鉴数控铣削加工方 法，可以将其配置在数控加工系统中，国内外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声加工 的研究工作。 4 、超声轮廓加工 利用普通加工方法加工硬脆材料时，工件轮廓形状有限，基本上无法加工复杂曲面。德 国亚深工大在1 9 9 6 年研制了一种新型超声研磨技术【2 5 , 2 6 ，不仅可以进行超声仿形，还可以根 据工具的运动轨迹产生各种不同的曲面，既扩大了超声研磨的应用范围，也提高了在硬脆材 料上进行几何成形加工的可能性。 英国、德国、日本、法国和瑞士等国家正在研究使用n c c 控制的超声轮廓加工方法。目 前商业上己经有少量c n c 控制r m u 机床，如e r o s o n i ca g ( 瑞士) 的e r o s o n i cu s 4 0 0 u s 8 0 0 ， e x u t r d eh o n el t d ( 法国) 的s o n e x 3 0 0 ，n d k ( 日本) 的u m 1 5 0 0 s a 等。与传统模具相比，该项 技术应用的可行性己成为各国研究的热点。 5 、超声波复合加工 超声复合加工是指将超声加工与其他传统机械加工或特种加工相结合，如超声车削、超 声磨削、超声钻孔、超声螺纹加工、超声研磨抛光、超声振动晰磨、超声电火花等复合加工。 超声复合加工适合用于加工陶瓷材料，加工效率随着材料脆性的增大而提高。 近年来，超声波振动加工已经被证明是硬脆材料加工的重要方法【2 7 , 2 8 】。超声波振动加工 利用磨料粒子对工件的冲击切削作用，将含有磨粒( 金刚砂、立方氮化硼等) 的磨料悬浮液被 输入到工具和工件表面之间，通过工具的超声频振动磨粒高速冲击工件表面，导致工件表面 被冲击处的微小体积材料碎裂脱落，致使材料有效被去除。超声加工过程中仅是磨料颗粒与 材料之间的相互作用，去除量很小，表面粗糙度较小。同时超声波加工属于非热、非化学和 非电的方法，与激光束、电火花等其它非传统加工不一样，超声波加工不会使工件产生热伤 害和明显的残余应力，也不会产生表面烧伤和表面变质层，避免了被加工工件的物理和化学 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 性能的变化，因此极适用于硬脆材料的加工。目前，应用超声加工硬脆材料的方法已在国内 外得到了一定的应用。美国、俄罗斯都曾对光学材料的超声波磨削进行了研究。 综上所述，超声加工技术的发展取得了重大的理论成果和应用成果。硬脆材料加工的客 观需求推动并促进了超声加工技术的发展；超声加工技术的发展也为脆性材料加工提供了一 种强有力的保证。 1 6 本课题的主要研究内容 论文的主要研究内容如下； 第一章：阐述超声波加工法的发展状况，介绍了手机屏幕材料研究现状以及加工方法的 发展情况，并在此基础上提出了本文研究内容。 第二章：研究了磨料冲击加工机理，建立了数值分析模型，并用有限元软件进行仿真分 析，得到了工件表面变形和应力情况；计算了材料去除体积模型，