（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助磨削加工理论及多晶硅材料的磨削实验研究.pdf

内容摘要 本文以二维( 2 d ) 超声振动辅助磨削加工为研究对象，以实现硬脆性材料的高 效和延性域加工为研究目标，开展2 d 超声振动辅助磨削加工硬脆性材料的材料 去除机理研究，包括分析超声振动辅助磨削加工运动学，切削层材料的力学行为， 并进行多晶硅材料的超声振动辅助平面磨削实验。 本文的主要结论是： 1 2 d 超声振动的辅助可以帮助改变常规磨削加工中砂轮与工件之问的相对 运动轨迹，使砂轮磨粒的加工路径拉长，增加磨粒的切深，有利于提高单个加工 周期内加工磨粒的材料去除量，提高加工表面的光洁度； 2 2 d 超声振动辅助将极大地改变磨削加工中砂轮磨粒与工件材料之间的相 对运动速度和加速度，这将对切屑层材料的去除和变形产生冲击作用，从而改变 材料的去除机理； 3 2 d 超声振动辅助磨削加工中，磨粒切刃前端的切屑层材料在超声振动辅 助的作用下，应变减小，而应变率增大，使切屑层材料以小体积、大变形和高应 变率的形式去除，最终增加了切屑层材料的剪切流动应力： 4 2 d 超声振动辅助磨削加工，参予切削的磨粒切刃具有较大的负前角，有 助于增加作用于切屑层材料剪切平面内的法向应力和剪切应力比值，这将有效地 抑制材料去除过程中材料应力集度因子的增长，减少材料发生脆性断裂破坏的机 率，从而提高加工表面的加工质量； 5 椭圆振动辅助单晶硅材料的平面磨削加工实验表明，与常规磨削加工的 结果相比，超声振动辅助磨削加工可以降低磨削加工过程中的磨削力，且法向力 与切向力的比值增大，所得的表面粗糙也降低，这与本研究的理论预测趋势相符 合，表明可以增加硬脆性材料延性域加工的机率。结果还发现，椭圆振动幅度越 大，磨削力和表面粗糙度降低幅度越大。 以上结论表明，超声振动辅助磨削加工可实现多晶硅等硬脆性材料的高效加 工，具备提高硬脆性材料延性域加工的潜力。 关键词：超声振动辅助磨削加工；材料去除率；延性域加工 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u so nt h ed e v e l o p m e n ta n dt h e o r yo ft w o d i m e n s i o n ( 2 d ) u l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t e dg r i n d i n gt e c h n o l o g yw i t hw o r k p i e c ev i b r a t i o n t h e r e l a t i v em o t i o nb e t w e e ng r i n d i n gw h e e la n dw o r k p i c ei sa n a l y z e d ，s od ot h e m e c h a n i s mo fm a t e r i a lr e m o v a l t h em i c r o - g r o o v i n ga n dp l a n e - g r i n d i n ge x p e r i m e n t s o fp o l y s i l i c o nw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t a n c eh a v eb e e nc o n d u c t e d s o l u t i o n s p r e s e n t e di nt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ea s s i s t a n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nw i l lc h a n g et h eg r i n d i n gp a t ho f c o n v e n t i o n a lg r i n d i n g ，a n dt h eg r i n d i n gl e n g t ha n dc u td e p t hi n c r e a s e ，w h i c hw i l ld oa f a v o rf o rt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n di m p r o v et h es u r f a c ef i n i s h 2 t h ea s s i s t a n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nw i l li n c r e a s et h er e l a t i v ev e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o no ft h eg r i n d i n gg r i t s iw h i c hw i l lc a u s ea ni m