萬宏強， 韓佩瑛， 葛 帥， 李凡聰， 劉智豪

(西安工業(yè)大學 機電工程學院, 西安 710021)

超聲加工方法是1927年，由WOOD R W和LOOMIS A L[1]最早提出的，他們利用超聲波產(chǎn)生的強烈振動對玻璃板進行雕刻和鉆孔。1951年，科恩發(fā)明制造了第一臺超聲加工設備，帶動了超聲加工技術(shù)的快速發(fā)展。20世紀50年代末60年代初，前蘇聯(lián)將超聲加工應用在車削、拋光和復合加工等生產(chǎn)領(lǐng)域，取得了較好的經(jīng)濟效益。1964年，英國科學家通過電鍍或燒結(jié)金剛石工具對深孔進行超聲旋轉(zhuǎn)加工，提高了零件的加工精度和加工效率。20世紀90年代初，英國申請了超聲電火花復合鉆孔加工專利[2]，首次提出了復合超聲加工的方法。1998年，日本研制了硬脆性材料加工的超聲低頻組合鉆孔設備[3]。近年來，我國在超聲加工研究和生產(chǎn)設備的制造方面取得了一定的成果[4-5]，超聲加工技術(shù)在國民經(jīng)濟的應用范圍不斷拓展。

隨著航空航天、大規(guī)模集成電路、光學儀器等研究領(lǐng)域的發(fā)展，對所需關(guān)鍵工件表面的質(zhì)量要求越來越高。例如，為適應IC電路超大規(guī)模化發(fā)展的趨勢，其所用基片的特征尺寸已要求達45 nm以下[6]。傳統(tǒng)的機械拋光方法是靠切削、材料表面塑性變形去除等，去掉被拋光表面的凸起部分而得到平滑表面的拋光方法，以手工操作為主，不僅存在加工周期長、效率低、加工質(zhì)量差等問題[7]，而且不能拋光處理孔及異形曲面等復雜表面工件。現(xiàn)在的拋光方法如化學拋光、離子束拋光、磨料水射流拋光、磁流變拋光、超聲拋光[8-12]等雖然能夠加工異形曲面，但加工方法比較單一，加工成本高，因此就提出了復合超聲振動拋光方法。超聲振動拋光相對于現(xiàn)有的單一拋光方式有很大的優(yōu)勢，尤其對于硬脆材料的拋光，能夠有效地改善工件表面質(zhì)量，提高加工精度。為此，我們對現(xiàn)今的超聲振動拋光方法進行綜述，為超聲振動拋光的應用和研究提供參考。

1 超聲振動拋光方法分類及原理

超聲振動拋光方法按照振動方向與拋光表面的角度不同，可分為平行式振動拋光和垂直式振動拋光2種[13]。平行式超聲振動拋光方法如圖1所示，其超聲振動方向與工件表面平行，迫使磨粒在超聲振動下以很大的速度和加速度不斷撞擊加工表面，對加工表面的微凸部分進行微切削加工，從而達到拋光的目的。這種加工方法控制簡單、拋光效率高，且容易實現(xiàn)精密、超精密拋光，適合加工平面工件，不適用于孔及復雜曲面的拋光。垂直式超聲振動拋光方法如圖2所示，其拋光的本質(zhì)是大量磨粒在超聲作用下，以脈沖方式?jīng)_擊、滑擦被加工表面進行拋光。由于工具頭與工件之間具有一定的距離，所以這種加工方式不受模具表面形狀的限制，可以加工形狀復雜的模具內(nèi)腔等。

圖1 平行式超聲振動拋光方法

圖2 垂直式超聲振動拋光方法

2 超聲振動拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前的超聲加工技術(shù)主要包括傳統(tǒng)的超聲振動拋光技術(shù)和復合超聲振動拋光技術(shù)[13]。

2.1 傳統(tǒng)的超聲振動拋光技術(shù)

超聲振動拋光技術(shù)是目前眾多拋光技術(shù)中的一種。其原理是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振動，通過換能器將振動傳遞給變幅桿，變幅桿再將振幅放大后通過工具頭傳遞給磨料懸浮液，以此使磨料懸浮液中的磨粒對工件表面產(chǎn)生沖擊、拋磨等作用來去除材料，從而實現(xiàn)工件表面拋光的目的[14]。

