压电超声辅助研磨抛光技术研究进展

黄卫清，宁青双，安大伟, 杨成龙

(广州大学 机械与电气工程学院，广东 广州 510006)

0 引言

表面研磨抛光是机械加工领域中必不可少的关键工序，目的是去除由前工序残留下来的表面微缺陷及表面损伤层，以获得表面平整度高及表面粗糙度极低的工艺要求，工件表面的研磨质量直接影响工件的使用性能和寿命。研磨抛光工艺实现形式简单，由于硬脆性材料具有高硬度、低断裂韧性及化学惰性大等特点，对其进行普通研磨抛光时很难获得理想的加工效率和优越的表面质量等问题[1-4]。随着越来越多高性能新材料包括先进陶瓷、单晶硅、蓝宝石等在航空航天、电子信息、国防军工等行业领域，尤其在精密与超精密加工领域上的应用，传统研磨抛光加工工艺的问题表现更突出，严重制约着这些高性能先进材料的加工效率与表面质量[5-6]。

针对普通研磨抛光存在的问题，国内外专家学者相继提出了一些不同原理的研磨抛光硬脆材料方法，常用的有化学机械抛光法[7]、激光抛光法[8]、磁流变抛光[5]及超声复合振动抛光法[9]等。化学机械抛光法原理是抛光浆料在晶片与抛光盘间连续流动，利用磨粒与工件表面产生机械化学作用，新抛光浆料补充进来，反应产物随抛光浆料带走，不会对加工件造成物理损伤，可实现材料表面的高平坦化加工，但加工过程中材料去除效率低、抛光液浪费严重，且对环境影响较大。激光抛光是利用激光的高温作用使材料表面温度迅速升高熔化，通过控制熔化后材料的流动和冷却速率来实现工件的抛光效果，对环境的污染小，可实现局部抛光，且“激光工具”不会损坏，但激光抛光存在着设备价格和加工成本高，加工过程中的检测技术和精度控制技术要求较高等缺点。磁流变抛光属于柔性抛光法，基本原理是在外加磁场的作用下，磁流变液形成具有一定硬度的粘塑性流体，抛光磨粒通过剪切作用使工件表面产生微裂纹，但其材料去除机理尚无定论。

近年来，随着压电超声技术的发展，压电超声辅助研磨抛光技术在硬脆性材料加工领域中应用日趋广泛[10-13]。本文介绍了压电超声辅助研磨抛光的特性，分析了压电超声辅助研磨机理及材料去除机理，综述了国内外采用压电超声辅助研磨抛光硬脆材料的研究进展，为新材料表面的精整和光整加工提供参考。

1 压电超声辅助研磨抛光技术

20世纪50年代末首次引入超声振动加工技术，隈部淳一郎教授最早提出在刀具上施加振动并进行工艺试验验证，在20世纪80年代，陶瓷材料的应用越来越广泛，因此，他提出将超声振动应用于传统机加工方式中，形成了超声辅助车削、超声辅助磨削、超声辅助钻削及超声辅助铣削等超声复合加工工艺[10]。

近年来，超声振动被逐渐应用到材料表面的研磨抛光工艺，与传统研磨工艺相比，超声研磨更适用于低断裂韧性材料的加工，有效改善了传统机加工工艺性能。压电超声研磨振动系统是超声研磨工艺系统的核心，主要由超声电源、压电超声振子、工具头及研磨平台等组成，工作原理是利用超声波产生的高频振动能，通过压电换能器将高频振荡转换为机械振荡，变幅杆将机械能振荡振幅放大，根据加工振幅需要设计合适的研磨工具将变幅杆连接起来，从而使研磨工具端面或工件产生高频机械振荡[14-16]。其中研磨液的超声空化作用可以对研磨头进行动态清洗，提高加工效率，可充分发挥硬研磨工艺特点。

1.1 研磨机理

普通研磨时，在研磨压力作用下，颗粒大的磨粒率先嵌入加工表面，整个研磨过程相当于刨削，加工效率较低，工件表面粗糙度较高。而施加压电超声振动研磨时，由于工件或工具的高频机械振动，不同大小的磨粒迅速得到很大的瞬时速度和加速度，局部产生很高的能量，对工件表面产生铣削效果[17]。