p a c to nt h eu n d e f o r m e d m a t e r i a la n da f f e c tt h er e m o v a lm e c h a n i s mo fb r i t t l em a t e r i a l 3 t h ea s s i s t a n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o nw i l li n c r e a s et h es t r a i nr a t ea n df l o w t r e s so ft h eu n d e f o r m e dc h i pm a t e r i a l 4 t h er a k ea n g l eo ft h eg r i n d i n gg r i t sw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t a n c eh a v ea b i gn e g a t i v ev a l u e ，a n dt h er a t eo fn o r m a ls t r e s sa n ds h e a f i n gs t r e s so nt h es h e a r i n g p l a n e ，w h i c hw i l ls h i e l dt h ei n c r e a s eo fs t r e s si n t e n s i f yf a c t o ra n di m p r o v et h e p r o b a b i l i t yo f d u c t i l em o d em a c h i n i n go fb r i t t l em a t e r i a l 5 t h ep l a n eg r i n d i n ge x p e r i m e n to fp o l y s i l i c o ns h o w st h a tt h eu l t r a s o n i c v i b r a t i o na s s i s t a n c ec a nh e l pt oi m p r o v et h es u r f a c ec o n d i t i o na n dd e c r e a s et h e m a c h i n i n gf o r c ee f f i c i e n t l y f r o mt h ec o n c l u s i o nm e n t i o n e da b o v e ，i ti ss h o w nt h a tt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o n a s s i s t a n c ec a nr e a l i z et h eh i g he f f i c i e n c ya n dd u c t i l em o d em a c h i n i n go fb r i t t l e m a t e r i a l k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t a n c eg r i n d i n g ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ， d u c t i l em o d em a c h i n i n g 厦门大学博士后研究工作报告著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用博士后研究工作 报告的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定 机构送交该报告的纸质版和电子版，有权将该报告用于非赢 利目的的少量复制并允许该报告进入学校图书馆被查阅，有 权将该报告的内容编入有关数据库进行检索，有权将博士后 研究工作报告的标题和摘要汇编出版。保密的博士后研究工 作报告在解密后适用本规定。 本研究报告属于：1 、保密() ，2 、不保密( ) 纸本在年解密后适用本授权书； 电子版在年解密后适用本授权书。 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作一：诫啼嘞1 蝴沁目 新魏奇料吼中堋a 曰 厦门人学博i ：后研究报告第一章引言 第一章引言 1 1 超声振动辅助加工简介 近年来，航空、电子和光学通讯工业中迅猛发展的新技术对先进材料的加工 提出了越来越高的形状精度和表面质量要求【l 】。这些材料包括硬脆性材料和延性 材料。其中常见的硬脆性材料有陶瓷、光学玻璃和单品多晶硅等。硬脆性材料 本身优良的机械力学和热性质( 例如化学惰性、高的强度与重量比、高硬度、耐 腐蚀和抗氧化等) 将产生优越的性能，这些长处将有利于减少消耗。从制造性的 角度来讲，这些使硬脆性材料获得广泛用图的优越性质将同样使硬脆材料的加工 难以达到预期的精度和形状1 2 j 。