壓電超聲輔助研磨拋光技術研究進展

黃衛清，寧青雙，安大偉, 楊成龍

(廣州大學 機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

表面研磨拋光是機械加工領域中必不可少的關鍵工序，目的是去除由前工序殘留下來的表面微缺陷及表面損傷層，以獲得表面平整度高及表面粗糙度極低的工藝要求，工件表面的研磨質量直接影響工件的使用性能和壽命。研磨拋光工藝實現形式簡單，由于硬脆性材料具有高硬度、低斷裂韌性及化學惰性大等特點，對其進行普通研磨拋光時很難獲得理想的加工效率和優越的表面質量等問題[1-4]。隨著越來越多高性能新材料包括先進陶瓷、單晶硅、藍寶石等在航空航天、電子信息、國防軍工等行業領域，尤其在精密與超精密加工領域上的應用，傳統研磨拋光加工工藝的問題表現更突出，嚴重制約著這些高性能先進材料的加工效率與表面質量[5-6]。

針對普通研磨拋光存在的問題，國內外專家學者相繼提出了一些不同原理的研磨拋光硬脆材料方法，常用的有化學機械拋光法[7]、激光拋光法[8]、磁流變拋光[5]及超聲復合振動拋光法[9]等?；瘜W機械拋光法原理是拋光漿料在晶片與拋光盤間連續流動，利用磨粒與工件表面產生機械化學作用，新拋光漿料補充進來，反應產物隨拋光漿料帶走，不會對加工件造成物理損傷，可實現材料表面的高平坦化加工，但加工過程中材料去除效率低、拋光液浪費嚴重，且對環境影響較大。激光拋光是利用激光的高溫作用使材料表面溫度迅速升高熔化，通過控制熔化后材料的流動和冷卻速率來實現工件的拋光效果，對環境的污染小，可實現局部拋光，且“激光工具”不會損壞，但激光拋光存在著設備價格和加工成本高，加工過程中的檢測技術和精度控制技術要求較高等缺點。磁流變拋光屬于柔性拋光法，基本原理是在外加磁場的作用下，磁流變液形成具有一定硬度的粘塑性流體，拋光磨粒通過剪切作用使工件表面產生微裂紋，但其材料去除機理尚無定論。

近年來，隨著壓電超聲技術的發展，壓電超聲輔助研磨拋光技術在硬脆性材料加工領域中應用日趨廣泛[10-13]。本文介紹了壓電超聲輔助研磨拋光的特性，分析了壓電超聲輔助研磨機理及材料去除機理，綜述了國內外采用壓電超聲輔助研磨拋光硬脆材料的研究進展，為新材料表面的精整和光整加工提供參考。

1 壓電超聲輔助研磨拋光技術

20世紀50年代末首次引入超聲振動加工技術，隈部淳一郎教授最早提出在刀具上施加振動并進行工藝試驗驗證，在20世紀80年代，陶瓷材料的應用越來越廣泛，因此，他提出將超聲振動應用于傳統機加工方式中，形成了超聲輔助車削、超聲輔助磨削、超聲輔助鉆削及超聲輔助銑削等超聲復合加工工藝[10]。

近年來，超聲振動被逐漸應用到材料表面的研磨拋光工藝，與傳統研磨工藝相比，超聲研磨更適用于低斷裂韌性材料的加工，有效改善了傳統機加工工藝性能。壓電超聲研磨振動系統是超聲研磨工藝系統的核心，主要由超聲電源、壓電超聲振子、工具頭及研磨平臺等組成，工作原理是利用超聲波產生的高頻振動能，通過壓電換能器將高頻振蕩轉換為機械振蕩，變幅桿將機械能振蕩振幅放大，根據加工振幅需要設計合適的研磨工具將變幅桿連接起來，從而使研磨工具端面或工件產生高頻機械振蕩[14-16]。其中研磨液的超聲空化作用可以對研磨頭進行動態清洗，提高加工效率，可充分發揮硬研磨工藝特點。

1.1 研磨機理

普通研磨時，在研磨壓力作用下，顆粒大的磨粒率先嵌入加工表面，整個研磨過程相當于刨削，加工效率較低，工件表面粗糙度較高。而施加壓電超聲振動研磨時，由于工件或工具的高頻機械振動，不同大小的磨粒迅速得到很大的瞬時速度和加速度，局部產生很高的能量，對工件表面產生銑削效果[17]。