当施加超声振动时，由于压电陶瓷的逆压电效应，工具和自由磨粒对工件的高速冲撞，在工具端面的瞬态位移方程为

x(t)=Asin(2πft)

(1)

式中：A为工具头振幅；f为振动频率;t为振动工作时间。

由式(1)可得工具头端面的瞬态速度方程式和瞬态加速度方程式为

(2)

(3)

此外，超声研磨过程中所产生的能量有一部分是通过研磨颗粒的破碎和研磨液的空化作用来实现的。

1.2 材料去除机理

根据压痕断裂力学可知，材料去除方式主要包括脆性断裂和塑性去除两种方式[18]，超声振动研磨抛光过程中，主要以脆性断裂去除为主，塑性去除为辅。

工件表面材料的脆性断裂机理为

(4)

(5)

(6)

式中：CL为横向裂纹；Cr为纵向裂纹；Fg为单颗磨粒对工件的压载；hi为横向裂纹深度；Hw为工件材料的硬度；kc为断裂强度；ζ1，ζ2，ζ3为比例系数。

2 压电超声辅助研磨抛光方法的研究现状

随着国内外研究人员的不断探索，逐渐发展出多种不同的超声振动辅助研磨抛光方法。一般根据磨料在工作中的运动方式可分为游离磨料超声研磨和固结磨料超声研磨[19]；根据压电振子的振动方式可分为一维压电超声振动研磨和二维压电椭圆超声振动研磨等。

2.1 游离磨料超声研磨

游离磨料超声振动研磨技术是在抛光盘和工件表面间加入磨料，在超声振动的作用下通过磨粒的振动与滑擦，对工件进行抛光[20]。Suzuki等[21]研制了一种新型的超声振动辅助抛光机来加工微型碳化钨模具，采用游离磨料和微球形聚氨酯抛光头，在恒压下对工件表面横向施加超声振动，经过对碳化钨模具进行抛光试验，得到表面粗糙度可达7 nm。但由于研磨过程中加入磨粒与工件表面接触不均匀，会导致磨粒浪费和研磨加工精度难以保证等缺点。

2.2 固结磨料超声研磨

固着磨料超声研磨技术是将磨粒附着在研磨盘或抛光垫上，较好地解决了传统游离磨料研磨效率低，磨料浪费严重，研磨质量不易控制等缺点[22]。张云电等[23]将超声技术与固结磨具相结合通过优化声学系统研制了超声微研磨装置，并成功应用于内孔珩磨机上，取得较好的效果。焦峰等[24]采用固着磨料对工程陶瓷进行压电超声辅助研磨，研究了磨料粒度、研磨参数和超声振幅等对工程陶瓷表面粗糙度的影响，结果表明，与普通研磨相比，超声辅助研磨获得的表面粗糙度值减小。

2.3 一维压电超声振动研磨

一维压电超声振动研磨主要是利用压电振子的纵向振动、扭转振动和弯曲振动，将振动施加给工具或工件。张洪丽等[25]对一维超声磨削压电振子的3种振动模式分别进行了建模，经过分析表明，施加轴向和切向超声振动表面粗糙度明显优于径向超声振动，且证实了超声振动有助于材料的塑性去除。Xu Wenhu等[26]采用压电超声弯曲振动辅助化学机械抛光技术对蓝宝石基片进行抛光，综合研究了抛光垫、二氧化硅磨粒及抛光液的pH值等因素对蓝宝石基片加工的影响，并从运动学和动力学角度研究了弯曲振动对单晶硅磨粒、抛光垫和蓝宝石基体相互作用的影响，结果表明，压电超声振动的作用是影响蓝宝石材料去除率的主要因素。何勍等[27]通过改装现有机床，研制出了一种可控转速的行波超声振动研磨抛光装置，实验表明，该装置可完成不同工况下的超声研磨抛光实验。

2.4 二维压电超声振动研磨

二维椭圆超声振动研磨是将压电超声椭圆振动附加于工具或加工工件，使工具端面相对于加工工件按椭圆轨迹进行振动，从而实现高频间歇性高频振动磨削。它是由两个或两个以上的单向压电振动模态进行复合形成的，按照复合振动的模式来划分，它大致可以分为弯曲模式、扭转模式及纵-纵、纵-弯、纵-扭等振动模式[28]。