常用的硬脆性材料的加工方法是超精密磨削和单 点会刚石切、肖i j ( s p d t ) 3 - 7 】。磨削加工和单点金刚石切削常引起表面和亚表面缺陷， 这将严重损坏加工得到工件的强度和使用性能与期限等。目前，已经能够通过延 性域加工的方法实现硬脆性材料的磨削或切削加工【8 一，但加工时的切削非常薄， 这将限制加工时材料的去除率( m r r ) 。加工时产生并遗留在工件亚表面的缺陷需 要进行二次加工予以去除( 如抛光) ，这将极大地增加总的加工成本和破坏工件的 形状精度。由于碳元素和金属之间活跃的化学活性，使得难以利用会刚石工具加 工得到含铁工件的镜面。基于上述原因，迫切需要寻求改善常规加工的方法和手 段。 振动辅助i j h _ i ( v a m ) j 下是在这种情况下提出用于改善常规加工。超声振动加 i ( u s m ) k b w o o d 与l o o m i s 于1 9 2 7 开始提出。在2 0 世纪八十和九十年代，研究集 中在结合了单点会刚石切削和磨削等特点的复合加工技术方面。这科振动辅助加 工不同于超声加工。在超精加工中，金属材料的去除是由悬浮于磨削液中的磨粒 完成的，这些磨粒由一个进行超声共振的工具带动往复在工件表面运动【1 l 】。而 且这种超声加工只应用于脆性材料的加工中。 振动辅助加工是一种间歇式的加工，其中超声振动辅助；) j l l i ( u v a m ) 是最常 见的一种。在超声振动辅助加工中，小幅的振动以超声频率的附加在切削工具或 工件上，使得加工工具的运动学发生改变，图1 1 所示是椭圆超声振动辅助切削 加工的示意图。 超声振动辅助磨削加t 理论及多品肿材料的磨削实验f i j f 究 图1 1 椭圆超声振动辅助加工示意副2 】 在超声振动辅助的调制帮助下，可产生加工力减小和切屑减薄的结果。这些 反过来导致更好的工件表面光洁度和形状精度等效果，而且与常规加工相比，可 获得几乎无毛刺的效果。工具的寿命也可通过超声振动辅助加工的方式得到极大 地提高，特别是在采用金刚石工具加工含铁的材料时。当切削脆性材料时，超声 振动辅助加工可提高脆性与延性域发生转变的临界切削深度，这项优点可使复杂 光学元件表面超精密加工可以不须采用磨削和抛光的方法完成加工。 振动辅助加工主要优点可概括为如下： 延长工具的寿命1 3 - 1 6 改善表面的精度和形状精度【1 7 2 3 】 可实现脆性材料的延性域加工【2 4 圳】 亚之表面毛刺的形成【3 2 - 3 4 】 1 2 超声振动辅助加工的类型概述 1 2 1 超声振动辅助加工的类型 振动辅助加工( u l m ) 是常规加工与调制振动的叠加。这项技术不仅应用在 单点切削加工中，而且也应用在固定磨粒的加工中。常规加工经由小幅、超声频 率振动调制后，使其加工运动学发生改变。基于超声振动的调制的方式和目的， 振动辅助加工可分为工具振动和工件振动。 根据施加超声振动的方向，调制可由三个j 下交的方向引入：横向( 与工件表 面平行并与切削方向垂直) 和垂直方向( 垂直于工件表面) ，如图1 2 所示p 5 | 。 厦门人学博i j 后研究报告 第一章引言 h 卜l a l 锄l 蒯l l l 越i o n m o d u i a l i o n 图1 2 振动辅助磨削加工的示意图【3 5 】 如果超声振动被附加在一个方向，工具i 件将是作单方向小幅的往复的运 动，此为一维超声振动辅助力i i ( 1 du v a m ) 。当超声振动施加在一个方向以上时， 工具工件将作椭圆振动，此时为二维超声振动辅助力h i ( 2 du v a m ) 。椭圆超声 振动辅助加工是振动辅助加工中的最普遍的，它的质心沿着切削磨削的方向运 动。在2 d 超声振动辅助加工中，如果切削速度、工具幅度和频率结合合适的话， 工具将周期性的与切屑相脱离或完全离开工件。2 d 超声振动辅助加工可分为平 面内超声振动辅助n i ( 振动与工件表面平行) 和垂直方向的超声振动辅助加工 ( 振动与工件表面垂直) 。图1 2 给出了振动辅助加工的示意图，其中的工具分别 由小幅的单方向往复和椭圆振动调制。 123 4 a 1 d 超声振动辅助加工的示意图【1 3 】 超声振动辅助磨削加t 理论及多品待材料的磨削实验研究 b 2 d 超声振动辅助加工的示意图 图1 3 超声振动辅助切削加工工具运动和切屑定义3 6 】 由于椭圆超声振动辅助加工的优越性，椭圆超声振动辅助加工广泛采用于二 维超声振动辅助加工中。如图1 4 所示，椭圆超声振动辅助加工中的推力小于其 他常规加工。 z 墨 窟 薹 皇 卜 图1 41 d v a m 与2 dv a m 碳化硼工具切削铝工件的推力e l ( 1 8 6 6 h z ) 【3 7 】 1 2 2 超声振动辅助加工装置类型概述 超声振动辅助加工系统所采用的振动频率和水平幅度是不刷的。超声振动辅 助加工系统通常可分为三种类型：一维共振系统( 超声振动发生器只用来使工具 产生线性运动) 、二维共振系统( 工具支撑结构用于产生二维方向的共振频率，从 而产生一个椭圆的振动路径) 和二维非共振系统( 压电驱动器由证弦信号激励，一 个机械连接机构用于将激励信号转变为线性的膨胀运动，进而形成椭圆的路径) 【l6 l o 超声振动辅助加工系统的设计对于超声振动辅助加工的应用来说也很重要。 