當施加超聲振動時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，工具和自由磨粒對工件的高速沖撞，在工具端面的瞬態位移方程為

x(t)=Asin(2πft)

(1)

式中：A為工具頭振幅；f為振動頻率;t為振動工作時間。

由式(1)可得工具頭端面的瞬態速度方程式和瞬態加速度方程式為

(2)

(3)

此外，超聲研磨過程中所產生的能量有一部分是通過研磨顆粒的破碎和研磨液的空化作用來實現的。

1.2 材料去除機理

根據壓痕斷裂力學可知，材料去除方式主要包括脆性斷裂和塑性去除兩種方式[18]，超聲振動研磨拋光過程中，主要以脆性斷裂去除為主，塑性去除為輔。

工件表面材料的脆性斷裂機理為

(4)

(5)

(6)

式中：CL為橫向裂紋；Cr為縱向裂紋；Fg為單顆磨粒對工件的壓載；hi為橫向裂紋深度；Hw為工件材料的硬度；kc為斷裂強度；ζ1，ζ2，ζ3為比例系數。

2 壓電超聲輔助研磨拋光方法的研究現狀

隨著國內外研究人員的不斷探索，逐漸發展出多種不同的超聲振動輔助研磨拋光方法。一般根據磨料在工作中的運動方式可分為游離磨料超聲研磨和固結磨料超聲研磨[19]；根據壓電振子的振動方式可分為一維壓電超聲振動研磨和二維壓電橢圓超聲振動研磨等。

2.1 游離磨料超聲研磨

游離磨料超聲振動研磨技術是在拋光盤和工件表面間加入磨料，在超聲振動的作用下通過磨粒的振動與滑擦，對工件進行拋光[20]。Suzuki等[21]研制了一種新型的超聲振動輔助拋光機來加工微型碳化鎢模具，采用游離磨料和微球形聚氨酯拋光頭，在恒壓下對工件表面橫向施加超聲振動，經過對碳化鎢模具進行拋光試驗，得到表面粗糙度可達7 nm。但由于研磨過程中加入磨粒與工件表面接觸不均勻，會導致磨粒浪費和研磨加工精度難以保證等缺點。

2.2 固結磨料超聲研磨

固著磨料超聲研磨技術是將磨粒附著在研磨盤或拋光墊上，較好地解決了傳統游離磨料研磨效率低，磨料浪費嚴重，研磨質量不易控制等缺點[22]。張云電等[23]將超聲技術與固結磨具相結合通過優化聲學系統研制了超聲微研磨裝置，并成功應用于內孔珩磨機上，取得較好的效果。焦峰等[24]采用固著磨料對工程陶瓷進行壓電超聲輔助研磨，研究了磨料粒度、研磨參數和超聲振幅等對工程陶瓷表面粗糙度的影響，結果表明，與普通研磨相比，超聲輔助研磨獲得的表面粗糙度值減小。

2.3 一維壓電超聲振動研磨

一維壓電超聲振動研磨主要是利用壓電振子的縱向振動、扭轉振動和彎曲振動，將振動施加給工具或工件。張洪麗等[25]對一維超聲磨削壓電振子的3種振動模式分別進行了建模，經過分析表明，施加軸向和切向超聲振動表面粗糙度明顯優于徑向超聲振動，且證實了超聲振動有助于材料的塑性去除。Xu Wenhu等[26]采用壓電超聲彎曲振動輔助化學機械拋光技術對藍寶石基片進行拋光，綜合研究了拋光墊、二氧化硅磨粒及拋光液的pH值等因素對藍寶石基片加工的影響，并從運動學和動力學角度研究了彎曲振動對單晶硅磨粒、拋光墊和藍寶石基體相互作用的影響，結果表明，壓電超聲振動的作用是影響藍寶石材料去除率的主要因素。何勍等[27]通過改裝現有機床，研制出了一種可控轉速的行波超聲振動研磨拋光裝置，實驗表明，該裝置可完成不同工況下的超聲研磨拋光實驗。

2.4 二維壓電超聲振動研磨

二維橢圓超聲振動研磨是將壓電超聲橢圓振動附加于工具或加工工件，使工具端面相對于加工工件按橢圓軌跡進行振動，從而實現高頻間歇性高頻振動磨削。它是由兩個或兩個以上的單向壓電振動模態進行復合形成的，按照復合振動的模式來劃分，它大致可以分為彎曲模式、扭轉模式及縱-縱、縱-彎、縱-扭等振動模式[28]。