梁志强等[29]基于压电振子的弯曲和伸缩两种模态下研制了一种垂直型振动的二维超声振动辅助研磨系统，该系统的超声振子由金属弹性体和压电陶瓷粘合而成，研究表明，超声振动研磨工件表面形成椭圆超声振动，有效提高了金刚石砂轮的磨削性能，工件表面粗糙度明显低于普通磨削的粗糙度，表面裂纹减少，延性域去除比例增加。陈涛等[30]设计了一种纵-弯复合超声振动椭圆振动装置，对光纤阵列组件进行了研磨抛光，实验表明，超声振动研磨抛光后的光纤端面粗糙度达到27.58 nm。Kobayashi等[31]通过对抛光垫施加椭圆超声振动，抛光垫上研磨液内的磨粒以极高的加速度冲击工作表面，获得较高的材料去除率和良好的表面质量，与传统研磨抛光法相比，采用椭圆超声研磨抛光的单晶圆片边缘表面粗糙度提高31.7%以上。

3 压电超声辅助研磨抛光技术的应用

随着生产和科技的发展，不断有高硬度、高性能以及其他优质特性的新材料被开发,并被应用到国民经济的各个领域，而压电超声辅助研磨抛光技术很好地应用于对新材料的加工。

杨卫平等[32]研制的一种压电超声椭圆振动-化学机械抛光装置对单晶硅材料开展了超声波振动辅助抛光试验，试验结果表明，在超声波振动辅助加工条件下，材料的去除率和表面质量有较大提高。Yu Tianbiao等[33]采用轴向超声振动辅助加工方法应用于光学元件的抛光，并采用正交实验法对超声技工工艺参数进行优化，同时选取优化的工艺参数进行实验验证,得到工件材料去除率为1.102 mm/min，表面粗糙度为2.66 nm，研究表明，超声振动辅助抛光系统在保证抛光表面质量的同时，提高了抛光效率，

肖强等[34]对k9光学玻璃进行了超声振动研磨抛光，并从理论上分析了材料的去除机理，试验表明，施加频率为16～25 kHz的超声振动后，其对光学玻璃去除率比不施加超声振动加工材料提高约1.5倍，表面质量更好。Miura Takuya等[35]运用螺旋超声辅助研磨技术对蓝宝石晶片进行光整加工，结果表明，采用螺旋超声辅助研磨技术可降低法向磨削力和切向磨削力，提高表面粗糙度。Zahedi等[36]对氧化铝-氧化锆陶瓷材料进行超声振动表面研磨抛光，研究表明，应用超声波振动研磨能耗可降低约35%。

4 结论

压电超声辅助研磨抛光技术的研究与应用对拓展超声工程的应用领域，发展新材料的研磨抛光工艺具有重要作用。通过对近年来得到迅速发展和应用的压电超声振动研磨抛光技术进行了回顾、分析和总结，仍有一些问题有待进一步探讨和研究：

1) 压电超声振动系统的设计理论和实验研究还需进一步完善。在超声钻孔、超声磨削及超声珩磨应用研究中，一些学者对“局部共振”现象进行了试验和研究，并基于局部共振理论，相继提出了整体谐振设计和非谐振设计理论[37-40]，但机理研究尚停留在对实验现象的定性推理上，理论分析尚未形成定论，因此，对基础理论和系统设计参数等理论研究需要进一步加强。

2) 不同硬脆材料的超声振动研磨抛光材料去除机理及处理后表面残余应力等机理仍需研究与优化。随着对具有高性能元件的需求迅速增加，材料抛光表面的质量控制对于保持其在一系列工程应用中的寿命和性能至关重要。因此，针对超声工具振动幅值、磨削深度、工作台进给速度等超声研磨工艺参数对材料中磨削能、抗弯强度和裂纹扩展的影响具有重要意义。

3) 压电超声振动系统的稳定性，在硬脆材料的光整加工中，由于负载变化、工具磨损、换能器发热等因素，会导致超声系统阻抗特性发生变化，造成系统谐振频率漂移和工具振幅衰减，进而影响到研磨精度、研磨效率和研磨过程稳定性。不同加工参数对平面度和表面粗糙度等抛光效果的影响、建立完善的理论模型、最优加工参数的确定和工艺、设备和抛光液的研究等日益成为今后的研究内容。