厦门人学博i ：后研究报告 第一章弓【苦 到目前为止，已有很多种类型的超声振动辅助加工系统。一维共振系统是超声振 动辅助加工中最常见到的。图1 3 所示是常见的系统之一【l 酬，其中的超声生成器 使用一个压电或磁驱动器来产生高频低幅的谐振。 共振2 d 超声j 下东辅助加工系统通常生成一个圆形或椭圆工具运动，带动支 撑结构以共振一维或二维的方式频率振动。m o r i w a k i 和s h a m o t o 共同开发了如 图所示的二维超声振动辅助系统【3 引。附加在梁结构侧面的压电驱动器以相反的方 向进行激励，从而使梁在进给方向和垂直的方向产生弯曲。两个驱动器之问存在 象差，梁在节点处支撑。梁端的弯曲振动放大了由压电薄膜产生的振动。金刚石 工具安装在梁的末端，两个j 下交的振动将使其以椭圆的路径发生运动。该套系统 的振动频率在2 0 4 0k h z 之间。 s o n o t r o d eu i l r a s o n i c i 图1 3 使用超声生成器的典型1 du v a m 系统【1 6 】 图1 。42 d 共振超声振动辅助加工系统( s h 锄o t oa n dm o r w a k i ) 【3 8 】 yw u 等开发了如图1 5 所示的二维超声振动辅助加工系统，称为超声鞋 ( u l t r a s o n i cs h o e ) t 3 9 1 。在该装置中，四片p z t 分为二组粘附在一个弹性会属固体上。 两组p z t 上施加不同相位的电压。在不同超声函数电压的驱动下，弹性固体发 超自振功辅群削j t g 日n 村 呐噼i l l 宴鞋w 赶 生弯曲振动和径向振动相结合，形成二维超声振动 图1 5 超声振动鞋 3 9 】 在图1 6 所示的是由浦山国立大学”发的非共振二维超声振动辅助加工系统 中，正弦电压信号施加在压电驱动器h ，使其以低于菇振频率的频率发生收缩或 伸k 。压电驱动器的线性运动经由一个机械转换器被转换为工具的椭圆运动【删。 压电驱动器以正变的方式分别安冒在进给和壬直的方向上。余剐石川具安装在两 j 下变粱交点的外侧 。：= 二：厂 ；能- ， i m ，n 焉j 。1 紫。= ：_ 。li 十5 _ _ 上，i ! 圈16 分共振2 d 超声搬动辅助加工系统 图17 所示是i | l 北卡罗来纳大学丌发的一种非苁振二维超声辅助振动系统 枷。两个平行的驱动器上施加币弦电压信呼。工具的装火器充当一个将驱动器的 线性运动装换为椭圆运动的机械连接器。这种装置的优点足可以通过谰肯所施加 的电压和相位差来改变泼装置产生的椭圆振动的路径、椭圆振动比率和振动方 醚门人学博l 口目f 究搬告 第幸引占 向 强哕少v 姒 ol 乒粤耋砰7 鼍峰* 上 习pmlc日dw i r e “ 图l7 非共振2 d 超声振动辅助加工系统6 4 14 2 】 ( 劬工作原理：( b ) 低频牛l 冷却样机：( c ) 高频连续冷却p z t 1 3 文献综述 超声振动技术已经被。泛的应h j 于多个制造和加上手段r r l ，例如t u 削m ，磨 削删，钻，铣削“细电火花加工m 。而且，yw u 等甚至将超声技术应j j 到 无心磨的加工制造中m4 ”。 在本节中，将主要集中于超声辅助切削1 f 【磨削的文献综进介绍。 1 3 1 超声振动辅助切削加工 超声振动辅助调制开始是应用于剀削加工领域。s k e l t o n 5 0 悭出了超声振动 可咀h j 于降低加工工件材料在切削加工中的机械阻抗。t a k e y 川通过实验表 明超卢振动辅助加1 对r r 改善加工1 的切削力和表面质量根有效。k i m 和k w a k 分析了一维超声振动辅助切削加工的运动学5 “。 有关二维椭圆振动辅助切削加工的报道出现在。自从那以后，一些椭圆超 卢振动工具也相继开发出柬而且他们优越的加工性能在难加i ：材料的加f 方面 已经得到丁充分的证实”5 ”。近来，这种技术已经被实际应用到超精密金刚石 切削加工磨其和光学元器件中。a h n 等人讨论了通过利用二维超声振动辅助加 工的方法米改善微加工精度的可行性。通过对集中微加1 ：状况的i 具路径模拟和 超声振动辅助磨削加t 理论及多品硅材料的磨肖0 实验研究 实验，二维振动切削可以极大地减小切削力，并可得到更加光滑和少毛刺的表面。 超声振动辅助切削( u v a c ) 作为一种精密加工手段，已经被k i m 和c h o i 【5 7 】 等人应用到光学塑料和镜片的加工中。以较小切深加工得到的工件表面呈现出了 明显的延性域加工表面特性。切削的实验结果证实可超声振动辅助加工的手段， 以低切削速度的方式实现延性域的n - r t 2 9 】。m o r i w a k i 等应用在切削方向上施加 超声振动辅助超精密加工的方法进行了延性域切削加工苏打玻璃的的实验【2 4 】。 结果发现超声振动辅助可以将脆性与延性域转换的临界切削深度从普通加工的 0 2 p m 增加到1 4p m 。l i u 等也通过碳化硅的超声振动辅助微沟槽实验手段发现 可以提高延性域转换的临界切深【5 8 】。切削硅基片的延性域转换的临界最大切屑层 厚度随着切削工具刃半径变化。切削刃的半径越大，临界转换深度也变大【5 圳。 