硬脆材料超声波精密加工机理及影响因素研究

硬脆材料（如人工晶体、光学玻璃、工程陶瓷）的使用越来越广泛,具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、耐腐蚀等优点。然而,由于人工晶体等难加工材料具有极高的硬度和脆性,其成形加工十分困难。硬脆材料的精密、超精密加工,是先进制造技术的重要研究领域,其途径一是对现有的装备、刀具和工艺过程进行深入的研究；二是研究新的加工方法,寻求新原理的高效、高精度的加工技术。作者在普通超声加工研究的基础上,采用超声研磨方法实现硬脆材料的高精度加工,发现超声研磨与普通超声加工有着完全不同的加工机理和特点,对玻璃等硬脆材料进行的初步加工试验研究,表明该方法不仅可行,而且材料去除率高且可获得高精度的表面质量。

1加工机理

超声研磨加工原理模型如图1所示。超声波发生器产生的超声振动由变幅杆将位移振幅放大后传给工具头，工具头作纵向振动，冲击磨料颗粒，磨料颗粒又冲击加工表面，超声波研磨主要利用磨料颗粒的连续冲击作用。由于超声振动的加速度很大，所以磨料的加速度也很大，无数磨料颗粒连续不断的冲击，可使加工表面破碎和去除。同时工具端面超声波振动产生的空

化现象对工件形成强烈交变压力冲击作用，在微裂纹区和工件表面加工区所起的作用尤其明显，在很大的加速度和交变压力的作用下，微裂纹不断扩展。磨料的捶击、冲击加工及超声空化作用使微细裂纹逐渐地扩展、碎裂，最终从工件表面上剥落、去除。这样的表面加工层损伤层更薄、更均匀，从而获得较佳的表面质量，实现超精密加工。

材料去除机制主要包括：

1）工具和自由磨粒对工件的高速撞击。工具端面

的瞬态位移方程式为：

y （t ）=A sin （2πft ）

（1）

式中A —工具头振幅；f —振动频率。

对式（1）进行微分可得工具头端面的瞬时速度和

硬脆材料超声波精密加工机理及影响因素研究

肖强1，2，李言1，李淑娟1

（1.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西西安710048；2.西安工业大学机电工程学院，陕西西安710032）摘

要硬脆材料具有很高的硬度和脆性,为了提高硬脆材料研磨效率，从理论上分析超声波研磨加工硬脆材料机理,详细

地分析超声波声压及加工静压力、工具的振动振幅、频率和磨粒大小对材料的去除率以及加工质量的影响。分析表明,基于超声波研磨条件下,能够提高材料去除率和加工出高质量的超光滑表面。关键词硬脆材料；超声波研磨；去除率中图分类号TG580

文献标识码A

文章编号1004-244X （2010）03-0026-02

Ultrasonic precision machining mechanism and influencing factors of

hard and brittle material

XIAO Qiang 1，2，LI Yan 1，LI Shujuan 1

（1.School of Mechanical and Precision Instrument Engineering ，Xi ′an University of Technology ，Xi ′an 710048，China ；

2.School of Mechanical and Electronic Engineering ，Xi ′an Technological University ，Xi ′an 710032，China ）

Abstract The brittle and hard material possesses high hardness and brittle.In order to improve the lapping efficiency and surface quality of hard and brittle material,the influence of ultrasonic pressure,vibration frequency,vibration amplitude and grain size on removal rate and machining quality was analyzed.The result show that a high removal rate and the smooth high quality surface can be obtained under ultrasonic lapping.

Key words hard and brittle material ；ultrasonic lapping ；removal rate

收稿日期：2009-11-10；修回日期：2010-03-17

基金项目：陕西省重点实验室建设基金项目资助（09JS099）

作者简介：肖强，男，吉林长春市人，博士，副教授；主要研究方向为精密与超精密加工。

兵器材料科学与工程

ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING

Vol．33No．3May,2010

第33卷第3期2010年5

月

第3期

瞬时加速度方程式：

v（t）=d y（t）d t=2πfA cos（2πft）（2）

a（t）=d2y（t）d t2=-4π2f2sin（2πft）。（3）工具以如此大的加速度撞击工件或将加速度传递给磨削液中的磨粒，磨粒由此产生动能，足以使工件表面产生微裂纹，经多次撞击后断裂形成碎屑。