GUO等[15]提出用超聲振動拋光工具來制造模具。為滿足不同的工業(yè)應用需求，采用傳遞矩陣法對傳感器進行設計；通過實驗對比發(fā)現(xiàn)：這種超聲加工方法可以加工不同形狀的模具，且比傳統(tǒng)手工拋光質(zhì)量高，但他們沒有對除超聲振動以外的系統(tǒng)進行研究。

CURODEAU等[16]采用黏彈性熱塑復合材料作為拋光工具的工具頭，對試件進行拋光實驗；實驗結(jié)果表明：通過該拋光工具加工后的工件表面粗糙度由初始的0.48 μm降到0.15 μm。

HOCHENG等[17]制造了一種以PC機為基礎(chǔ)的超聲振動拋光系統(tǒng)，對模具鋼進行拋光實驗，研究了磨粒粒度、工具振幅等對拋光表面質(zhì)量的影響。實驗表明，該拋光方法加工出的模具鋼表面粗糙度由初始的3.9～4.4 μm降低到1.5 μm以下。

ICHIDA等[18]提出了非接觸式超聲磨料拋光加工方法，并對拋光過程中的材料去除機理進行了實驗分析。實驗分為3種模式，即模式A是基于液體空化破壞壓力引起的侵蝕的材料去除；模式B是基于工件表面上的空化破裂引起的沖擊力加速磨粒與工件的碰撞引起的材料的去除；模式C是由超聲波能量激發(fā)的磨粒引起的小尺寸材料去除。通過對A、B、C3種模式的材料去除效果的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在模式C下的超聲振動拋光后的工件表面粗糙度可達到納米級。

舒晨等[19-20]提出的非接觸式超聲磨粒研拋裝置，是磨料在超聲振動驅(qū)動下來實現(xiàn)零件拋光的過程。通過變幅器改變振幅或頻率可提高加工速度，能加工各種復雜曲面，加工后的工件表面質(zhì)量良好；但該設備沒有建立完整的磨料懸浮液循環(huán)系統(tǒng)，對磨粒沒有充分利用，同時該設備沒有解決加工過程溫度升高的問題。

2.2 復合超聲振動拋光技術(shù)

眾多研究者研究發(fā)現(xiàn)：單一的零件超聲加工方式比復合超聲振動拋光加工方式加工的工件表面質(zhì)量差，加工效率低，因此復合超聲振動拋光實際應用更加廣泛。復合超聲振動拋光是指利用超聲振動工具，在有磨料的液體介質(zhì)中或干磨料中產(chǎn)生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產(chǎn)生的氣蝕效應，來拋光工件表面的加工方法?，F(xiàn)今主要的復合超聲振動拋光方式有超聲波電化學拋光、電火花超聲振動拋光、超聲波磨料水射流拋光等[15,21-22]。

(1)超聲波-化學拋光

該方法是化學機械拋光與超聲加工2種加工方式的復合加工方法。

KLOPFSTEIN等[23]提出了一種圓柱形微型超聲加工方法，該方法是化學拋光與超聲加工2種加工方式的復合拋光方法。以單晶硅為試件，利用這種復合加工方式加工出來的工件表面粗糙度值可降低至5～15 nm。

TSO等[24]提出了一種化學超聲振動拋光方法，在壓電電子振幅范圍為6～14 μm的前提下，設置其他工藝參數(shù)，并對方形硅片進行拋光。實驗結(jié)果表明：采用化學超聲復合拋光方法后的材料去除率提高了24.3%，表面粗糙度值Ra由原本的0.050 8 μm降低至0.031 6 μm。

TSAI等[25]進行了超聲輔助化學機械拋光銅基片實驗，其實驗裝置如圖3所示，利用了超聲輔助金剛石盤修整技術(shù)。實驗結(jié)果表明：超聲振動有利于去除工件表面的鈍化膜，將拋光效率提高50%～90%，同時可降低工件的表面粗糙度。

(a) 工作部分放大圖

(b) 基片-拋光液-拋光盤接觸放大圖

XU等[26]提出的超聲彎曲振動輔助化學機械拋光法中，超聲彎曲振動是由垂直方向與水平方向合成的，被拋工件被固定在工具頭上，其材料去除為超聲振動與傳統(tǒng)化學機械拋光共同作用的結(jié)果。實驗結(jié)果表明:采用該方法拋光得到的工件平面度、表面粗糙度以及材料去除率，相比于傳統(tǒng)的化學機械拋光都有很大的改善。

