微细超声加工文献阅读报告.docx

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微细超声加工文献阅读报告

微细超声加工文献阅读报告

1.前言

近年来，随着航天工业，集成电路，电子计算机，生物医药等领域的发展，产品的微型化越来越收到重视，对微型高精度产品的需求也越来越大，而传统的加工方法已经不能满足这些产品的技术要求，因此研究微细加工具有重要意义[]。

国际生产工程科学院的物理化学加工工艺科学技术委员会将微细加工定义为加工工件的尺寸范围在1um到500um之间的加工技术。

微细加工能够实现的两个重要条件是材料去除单元小和加工设备的精度高。

目前的微细加工技术主要有微细电火花加工、微细激光加工、微细超声波加工、微细切削、LIGA、微细铸造、微细研磨、微细冲压等加工技术[]。

随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在航天，微电子，微器械等行业的广泛应用，对脆硬材料的高精度微细加工技术成为一个重要的研究领域。

目前适用于脆硬材料微细加工的方法主要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工等特种加工技术。

超声加工与电火花、电解、激光等加工技术相比，既不依赖于材料的导电性又没有热物理作用，与光刻加工相比则可加工具有高深宽比的三维形状，这决定了超声加工技术在陶瓷、半导体硅等非金属脆硬材料加工方面有着得天独厚的优势，所以研究微细超声加工对一个国家的航天技术，军事能力，医疗水平和信息化程度的提高具有重要意义[]。

本文着重介绍微细超声加工的机理，发展历程及现状，工艺特性，本人课题及下学期研究计划。

2.超声波特性

超声波是声波的一种，具有声波传播的基本规律可以在气体、液体、固体介质中纵向传播。

和可听声波相比，超声波由于频率高，频率超过20kHz，其传播的方向性较强；在传播过程中，介质质点振动的加速度非常大；在液体介质传播时，当超声波的强度达到一定值后会产生空化现象。

因此这些特点使得超声波在相当广阔的领域里得到应用，如超声车削，超声抛光，超声钻孔，超声复合加工等[]。

3.超声加工的材料去除机理研究

上个世纪50年代以来，在超声波加工的材料去除机理及加工输入参数（超声振幅、超声频率、磨料类型、磨料粒度、悬浮液浓度、基液种类、轴向静载荷、进给速度、工具转速、工具材料、工具韧性、工具的直径、工具的长度、工件硬度、工件韧性等）对加工结果（材料移除速率MRR，工件的表面质量，工具的磨损）的影响方面，很多学者做了大量的研究和实验。

传统的超声加工是利用工具端面做超声振动，通过磨料悬浮液加工硬脆性材料的一成型方法。

在工具和工件间加入液体（煤油或水等）和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力轻轻作用在工件上，由换能器产生超声频率的纵向振动，并通过变幅杆将振幅放大到0.05一0.lmm左右（对于微细超声加工而言，换能器产生的振幅足以达到微细加工要求，因此不再需要变幅杆[]），驱动工具端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨粒以一个非常大的速度和加速度不断地锤击、抛磨被加工表面，从而将被加工表面的材料粉碎成很细的微粒，从工件上去除。

尽管每次去除的材料很少，但是由于具有很高的频率，所以仍具有一定的加工速度。

与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和空化作用，促使工作液进入被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。

此外，正负交变的液压冲击波也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环流动，使变钝的磨粒及时得到更新[]。