l i ue t a 1 唧】等还发现切削速度对延性域切屑形成的方式有重要的影响。 n e r u b a i 研究了超声振动对摩擦性质的影响，以及对难加工材料的切削时的 接触作用物理机理【6 1 1 。s m i t h 等人【6 2 1 使用有限元分析的手段模拟了采用超声振动 辅助切削硬脆性材料的断裂过程。s h a m o t o 等人建立了正交椭圆振动切削过程的 解析模型，在该模型中，速度、力和振动都以切削刃垂直6 3 1 。s h a m o t o 删等提 出了一个三维椭圆振动切削模型，用于模拟切削的力学性特性，并将模拟结果和 其他学者所得的实验数据相比较【6 3 6 5 , 6 6 。结果表面超声振动的存在可以减小或者 是摩擦力反向，这将导致切削力、切削能的减小，并降低发热效应。 总之，微加工出现的微尺寸效应使切削过程中的单位切削力增大，这将引起 形状变形、颤振和毛刺等有损光学元件形状精度和表面料糙度的不利情形【6 7 1 。 许多研究已经倾向于提出新的方法来克服前述问题。这些研究如集中在开发具有 较小热变形刚性结构加工工具、微进给装置和微加工本身的各个方面。而振动辅 助切削加工是一项通过振动工具和切屑间的间歇空气动力润滑的方式而有助于 降低加工中尺寸效应的有效方法【5 3 , 6 8 1 。 1 3 2 振动辅助磨削加工 由于磨削加工可加工得到精确的形状精度，因此，它是先进材料的一种有利 的加工手段。然而，磨削加工通常会在加工表面引起一些意料之外的表面或压表 损伤，而这些损伤的去除往往需要进行二次加工预以去除( 如研磨) 。尽管现在有 可能采用延性域磨削的加工方法实现硬脆性材料无压表面裂纹的加工，但由于该 厦门人学博i j 后研究报告第一帝 引 苦 种方法采用非常小的切深完成的，因此，限制了加工的材料去除率( m r r ) ，从而 提高了生产成本。为改进传统磨削加工，将高频振动引入磨削加工成为一种新的 发展趋势。在本节中，将对振动辅助磨削加工的文献进行概述。 事实上，超声振动辅助磨h i j 力i _ t ( u v a g ) 是一种结合了金刚石磨削加工材料 去除机理和超声加工特点的复合磨削加工技术【6 9 1 。目前，对超声辅助振动磨削加 工的控制影响参数( 砂轮转速、振动幅度与频率、金刚石类型、磨粒尺寸、结合 剂类型、冷却液和压力等) 对磨削加工性能( 材料去除率、切削力和表面粗糙度等) 的影响已进行了大量的研究【7 0 ，7 1 1 。w a n g 等通过实验证实振动辅助磨削加工中， 横向进给方向的磨削表面粗糙度影响最大【7 2 ，7 3 1 。 结果表面磨削得到表面粗糙在 迸给和横向进给方向都得到了改善，而且还可以起到降低磨削力的效果。y a n 和 z h a o 等人进行了乎面内椭圆超声振动辅助磨削加工的试验，结果表明可以显著 降低表面的粗糙度7 4 ，7 5 1 。g s p u r 等人进行了大量的缓进给磨削和平面磨削实验 1 8 】，并将得到磨削力、表面光洁度和径向砂轮磨损的结果与无超声的相比较，结 果发现有超声振动辅助的磨削效果更创7 6 1 。h a n a s a k i 等人在缓进给磨削中引入 低频振动调制，发现表面毛刺的形成随幅度的增加而降低【77 1 。p o l e t a e v 与 k h r u l k o v 利用超过4 0 m h z 的频率对硬化镍合金进行了超声振动磨削试验，结果 发现可以降低压表面裂纹和减少表面毛刺的形成【7 引。a k b a r i 等人对超声振动辅 助大切深磨削氧化铝精细陶瓷的试验和有限元模拟的综合研究，结果表明超声振 动辅助可以改善表面粗糙度和降低裂纹的发生，并且还可以降低磨削力【7 引。q u 等刃还发现超声振动辅助磨削还可以降低工件亚表面的损伤1 7 引。 与切削加工相比，磨削加工是一种会产生大量热量的高能耗加工手段。实际 上，普通磨削中9 0 以上的能量由于摩擦原因而转化为热。由于可能破坏表面的 质量，进入工件的热对工件的加工质量具有重要的影响。过分的发热将会导致工 件烧伤、热软化和形状变形等后果。除对工件的加工质量有影响外，生成的热将 加速磨削加工过程中砂轮的磨损，而且还须增大冷却液的使用。温度也会影响材 料的去除机理：暂时软化工件的材料，这是由于磨削中产生的高温金额促进硬脆 性材料在加工过程中的塑性流动。c o l w e l l 等人的实验证实在磨削加工过程中引 入高频振动可以有效降低热裂纹的发型8 0 1 。m a r k o v t 8 1 1 和i s h i k a w a 8 2 】等人认为高 频振动可使磨削加工获得更好的润滑效果。而且，更多的研究人员发现高频振动 超声振动辅助磨削加t 理论及多品硅材料的麟削耽验研究 可以减小磨削加工力，从而得到降低加工能耗的效梨眩，8 3 】。c h a n d r a 等人通过试 验观察到高频振动调制可以降低p y r e x 玻璃在磨削加工中产生的中央裂纹深度 s 4 】。p c h e n 等人进一步研究了高频振动对磨削温度的影响【8 5 1 。相对中等频率 的振动辅助调制磨削加工与高频振动一样可以起到降低切削力和温度的作用。基 于对磨削能和工件温度的测量可发现，近工件表面的温降可达到几百个数量缴。 