2）金刚石磨粒和自由磨粒的直接机械磨削。随工具旋转的金刚石磨粒与自由磨粒，在静载荷的作用下挤压磨削工件材料，使其产生微量塑性变形及裂纹直至最后发生脆性断裂。

2超声研磨硬脆材料特性分析

超声振动研磨加工与普通研磨加工相比，材料去除率大，能有效地提高研磨效率。因为超声振动研磨时，研盘受到超声振动作用，使球获得充分的自转，从而提高了加工效率。由于超声波的特殊性，超声振动的作用降低了研磨阻抗，在加工过程中还可使磨削液产生空化作用，从而使加工效率大大提高。这里“空化作用”，是指当工具以很大的加速度离开工件表面时，间隙中的磨削液压力急剧下降，造成局部真空，并在磨削液内形成许多空腔；而当工具以很大的加速度接近工件表面时，间隙中的磨削液成极强的液压冲击波，促进了碎屑的形成和脱落。与此同时，间隙中的气泡在工具接近工件时受到压缩，工具离开工件时气泡发生的爆炸也促进了碎屑的形成和脱落，从而提高材料去除率［1］。超声研磨时，工件超声振动可以降低单位面积磨削力，从而使工件更易于加工。这是因为超声振动使工件材料具有软化效应，在超声振动作用下，由于频率高达20kHz左右，振幅为几到十几微米，磨粒的速度和加速度瞬时值很大，磨粒以几千甚至几万倍于重力加速度的加速度冲击材料表面，硬脆材料在冲击能量作用下，使磨粒前的材料产生微塑性变形，形成大量多层次分布的微小横向裂纹，这为下一步继续加工创造了良好条件，也为得到粉末状磨屑，形成光滑平整的加工表面打下了基础。由于硬脆材料韧性很低，在高频冲击下，瞬间集中大量能量，对材料的微小剥离起了很大作用。另外超声振动研磨时，这些尺寸均匀的磨粒急剧的转动和滚动，使其单位时间的相对滑动距离增大，形成形状均匀一致的细小刻痕比传统研磨法时要多得多，这些细小的刻痕频频产生，使磨削力下降，提高了加工效率并使加工表面平滑，小直径磨粒的剧烈跳动，带来喷沙强化的效果，对粗糙表面的平滑及产生残余应力都有促进作用。由于磨粒在研抛过程中不仅转动而且作高频往复振动，磨粒的运动轨迹不重复，所以工件的加工表面粗糙度比较低。同时超声振动能使磨料有效地搅拌，且起到排屑的作用，从而提高加工质量［2］。

3工艺参数影响因素分析

超声波加工中材料去除率受很多因素的影响，有些因素相互间还有一定的联系。其中超声波声压及加工静压力、工具的振动振幅和频率、磨粒种类和粒度是主要影响因素。

3.1超声波静压力影响

材料的去除量随着静压力增加而增加，随着静压力减小而减少。但在一定加工条件下总有一个最佳静压力，在此压力下，可得到最大加工速度，其原因是若压力过大，工具与工件间的磨料空间狭小，难以形成空化抛击，严重时可能无空隙而难以实现。振动加工若压力过小，工具与工件的间隙增大，令磨粒对工件撞击力及打击深度降低，且磨粒冲击过程中的能量损耗过多，致使冲击微弱、甚至不起作用。其他条件不变，随静压力的增加近似线性增加，到达一最佳值后随压力增加而下降。

3.2工具的振动振幅和频率

在超声波加工中，随着超声振动振幅和频率的增大，加工速度明显提高。但是，过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，严重时会超过工具和变幅杆材料的疲劳强度，降低其使用寿命；随着工具振动振幅和频率的增加，加大了工具与变幅杆、变幅杆与换能器之间联接处的能量损耗。因此，要求超声加工工具振动振幅为0.01～0.1mm，频率为16～25 kHz。研究表明若保持静压力和工具频率不变，材料去除率正比于振幅。在振幅不变情况下，材料去除率和频率之间呈线性关系。达到一临界值后，随变化急剧下降，且MRR（材料去除率）正比于f1/2。实际加工时，应调至共振频率，以获得最大的振幅。

3.3磨料的种类和粒度

磨料的种类应根据工件材料合理选择。在一定范围内，磨料硬度越高、粒度越粗，加工速度也越快。但是，磨料粒度与材料去除率的关系还受工具振幅的影响，因此，为了获得高的加工速度，应根据振幅大小来确定磨料粒度大小。工具双振幅与磨料平均粒度的最佳比值为0.6~0.8［4］。

4结论

试验表明，基于超声波的超精密加工硬脆材料的去除率，是不加超声振动加工材料的2倍左右，表面质量好，粗糙度值降低1倍左右。因此对于硬脆材料，基于超声波研磨是一种很有发展前途和应用前景的超精

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