梁志強等[29]基于壓電振子的彎曲和伸縮兩種模態下研制了一種垂直型振動的二維超聲振動輔助研磨系統，該系統的超聲振子由金屬彈性體和壓電陶瓷粘合而成，研究表明，超聲振動研磨工件表面形成橢圓超聲振動，有效提高了金剛石砂輪的磨削性能，工件表面粗糙度明顯低于普通磨削的粗糙度，表面裂紋減少，延性域去除比例增加。陳濤等[30]設計了一種縱-彎復合超聲振動橢圓振動裝置，對光纖陣列組件進行了研磨拋光，實驗表明，超聲振動研磨拋光后的光纖端面粗糙度達到27.58 nm。Kobayashi等[31]通過對拋光墊施加橢圓超聲振動，拋光墊上研磨液內的磨粒以極高的加速度沖擊工作表面，獲得較高的材料去除率和良好的表面質量，與傳統研磨拋光法相比，采用橢圓超聲研磨拋光的單晶圓片邊緣表面粗糙度提高31.7%以上。

3 壓電超聲輔助研磨拋光技術的應用

隨著生產和科技的發展，不斷有高硬度、高性能以及其他優質特性的新材料被開發,并被應用到國民經濟的各個領域，而壓電超聲輔助研磨拋光技術很好地應用于對新材料的加工。

楊衛平等[32]研制的一種壓電超聲橢圓振動-化學機械拋光裝置對單晶硅材料開展了超聲波振動輔助拋光試驗，試驗結果表明，在超聲波振動輔助加工條件下，材料的去除率和表面質量有較大提高。Yu Tianbiao等[33]采用軸向超聲振動輔助加工方法應用于光學元件的拋光，并采用正交實驗法對超聲技工工藝參數進行優化，同時選取優化的工藝參數進行實驗驗證,得到工件材料去除率為1.102 mm/min，表面粗糙度為2.66 nm，研究表明，超聲振動輔助拋光系統在保證拋光表面質量的同時，提高了拋光效率，

肖強等[34]對k9光學玻璃進行了超聲振動研磨拋光，并從理論上分析了材料的去除機理，試驗表明，施加頻率為16～25 kHz的超聲振動后，其對光學玻璃去除率比不施加超聲振動加工材料提高約1.5倍，表面質量更好。Miura Takuya等[35]運用螺旋超聲輔助研磨技術對藍寶石晶片進行光整加工，結果表明，采用螺旋超聲輔助研磨技術可降低法向磨削力和切向磨削力，提高表面粗糙度。Zahedi等[36]對氧化鋁-氧化鋯陶瓷材料進行超聲振動表面研磨拋光，研究表明，應用超聲波振動研磨能耗可降低約35%。

4 結論

壓電超聲輔助研磨拋光技術的研究與應用對拓展超聲工程的應用領域，發展新材料的研磨拋光工藝具有重要作用。通過對近年來得到迅速發展和應用的壓電超聲振動研磨拋光技術進行了回顧、分析和總結，仍有一些問題有待進一步探討和研究：

1) 壓電超聲振動系統的設計理論和實驗研究還需進一步完善。在超聲鉆孔、超聲磨削及超聲珩磨應用研究中，一些學者對“局部共振”現象進行了試驗和研究，并基于局部共振理論，相繼提出了整體諧振設計和非諧振設計理論[37-40]，但機理研究尚停留在對實驗現象的定性推理上，理論分析尚未形成定論，因此，對基礎理論和系統設計參數等理論研究需要進一步加強。

2) 不同硬脆材料的超聲振動研磨拋光材料去除機理及處理后表面殘余應力等機理仍需研究與優化。隨著對具有高性能元件的需求迅速增加，材料拋光表面的質量控制對于保持其在一系列工程應用中的壽命和性能至關重要。因此，針對超聲工具振動幅值、磨削深度、工作臺進給速度等超聲研磨工藝參數對材料中磨削能、抗彎強度和裂紋擴展的影響具有重要意義。

3) 壓電超聲振動系統的穩定性，在硬脆材料的光整加工中，由于負載變化、工具磨損、換能器發熱等因素，會導致超聲系統阻抗特性發生變化，造成系統諧振頻率漂移和工具振幅衰減，進而影響到研磨精度、研磨效率和研磨過程穩定性。不同加工參數對平面度和表面粗糙度等拋光效果的影響、建立完善的理論模型、最優加工參數的確定和工藝、設備和拋光液的研究等日益成為今后的研究內容。