n a k a g a w a 等人发现高频( 2 0k h z ) 振动调制具有降低磨削加工过程中的摩擦1 8 6 1 。 1 4 研究目的 如前所述，超声振动辅助加工是一种新颖且独特的材料去除方法，可用于改 善常规磨削加工。超声辅助加工具有许多常规磨削加工无可比拟的性质，例如延 长工具寿命、提高表面光洁度、实现硬脆性材料的延性域加工和压制毛刺的生成 等。目前，已有许多针对诸如超声振动参数( 频率和振幅) 与加工表面完整性、加 工力和运动动力学分析方面的研究，这些研究也主要集中在椭圆超声振动辅助 加工方面。其中，微沟槽是研究椭圆超声振动辅助加工应用最多的研究手段 ( e u v a m ) ( 8 3 8 刀。 近来，有开发和发展小型桌上微型机械加工的趋势。然而，由于传统加工 的观点具有机械应该具备高精度、高能耗、高速度和高刚度的要求，因此这将使 机器的尺寸变得非常大。这就使得机器的效率低下，而且能耗增加。从节约资源、 空间和能量的角度出发，丌发用于微加工的小型机器是很有必要的，特别是在i t 、 光学和电子加工领域【8 8 , 8 9 】。 而且，在常规的椭圆振动辅助加工中，超深振动调制主要施加在切削工具 上，这在超声振动辅助切削很常见【5 8 , 8 3 】。这样做的理由是切削工具是单磨粒，且 它是以低速的运动进行切削，所施加的超声振动调制不会对其性能产生严重的不 良影响。然而，由于磨削加工中砂轮是一个高速的旋转体，任何一个微小的扰动 都可能破坏它的动平衡，这样加工工件的表面完整性就难以得到保证。由于需要 安装超声振动生成器和旋转驱动单元等许多额外的设备，因此，很难构建超声振 动施加在磨削砂轮上的桌上型装置。总之，超声振动辅助调制目前不适合于施加 在高速旋转的磨削砂轮上。最好的解决方法是将超声振动辅助调制施加在工件 上，从而可以得到加工更小尺度工件的超声振动辅助磨薛加工装置。 厦门人学博i ：后研究报告第章引苦 近年来，已经有许多针对在超声振动辅助加e e ( u v a m ) 的研究。在这些研究 中，超声振动辅助n t 的运动学分析是做的比较多【1 4 】。振动参数和切n 推力之 间的关系影响以及延性域加工转变临界切削厚度的实验研究也较多【1 2 ，1 4 ，1 9 2 。对 超声辅助振动加工对，；i - r 质量的影响也有些大概的研究【2 4 , 2 6 , 2 7 】，其中工具与工件 材料之间的间歇性切削动作被认为是改善加工性能的主要因素，这种间歇性切削 动作被认为是可以促进工具与工件界面之间的润滑效果以及减小摩擦等功效【1 4 2 0 ，柏1 。然后，针对超声振动辅助加工的力学基础理论的研究还是很少，特别是对 于超声振动辅助磨削加工方面。 为促进超声辅助加工在小尺寸和高效率的微磨削加工中的应用，本研究将集 中对工件超声辅助振动的磨削加工的机理进行研究，具体包括如下几点： 1 提出工件上施加超声振动辅助的超声振动辅助磨削加工技术； 2 分析单磨粒工件超声振动辅助磨削加工的运动学； 3 分析超声振动辅助磨削加工的材料去除机理； 4 证明超声振动辅助低速磨削加工的可行性。 1 5 研究报告组成概要 本研究介绍一种新的2 d 超声振动辅助磨削加工方法。在该方法中，超声振 动以垂直于工件表面的方向施加在工件上，以工件超声振动代替常用的工具超声 振动。研究中对超声振动辅助磨削加工的运动学进行了分析，通过对单磨粒微磨 削加工的力学分析，研究超声振动辅助磨削加工的硬脆性材料的材料去除机理。 第1 章主要介绍了超声振动辅助加工的类型和特点。总结了超声振动辅助加 工的几种类型，概述了超声振动辅助加工的发展现状，在此基础上，指出目前超 声辅助加工中存在的问题，并提出了本研究的主要内容和方向。 第2 章首先建立了超声振动辅助磨削加工中工件与砂轮工具之问的相对运 动学方程，然后分析了超声振动辅助磨削加工中切屑的产生方式和名义切屑厚度 的计算方法，然后通过数值模拟的方法分析了超卢振动辅助磨削加工中单磨粒与 工件材料之间的相对运动、相对运动速度和加速度等的变化特点，以及切屑的厚 度变化情况等。 第3 章首先建立了单磨粒的近似等价模拟模型，建立单磨粒磨削加工的力学 超声振动辅助磨削加t 理论及多品硅材料的磨削实验研究 模型，分析单磨粒与工件之间的作用关系，然后模拟了超声振动辅助磨削加工中 切屑层材料的应变、应变率和流动应力变化情况。 第4 章首先介绍了硬脆性材料的延性域加工理论，然后分析了硬脆性材料微 加工切屑层材料剪切平面内的法向应力和切向应力关系，并对超声振动辅助磨削 加工硬脆性材料的延性域去除机理进行了分析。 第5 章首先进行了多晶硅材料的椭圆超声振动辅助平面磨削加工实验，对加 工过程中的磨削力进行了测量，并检测和分析了加工表面粗糙度和形貌，然后将 测量结果与理论结果趋势相比较，验证该技术实现多晶硅等硬脆性材料高效磨削 加工的可行性。 最后对本研究的研究内容进行了总结，概括了本研究的成果，并指出了研 究中存在的问题，以及有关超声振动辅助磨削加工技术今后的研究方向。 厘门人学博1 ：后研究报告第二章丁件超声振动辅助磨削加一r 运动学分析 第二章工件超声振动辅助磨削加工运动学分析 2 1 引言 如第一章所述，超声振动辅助磨削加工( u v a g ) 在工具i 件上叠加了超声振 动的磨削加工技术。