T.B.THOE等人在前人的基础上总结了材料去除的机理，如图1所示，这些方法包括：

（1）磨粒直接撞击工件表面来去除金属；

（2）自由运动的磨粒在工件表面的微切削作用；

（3）空化作用；

（4）与所用液体发生的化学反应[]；

图3-1THOE总结的超声加工机理

日本宇都宫大学Y.Ichida等人提出超声加工材料的去除共有三种模式，如图2.ModeA指工件表面材料被空穴破裂产生的冲击力移除。

ModeB指空穴破裂产生的冲击力激励磨粒，使磨粒撞击和刮擦工件表面从而移除金属。

ModeC指磨粒被声流驱动，撞击工件表面来移除金属。

研究发现，三种模式造成的加工痕迹的大小依次是ModeA-B-C。

在ModeC下甚至能加工出纳米级别的沟壑，宽40-60nm，深3-6nm。

作者提出，如果可以使加工过程中不出现空穴，使加工只在ModeC下进行，就可加工出具有纳米级别粗糙度的工件。

因此作者认为今后很有必要研究下ModeC的加工机理[]。

图3-2超声材料去除机理

太原理工大学的G.Ya等人研究了RUSM的材料去除机理。

他们将工具端面和外圆柱面镶上磨粒，工具做超声频震动并同时转动，工件放在平台上，可以做两个方向的移动并被CNC系统控制。

图3-3RUM加工图示图3-4RUM加工中磨粒运动

讨论了单个磨粒在冲击工件时的运动状态。

研究发现在RUSM中材料的去除机理有三种：

磨粒的冲击（impacting），磨擦（abrasion），超声空化效应（ultrasoniccavitation）。

作者运用弹性力学和赫兹理论分析了裂纹的产生、传播到材料去除的6个阶段，并推导出每次震动磨粒去除的材料的体积公式和材料去除速度公式

。

得出结论MRR值大小与进给力，磨粒大小，集中度，工件和工具材料的机械特性，工具的转速，进给速度等有关系[]。

T.C.Lee*,C.W.Chan通过高速摄像机来观察材料的去除机理，研究者发现工件在磨粒的撞击下，表层破碎成很小的颗粒，同时空化效应在材料的移除上也发挥了很大的作用。

材料的去除全程包括以下六个过程：

（a）磨粒的撞击在工件表面产生一个非弹性变形区，即压痕（b）当压力达到某个临界值时，非弹性变形区出现微小裂纹，叫做中间裂纹（c）随着进一步的加压，中间裂纹逐渐变大（d）在减压过程中，中间裂纹开始闭合，从而产生内部小孔（e）当减压完成时，小孔继续扩张，从而引起碎屑被剥离工件表面。

图3-5裂纹产生的过程图3-6压力下局部变形与裂纹的产生过程

他们还研究了加工过程中工具对每个有效磨粒所施加的撞击力与进给力与振幅之间的关系并推导出公式。

同时研究了加工速率、加工工件的光洁度与振幅，进给力和磨粒尺寸的关系，得出结论，当增大进给力，振幅或磨粒尺寸时，会使MRR增大，但同时会降低工件的光洁度。

当进给力增大到某个临界值时，再增大进给力，MRR并不会继续增大[]。

USM加工中，当进给力达到某一极限值是，加工速率（MRR）就不再随着进给力的增大而增大。

学者Z.Yu等提出出现这种现象是由于积屑累积造成的。

在一次振动中（约25us），碎屑不能完全地从加工区域被移除，故不断累积，致使每次振动中，有一部分或全部进给力消耗在撞击积屑上，而不是消耗在移除材料上。

通过建立理论模型，计算出至Δh≤0时的撞击次数。

撞击次数越多，则移除积屑的时间越多，积屑越不容易接触工具，故加工速率高，进给力越大，撞击次数越少，故当进给力达到某一极限值时，加工速率开始降低。

同时他们还通过实验验证了这一结论[]。

图3-7磨粒嵌入工件与工具示意图

美国伊利诺斯大学的Z.J.Pei等人提出，在RUM加工中,工件材料的去除并不总是因为脆性破裂，在某些条件下材料塑性变形也能成为材料去除的主要方式。

他们通过整理相关文献，发现在加工硬脆材料时，有时候会因为加工条件的改变而使材料在去除过程中兼有脆性破裂和塑性变形且随着加工条件的改变，二者的比例也会发生改变。

并提出今后应该在实验的基础上研究加工参数与脆塑比例之间的关系[]。

4.微细工具在线制备系统

由于微细超声加工中微细工具的损耗严重、微细工具装夹会引起偏心误差，因此微细超声加工装置必须具有微细工具的在线制备及修复功能。

1984年，日本东京大学增泽隆久教授等人开发出线电极放电磨削（WireElectro-DischargeGrinding，简称WEDG）技术，成功地解决了微细工具电极在线制作这一瓶颈问题，使微细电火花加工技术进入了实用化阶段，成为微细加工领域热点研究内容之一。

线电极电火花磨削微细工具的工作方法如图所示．线电极磨削丝缓慢沿走丝导向器上导槽面滑移，装在主轴头上的工具电极一边随主轴旋转一边做轴向进给．工具电极的成形是通过线电极丝和被加工工具电极间的放电加工来实现的。

主要有如下特点：

1）消除了工具电极的偏心，保证了加工后微细工具与主轴的回转精度;

2）通过控制主轴的转动，可加工出圆柱状、多边形截面及螺旋状等多种形状的微细工具:

