基于超声研磨的超精密加工
点击数：7589 次 录入时间：03-04 11:51:34 整理：http://www.55dianzi.com 机床
超精密加工技术在提高机电产品的性能、质量和发展高科技产品等方面具有重要的作用。’已标志着个国家制造业的水平，也是各国发展尖端科学技术的重要支撑。目前，超精密加工是指加工精度优于0.1µm ，粗糙度低于0.025µm 或更高精度的加工。 在超精密加工中，超精密切削、超精密磨削的实现是依赖于锐利的超硬切削工具、高精度高刚度的设备及其他周边技术的支持。由于其加工机理和环境因素，要实现更高精度的加工十分困难。因此，超精密研磨是实现纳米级、原子级加工的主要方法。木文在分析现有超精密研磨方法的基础上，提出了一种新的超声研磨方法，并对其加工机理进行了初步探讨。 1 超精密研磨新技术概述
近年来，超精密研磨在手工研磨和机械研磨的基础上，发展了一些采用新原理的超精密研磨技术。
1.1 基于机械作用的超精密研磨
基于机械作用的超精密研磨是靠微细磨粒的机械作用对被加工表面进行微量去除，达到高精度的加工表面。主要有弹性发射加工(EEM)、浮动研磨、磁力研磨等。弹性发射加工是可以得到很高的加工精度和低表面粗糙度的超精密加工方法。EEM加工原理如图1所示。 在高速旋转的聚氨脂球与被加工工件表面之间加上含有微细磨料的工作液，并对聚氨脂球加上定的压力。通过高速旋转的聚氨脂球所产生的高速气流及离心力，使磨料冲击或擦过工件的表面而进行加工。 浮动抛光可用于计算机磁头磁隙面、光学零件及功能陶瓷材料基片的超精密加工，其加工表面粗糙度低、加工变质层少、无污染。 1.2 基于机械-化学作用的超精密研磨
机械-化学研磨由于存在磨料液与工件表面的化学作用，因此可以实现超精密的表面加工，如利用表面固相反应的机械化学研磨方法可以获得高精度、无加工变质层的镜面。 1.3 液面研磨抛光
液面研磨抛光又称为水面滑行抛光(Hydroplane Polishing)。液面研磨抛光的显著特点是不使用磨料，抛光时工件与抛光盘之间由流体压力形成间隙，利用具有腐蚀作用液体的运动进行研磨抛光，因此是种化学腐蚀加工方法。加工中使用的腐蚀液为甲醇、乙二醇与溴的混合液。主要用来加工CaAs、InP基片表面。 以上各种超精密研磨方法都分别在不同的加工对象上取得了良好的效果。其中弹性发射加工(EEM)由于兼有研磨和抛光的特点而最具有发展前途。但这些加工方法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。譬如弹性发射加工，需要高速高精度回转轴，聚胺脂球和工件表面间因磨粒的高速冲击和摩擦发热严重，保持聚胺脂球长期工作的稳定性也是需重视的问题。为此。我们认为探索和发展更利于工程应用，具有高技术和高经济效益的超精密研磨方法，在超精密加工领域有重要的意义，这也是我们提出超声研磨的出发点。
2 超声研磨的基本原理
本文提出一种非接触超精密研磨方法——超声研磨。其加工原理模型如图2所示。 超声振动工具头的端面和工件表面保持固定的间隙δ，并在其间充以微细磨料工作液，当超声振动工具以定的频率振动时，带动微细磨料冲击工件表面，从而对工件表面进行研磨。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，大量的磨料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(即表面加工层)。如果工艺参数(如超声发生器的功率，磨料的硬度、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，理想的状祝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，再因磨粒量大、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，磨粒对工件表面主要起捣实的作用，类似于轻微的表面强化加工。它可以消除工件表面前工序的加工痕迹，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。
通常的超声波加工，其机理是工具头以定的压力作用于加工表面，当工具头作超声振动时，工具头刚性地锤击磨料，并通过磨料的“嵌入”作用，使脆性材料表面脆裂、脱落。因而它不适宜加工塑性材料。 现有的各种以机械加工为主的研磨方法，则是以磨粒在工件表面的滚压和摩擦为主要的加工手段。由此可知，超声研磨和超声波加工及现有研磨方法有着本质的区别，是一种新的超精密研磨方法。 3 超声研磨原理性试验
我们利用现有设备，对超声研磨的加工原理和技术上的可行性进行了试验，试验系统与超声波加工类同，如图3所示。 试验设备为三坐标立式数控磨床，附加超声研磨系统，超声研磨装置由超声振子、超声发生器和控制器组成。试验材料为淬硬钢，使用的磨料是粒度为W10 的碳化硼(B4C)，工作液为蒸馏水，Z向运动控制间隙δ，工作台沿X向和Y向作慢速移动，完成整个平面的加工。 在上述试验条件下，进行了常规研磨和超声研磨的部分试验，研磨时间均为20min。其结果如图4中(a)至(f)。图4(a)为研磨前的表面，其粗糙度为Ra=0.52µm，图4(b)～(c)为常规研磨后的表面，粗糙度为Ra=0.36µm和Ra=0.46µm。图4(d)为超声研磨前的表面，其粗糙度为Ra=0.20µm。图4 (e)～(f)则表明超声研磨后表面粗糙度达到了Ra=0.12µm和Ra=0.08µm。显然超声研磨明显优于常规研磨，能能够获得光滑的表面且无切削加工痕迹。另外，还进行了超声研磨光学玻璃表面的试验，其结果也相同。 4 结论
由理论分析和原理性试验可初步得出以下结论： - 超声研磨不同于超声波加工和以机械作用为主的研磨方法，是种基于新的加工原理的超精密研磨方法。
- 选取合适的超声研磨工艺参数，可以获得高精度的加工表面。
- 超声研磨应用范围广，可以加工各种硬脆材料，也可加工淬硬钢；可以加工平面，也可加工曲面。
- 应用超声研磨，勿需复杂的技术，所需设备也较简单，硬件投资少，可获得高的技术经济效益。
- 工具头的形状并不是直接复印到工件表面，其它影响因素(如间隙、磨料粒度、浓度、进给速度等等)也较易控制，因而可获得精确的加工表面。
- 超声研磨单位时间的切除率较高，如分为粗、精研磨，则可兼顾效率和精度两个方面。
因而，超声研磨在各种研磨方法中，有较大的综合优势，是种很有发展前途和应用前景的超精密加工新方法，其超精密加工的理论和工艺参数控制还有待于进步的研究。
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