利用这个方法，利用工具和工件在磨削过程中的间歇性切削 动作，可以降低磨削加工过程中的切向力( c u t t i n gf o r c e ) 和推力( t h r u s tf o r c e ) ，且 工件的表面完整性可以得到不同程度的改善。工件和工具之间的重复性分离动作 可促进切屑与工件表面之问的润滑，从而减小摩擦的作用。而且，脆性材料的延 性域加工转变临界切削厚度也可得到很大的提高。对于超声振动施加在砂轮上的 超声振动辅助磨削加工，砂轮的主轴需要安装许多旋转驱动装置，比如安装超声 振动生成装置，这将给系统的动平衡调整带来困难，显然，砂轮工具振动超声辅 助磨削加工系统难以制造加工。 为了克服砂轮工具振动带来的难题，在本研究中将采用工件振动的方法， 该方法与目前超声波辅助加工的主流方法不同，具有节省能量和空间的优点。在 该方法中，一个小型的桌上型超声振动生成器被用于在垂直于工件表面的方向对 其所支撑的工件进行超深振动激励。 在本章中，首先介绍了超声振动生成器的原理和超声振动辅助工件振动磨 削装置，然后对椭圆超声振动辅助磨削加工的运动学进行了分析。 2 2 工件振动的椭圆超声振动辅助磨削加工的运动学分析 磨削加工与切削加工存在极大的差别。切削加工是由单切削刃完成，而磨削 加工是由许多具有刀具负前角的切削刃完成，且切屑是以小体积、高应变率的方 式被去除的。对磨削加工中切屑的形成方式对于预测诸如磨削力、工件表面粗糙 度和残余应力等参数是很重要的。当加上超声振动调制后，磨削加工的运动学将 发生重大的改变。因此，要想进行超声振动辅助磨削加工的机理研究，必须首先 对其运动学进行分析。本节将对超声振动辅助磨削加工的运动学进行分析。 一个全面的关于磨削加工的物理模型的建立必须要从单个磨粒与工件之问 超声振动辅助磨肖0 加t 理论殷多t 昂石辛材料的孵削实验研究 作用的加工过程开始，然后再扩展到整个磨肖0 砂轮。图2 1 是二维的椭圆超声振 动辅助磨削加工的示意图，其中工件在垂直于工件表面的方向作超声椭圆振动， 砂轮除以角速度q 作自转外，还以速度v 向前运动。 图2 1 工件振动的椭圆超声体振动辅助加工示意图 图2 2 所示是本文进行运动学分析涉及的坐标系，o ：d x y z 是全局坐标 系，x 表示砂轮的切削进给方向，y 表示砂轮的横向进给方向，与砂轮的进给方 向垂直，z 垂直于工件表面。o 。：0 。一五一y 。一z 。为与砂轮固连的坐标系， 0 2 ：0 2 x 2 一y 2 一z 2 是与工件固连的坐标系。0 l 在坐标系o ：d 一工y z 中的坐标为 ( v t ，0 ，0 ) 。 图2 2 超声振动辅助磨削加工的坐标系示意图 考虑相互之间的运动关系，任意时刻坐标系0 2 ：0 2 一x 2 - y 2 一z ：原点0 2 在全局 眨门人学博i ：后研究报告第- 二章_ t 件超声振动辅助磨削加t 运动学分析 坐标系a ：d z y z 中的运动轨迹可以表示为： 其中：尺为砂轮的半径，r 为椭圆超渗振动长半轴与x 轴的的夹角，也即椭圆 振动的方向，a 和b 为椭圆的长、短半轴，哆为椭圆振动的频率。 坐标系o ：0 1 - x i - y i - z j 到坐标系0 2 ：0 2 - x 2 - y 2 - z 2 的变换可以写为： 盯一仃2 ：o r 2 = m 2 l 仃1 其中：m ：。为变换矩阵。 由图2 2 ，变换居住鸠。为： m 2j = 0 - s i n o g i t l0 0 c o s 石a l t 0o 恐 儿 z 2 l = m 2 l 乃 毛 1 a c o s o c o s r c o s a 2 t b c o s o ! s i n q s i n 0 9 2 t + v t a s i n 口c o s l 7 c o s o d 2 t + b s i n a s i n l 7 s i n 6 0 2 t j r + a s i n i ? c o s 6 0 2 t + b c o s l s i n ( a 2 t l ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中：口为椭圆振动平面与砂轮磨削方向的夹角。 砂轮上任意一个磨粒( 在a 1 ：o i - x l - y - z 。中的坐标为( r c o s g ，0 ，r s i n f ) ) 相对于 工件的相对运动可以表示为： fx 2 ( t ) = rc o s ( c a r t + f ) + ac o s 口c o s 7 c o s o ) 2 t b c o s c t s i nr s i no ) 2 t + v t y 2 ( f ) = 一a s i n 口c o s q c o s c 0 2 t + b s i n as i n q s i n ( 0 2 t ( 2 4 ) l z 2 ( f ) = r s i n ( q f + f ) + 彳s i n ，7 c o s 吐f + b c o s 刁s i n 哆f + 尺 其中：f 磨粒的中一t l 线与五轴的夹角。 无超声振动单磨粒与工件的相对运动为： 鬈肌rsiosn(c篡ot ：嚣 亿5 ， 心( f ) = 尺+i + f ) p 7 公式( 2 7 ) 和公式( 2 8 ) 适合于逆磨模式。 