3）由于线电极连续运动，所以线电极的损耗对工具电极加工的影响较小

图4-1WEDG加工原理示意图

5工艺特性的研究

5.1各种加工参数对MRR影响

MRR指材料移除率（MaterialRemovalRatio），在超声加工中用每分钟能够加工的深度来表示。

关于影响MRR的参数，很多学者在这方面作了大量的实验和研究，表明影响MRR的参数很多，主要有工具振动的振幅和频率，工具对工件的静压力（即进给压力），磨料悬浮液，工具和工具的材质、加工面积及深度，磨粒尺寸、材料、硬度，RUM，积屑等。

下面来一一说明。

5.2超声振动振幅对MRR的影响

振幅ξ的测量方法很多,常用的测量方法有工具显微镜直接测量法、激光多普勒测量法、加速度计法、光电测振法、量楔测示法、简易监测法等。

大连理工大学冯冬菊等人提出了一种利用简单工具塞尺对超声加工中振幅进行简易测量的方法[]。

大连理工大学的安成明利用实验室机床的接触感知功能对工具振幅进行了间接测量。

在其他条件不变的情况下，最理想的振幅应约等于磨料的平均直径，这样才能得到最大的加工速度[]。

学者Shaw认为MRR∝ξ3/4,还有一些学者认为MRR∝ξ，另有部分学者研究认为在恒定的进给压力和震动频率下MRR∝ξ2。

总之，在其余加工参数不变的情况下，MRR随着振幅的增大而增大，但存在一个极值，当振幅超过这个值时，MRR开始下降，如图所示。

5.3超声振动频率对MRR的影响

研究人员发现，当振幅不变，频率在400HZ以下时，MRR∝f2，当频率在400HZ与5KHZ之间时，MRR与f之间呈现线性关系，但超过一个临界值时，MRR则随着f的增大而减小。

5.4加工进给力对MRR的影响

Rozenberg等人及Kainth等人发现，在其他加工参数不变的情况下，当加工力从0开始增大时，MRR与加工力F之间呈现近乎线性关系，但是当加工力F超过某个临界值时，MRR开始下降，出现这种现象的原因可能是由于加工力太大，使工具与工件之间的间隙减小，这样使得能够进入加工区域的磨粒尺寸减小，同时工作液循环能力减弱，从而使得MRR降低。

学者余祖元提出造成这种现象的主要是由积屑引起的，并建立了理论与实验模型，表明当产生积屑时，一部分进给力消耗在了撞击积屑上，而不是用在移除工件金属上，从而降低了MRR，研究还发现磨料的尺寸是影响工件表面粗超度的主导因素。

一些学者研究发现，最大的MRR值与工具的形状、平均磨粒尺寸、振幅等相关[]。

学者Kops研究发现，当加工力F低于最大值时，工具和磨粒的磨损减小，从而提高了工具寿命。

图5-1工具截面形状对MRR的影响

5.5磨粒和加工液对MRR的影响

磨粒材料的硬度应该高于工件的硬度[]。

一般情况下，大的磨粒尺寸和高的工作液重量浓度（工作液中磨粒的重量与溶液重量的比值）都能产生高的MRR[]，慢慢地增大磨粒尺寸或是工作液重量浓度都能达到一个最大的MRR值，但此时若再增大磨粒尺寸或工作液重量浓度都会使磨粒难以进入加工区域，从而使MRR值降低。

很多学者发现最佳的工作液重量浓度为30%。

Kazantsev发现，强制工作液循环能够使MRR增加5倍有余，而不需要增加磨粒尺寸或是机器功率。

当工作液循环系统采用吸泵系统时，可使MRR值增加2-3倍。

对于工作液的溶液而言，水一般比大多数的油，苯或甘油和水混合液要好。

学者Pentland和其他一些学者发现，通过改善悬浮液循环系统可有效减少甚至抑制空化效应和工作液的污染和堵塞现象。

5.6工件材料对加工性能的影响

尽管USM既可以加工硬脆材料，也可以加工韧性材料，但硬脆材料的加工性能更好。

硬脆材料在加工时发生脆性断裂从而被加工成所需形状，而韧性材料在加工时发生韧性剪切变形，磨粒容易嵌入工件中，从而难以加工。

通过降低工件材料的韧性，或增大工具的硬度H与其杨氏模量E的比值可以提升MRR，如图所示。

图5-2在USM与RUM中各种材料的H/E对MRR的影响

5.7工具对MRR的影响

有研究发现MRR与工具的形状系数（工具截面周长与面积的比值）成正比关系，工具的形状系数决定了工具对工作液循环流动的阻力大小。

在相同的截面面积下，使用三角形截面的工具产生的MRR比使用正方形截面工具产生的MRR要大，如图所示。

Goetze研究发现，在相同的截面面子下，截面周长大的工具产生的MRR值要大，这主要是由于小周长的工具没有充分地搅拌加工区域中的工作液，致使工作液循环受阻。

对于小截面积的工具来说，要获得更好的MRR,调整进给力变得更加重要，且在其他条件不变的情况下，面积越小MRR越大。

工具材料的硬度对MRR，工具磨损率等都有影响。

Komaraiah[]等人按照材料的优越性将工具材料做如下排序：

尼孟镍克合金，敷钍钨，银亮钢，不锈钢，马氏体时效钢，钛，低碳钢。

学者Neppiras对工具材料做了如下排序：

碳化钨，黄铜，低碳钢，银亮钢，不锈钢，红铜。

顶端镶有金刚石的工具在加工时表现出很好的加工特性，能够较快地加工工具，且工具磨损率低[]。

图5-3相同截面面积下，不同截面形状的工具对MRR的影响

5.8各种加工参数对工具磨损的影响

在USM中,工具磨损是一个非常重要的加工参数,它影响到MRR和加工出孔的精度。

工具磨损可以分为轴向磨损WL和径向磨损WD。

Adithan和Venkatesh发现，当进给力达到一个值时，会产生最大的工具磨损速度，且此时MRR也近乎达到最大，再增加进给力时，MRR开始下降。

磨粒越硬越粗糙，工具磨损也越大。

工件的硬度和韧性也会影响工具的磨损，如钢化的陶瓷的超声加工性能较差，并造成较大的工具磨损和磨粒磨损。

加工硬化会提升工具的硬度，使嵌入工具中的磨粒减少从而增大MRR。

同时加工时，加工区域的外围金属被移除的较多，从而在工件上造成了一个凸面的形状，在工具端面造成塑性变形从而使工具端面形成外凸的球状。

对所有的工具材料而言，工具端面外围的加工硬化程度最严重而中心处的加工硬化程度最弱。

因此，较软的材料不适宜作为工具，而较硬的材料如WC则能减小工具磨损[]。

若工具材料的硬度值H和冲击强度值Ki的乘积很大（如镍铬80A），则该种材料的工具轴向磨损WL很小如图所示。

工具材料的硬度对径向磨损WD影响很大。

在对耐磨工具材料进行一番评估后，镍铬80A、敷钍钨和银亮钢的性能脱颖而出，能够很大程度上降低工具的磨损。

增加钻孔深度和钻孔时间，使工具磨损量呈线性增长。

图5-4硬度与冲击强度乘积对工具轴向磨损的影响

5.9各种加工参数对工件精度的影响

USM不会产生大量热量，因此不会造成工件表面热损伤或残余应力。

磨粒的尺寸对加工工件的精度和表面光洁度有很大影响。

减小磨粒尺寸可使加工出的孔表面粗糙度值降低，提高孔的加工精度，且孔底面的光洁度比孔壁的光洁度要高。

Dam等人发现降低进给速度和加工深度可以获得较好的表面粗糙度。

Kennedy等人指出，之所以难以加工出平整的孔底面是由于加工区域工作液的不平均分配造成的，致使加工中心区的活动磨粒很少。

USM的加工精度必须考虑尺寸精度（尺寸过大）和形状精度（不圆度和锥度）。

在孔入口处的尺寸过大最严重，且随着加工深度的增加而增加。

深径比的增加会使径向跳动增大从而产生更大的尺寸误差。

Shaw以及其他一些学者发现，适当增大进给力会提升工件的表面光洁度，因为适当大的进给力可以抑制径向跳动，从而提升加工质量。

Adithan等人发现钻三角形孔的尺寸超出量比钻圆形孔的尺寸超出量要大，且工件材料H/E值越高，越易产生大的不圆度。

增大增幅，或使用粗磨粒或增加加工深度都会使表面粗超度值增大。

Kremer等人在用USM加工石墨时发现表面粗糙是由空化作用和石墨碎片的积累造成的。

Markov得出结论表面粗超度正比于MRR，Komaraiah等人总结出表面粗糙度正比于工件材料的（H/E）n。

在某些精加工中，使用油液来代替水可以提升表面光洁度但却降低了加工速度。

当需要制作高精度工件时，该工件必须要用几个阶段来加工。

磨粒尺寸越小，加工出的表面越光洁。

5.10其他加工条件下影响MRR因素

RUM加工是将USM与金刚石磨削结合的加工技术，加工速率比同等条件下金刚石磨削加工快6-10倍，比同等条件下USM加工快约10倍。

加工原理示意图如下。

图5-5RUM加工示意图

在RUM加工中，前人在研究加工参数（进给力、振幅、磨粒尺寸、磨粒个数、旋转速度）对MRR的影响时，采用的均是一次改变一个变量。

为了研究影响MRR诸参数相互之间的作用关系，美国堪萨斯州立大学的P.Hu等人设计了一个5因素（进给力、振幅、磨粒尺寸、磨粒个数、旋转速度）2水平（高低）的正交试验。