q 哆 r n 缈 霎 m 叼 s ) 驴 弓； 一 b ， 1 吐 哆 s 7 螂 叩 7 一 s d 螂 卅 彳0 r | | = = f f 娟灭“ 泳 f f 嘲o m o m 超声振动辅助磨削力t 理论及多品砖材半 的磨削实验研究 在施加超声振动辅助之后，单磨粒相对于工件的运动学发生改变，超声振动 的频率一般远大于砂轮的转动频率，即( 吐q ) ，因此，其相对速度和加速度 将发生改变，特别是加速度，其中相对速度可表示为： l 匕= 一只劬s i n ( 0 9 i t + f ) 一彳叻c o s a c o s l 7 s i n o ) 2 t 一召哆c o s a s i n r c o s c 0 2 t + v v y2 彳吐s i n a c o s l 7 s i n 吐f + b 0 0 2s i n a s i n r c o s 0 9 2 t ( 2 6 ) 【屹= 尺qc o s ( q f + f ) 一彳吐s i nq s i n t + 曰哆c o s l 7 c o s t 超声振动辅助磨削加工中单磨粒相对于工件的相对加速度为： k = 一j r 彳c o s ( ( o i t + ) - - a ( _ 0 2 2c o s a c o s r c o s r a 2 t + b 0 0 2 2c o s a s i n r s i n a ) 2 t a y = 彳喀s i n a c o s r c o s a ，2 t b 哆2s i n a s i n r s i n 0 9 2 t ( 2 7 ) l 吒= 一只彳s i n ( e g r e t + ) - a c 0 2s i nr c o s t - b 0 0 2c o s l 7 s i nc 0 2 t 2 3 超声振动辅助磨削加工的切屑生成分析 2 3 1 磨削加工的切屑生成与定义 磨削加工中很多磨粒同时参与切削工作。单磨粒的切削类似于单点工具 的切削动作。图2 3 所示为切屑形成的示意图。当后续磨粒轨迹与前面磨粒 轨迹之间的干涉部分就形成了名义的切屑。 图2 3 磨削加- i - 的切屑生成示意图 为分析超声振动辅助磨削加工的切屑形成，这罩假设砂轮表面的磨粒是 平均分布的，前后磨粒( i 和i i ) 之间的平均距离( 也称为连续切削点问距) 为 a ，两磨粒之问的中心夹角为r o 。假设磨粒i 相对于工件的运动轨迹可由公 厦门人学博i - 4 研究报告第二章t 件超声振动辅助磨削加t 运动学分析 式( 2 4 ) 表示，则磨粒i i 的运动轨迹为： 通过计算两条轨迹的干涉部分，如图2 4 所示，可得名义切屑的厚度。 图2 4 磨削加工中名义切屑的厚度 c h i pa r e a a a 磨削加工中，单磨粒与工件之间的切削可分为三个阶段，如图2 4 所示，在第 一阶段，磨粒与工件进入接触，此时只发生材料的弹性变形，随着接触的深入， 在法向力随变形增加的作用下，法向应力超过材料的塑性屈服应力，磨粒与工件 的作用进入第二阶段，即发生塑性流动变形，当磨粒与工件之间的作用超过临界 的切削深度时，将进入第三个阶段，即脆性断裂变形。 2 3 2 超声振动辅助磨削加工名义切屑厚度的计算 常规磨削加工中名义切屑厚度的模拟通常是假设砂轮上的磨粒都是均匀分 御的【9 3 1 ，单磨粒在一个周期内运动轨迹为一个圆形，而直接通过前后磨粒的运 动轨迹计算得到。 在超声振动辅助加工中，由于超声振动的引入，单磨粒的相对运动轨迹不 能再认为是一个近似的圆形。由前述分析，磨粒i 的运动轨迹i 由式( 2 4 ) 表示， 则磨粒i i 的运动轨迹i i 为： l x l ( t ) = r c o s ( 0 ) l t + f ) + a c o s o f c o s r c o s 0 ) 2 1 一b c o s o ! s i n r s i n 伤f + w y i ( f ) = 一as i n 口c o s l 7 c o s 0 ) 2 t + b s i n c t s i ni s i n0 ) 2 t( 2 9 ) i 刁( f ) = r s i n ( 0 ) i t + f ) + 么s i n 7 c o s 哆，+ b c o s 刁s j n 啦，+ 月 则椭圆振动平面与磨削方向夹角( 口= 0 ) 为零情况下的轨迹干涉厚度为： 矽 0 m r m 肌 皿 ， 哆 卜 哆妒呱溉鲰m 口 h 7 u 叼咖哆 眦 | 拿淼啪 a 卜 吼 + 哆扎 、l，、j 傩砂 卜印卜 f c 卜 叩佻州 h 眦h 瞄心口 超声振动辅助磨削加t 理论及多晶辟材料的磨削实验研究 艘) = z i ( ) 一啪) 砒饥删= 水) ，i 啡) a n dz n ( ) ( 2 1 0 ) ( f ) = j i l 0 一z i i ( f ) w h e nx 1 ( t ) = x l l ( f ) ，i f z i ( f ) h oa n d z i i ( f ) h o 、 7 其中：表示名义切深。 2 3 3 名义切屑厚度的求解方法 超声振动辅助磨削加工中名义切屑厚度的求解数值方法如图2 5 所示。 给定超卢振动辅助 磨削加：的参数 求t 3 ，