得出与前人一致的结论：

对MRR影响最显著地加工参数是：

进给力，振幅和磨粒尺寸，其中进给力影响最大。

而磨粒个数和旋转速度对MRR影响不大。

加工的最佳条件是较大的进给力，较大的振幅和磨粒尺寸[]。

图5-65因素2水平正交试验列表

6.超声波加工发展概况

日本是最早研究超声加工技术的国家，20世纪50年代已经设立专门的振动切削研究所，许多大学和科研机构也都设有这个研究课题。

日本研究超声加工的主要代表人物有：

中央大学的岛川正晖教授，宇都宫大学的隈部淳一郞教授等。

原苏联、美国、德国和英国等国家在20世纪50年代后都对超声加工技术进行了大量研究，并发表了许多有价值的论文，在生产中也得到了积极的应用。

我国超声加工技术的研究始于20世纪50年代末。

20世纪到本世纪初的十几年间，我国的超声加工技术发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究，尤其是在金刚石、陶瓷、玛瑙、玉石、淬火钢、模具钢、花岗岩、石英、玻璃和烧结永磁体等难加工材料领域解决了许多关键性问题，取得了良好的效果。

几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果[]。

6.1WEDG方法的提出：

由于微细超声加工中微细工具的损耗严重、微细工具装夹会引起偏心误差，因此微细超声加工装置必须具有微细工具的在线制备及修复功能。

1984年，日本东京大学增泽隆久教授等人开发出线电极放电磨削（WireElectro-DischargeGrinding，简称WEDG）技术，成功地解决了微细工具电极在线制作这一瓶颈问题，使微细电火花加工技术进入了实用化阶段，成为微细加工领域热点研究内容之一。

WEDG在第4部分已经做过详细论述。

6.2工件加振方法的提出：

为了解决微细超声加工中微细工具的难以制备和难以安装，以及传统USM中由于换能器等与工具装在一起而造成的加工时工具有大的离心率等问题，1999年日本东京大学的KaiEgashira和TakahisaMasuzawa提出使用工件加振的方法来避免工具系统过于庞大而降低钻孔精度，简化了工具系统，并使得工具的设计更加自由。

他们开发出了具有在线制备工具功能并通过工件进行加振的微细超声加工装置，第一次加工出了直径为5um的小孔，如图所示。

并提出使用烧结金刚石作为工具材料可以很大程度上减少工具的磨损[]。

图6-1工件加振设备图6-2使用工件加振钻出的5um的孔

6.3均匀磨损法的提出

1999年日本东京大学学者Z.Y.Yu提出均匀磨损法。

在用电火花加工时，通过分层加工，选择适当的路径使工具的均匀损耗，就可以利用简单的工具，如圆柱状电极来加工三维结构。

此方法的关键在于计算出每层加工时工具的磨损量及时进行补偿，同时选择适当的加工路径，使工具磨损均匀[]。

2004年，余祖元等将均匀损耗法应用于微细超声加工，并用直径50um的工具在硅表面加工出了中间带有1/8球体的型腔[]

图6-3分层加工方法示意图

图6-4工具加工路径

6.4阵列电极钻孔方法的提出

为了解决微细超声在钻阵列孔时效率低的问题，EGASHIRAKai等人开发出阵列电极工具。

工具的制作分为四步：

1.用WEDG加工出一个小电极。

2.拿此电极作为工具用电火花加工方法在铜片上钻出阵列孔。

3.拿此铜片作为阴极，使用超声辅助电火花加工，在硬质合金上加工出阵列电极。

并用此阵列电极作为工具，使用超声加工出阵列孔。

实验结果显示，使用阵列工具加工，平均每个孔的加工时间比使用单个工具的钻孔时间要少很多。

下图显示了阵列电极的加工过程[]。

图6-5阵列电极的加工步骤图6-6阵列电极及其钻出的阵列孔

7参考文献