楊衛(wèi)平[27]提出了超聲橢圓振動-化學機械復合拋光技術(shù)，并對單晶硅進行了拋光實驗。實驗結(jié)果表明：使用超聲輔助拋光后的工件表面，比傳統(tǒng)的化學機械拋光后的工件表面質(zhì)量高。利用該技術(shù)拋光后的工件表面粗糙度值Ra由0.059 μm降低為0.043 μm。

(2)超聲波-電化學拋光

該方法是指在傳統(tǒng)的拋光系統(tǒng)上，向拋光工具或工件施加超聲振動并通電的拋光方法。目前，對金屬材料的拋光多采用這種拋光方法。在金屬材料去除過程中，以工件陽極溶解為主，超聲波振動為輔，其中伴隨著微量火花放電作用。

孫丙鎮(zhèn)[28]提出的超聲輔助電化學拋光技術(shù)是將超聲波輔助拋光與電化學拋光技術(shù)融合在一起的復合拋光技術(shù)，其拋光設備如圖4所示。在拋光過程中，對工件施加超聲振動，并將待加工表面設置成陽極，通過電極反應實現(xiàn)零件的拋光目的。該拋光方式得到的工件表面，可以達到很高的光滑程度和較高的表面質(zhì)量。通過實驗可以得出在10 N的壓力下，SiC試件的最高拋光去除率為1.21 mg/h。

(a) 實驗設備實物圖

(b) 電化學拋光模塊原理圖

張文玉[29]提出了一種超聲波-電化學拋光方法，其原理圖如圖5所示。利用該方法對不同材料進行加工，觀察分析工件加工后的加工效果，通過對比實驗后總結(jié)出幾種金屬材料的最佳工藝參數(shù)及加工效果。

BHATTACHARYYA等[30]研究了電化學加工中超聲振動對電化學加工的影響，認為振動改善了加工間隙內(nèi)的物理狀態(tài)，提高了加工精度以及加工速度。

(3)超聲輔助機械振動拋光

該方法是指超聲振動拋光方法與機械振動拋光方法結(jié)合在一起的復合拋光方法。

SUZUKI等[31]提出了1種二階縱向振動與四階彎曲振動復合的超聲振動拋光方法，如圖6所示。在拋光頭半徑700 μm、拋光試件角速度20～200 r/min、磨料平均粒度尺寸0.5 μm、縱振及彎振振幅分別為40 μm、30 μm的前提下，對微型陶瓷模具進行拋光實驗，拋光后的陶瓷模具表面粗糙度值為8 nm。

圖5 超聲波-電化學拋光加工示意圖

圖6 超聲輔助機械振動拋光

韓磊[32]提出的超聲波振動輔助研磨拋光實驗裝置如圖7所示。該設備主要是在機床的轉(zhuǎn)動下帶動待加工零件與修正環(huán)的自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)磨料的均勻進給和零件的拋光。該設備利用超聲波振動裝置實現(xiàn)超聲波振動輔助加工，在拋光零件的同時，也能夠有效地提高工件表面強度，但對于復雜型面的加工還有局限性。

圖7 超聲波振動輔助研磨拋光實驗裝置

KOBAYASHI等[33]提出了硅片邊緣的超聲輔助拋光，該拋光裝置中的拋光盤基座被施加以橢圓形二維振動，用來提高硅片與拋光盤的相對速度。實驗結(jié)果表明:利用該方法降低工件表面粗糙度31.7%。

YANG等[34]采用橢圓超聲振動輔助拋光對硅片邊緣進行了拋光處理。實驗結(jié)果表明:橢圓振動可以改善拋光液的利用效率，利用該實驗方法，可以將拋光效率提高58%，表面粗糙度降低24%。

(4)超聲流體噴射拋光

該方法是超聲振動拋光與流體噴射拋光的復合拋光方法。

何勍等[35-36]提出超聲流體噴射拋光：將零件固定在旋轉(zhuǎn)圓盤上并隨其轉(zhuǎn)動；同時，超聲振動驅(qū)動拋光液體向上噴射沖刷待加工工件表面，實現(xiàn)零件拋光的目的。但該設備加工周期長，生產(chǎn)效率低。

呂哲[37]提出了超聲振動輔助磨料水射流拋光沖蝕機理和工藝技術(shù)研究方法，其超聲流體噴射拋光原理如圖8所示。實驗結(jié)果表明：工件采用超聲振動磨料水射流拋光方法時，比磨料水射流拋光方法的沖蝕率高，且在單顆磨粒沖擊角度相同的情況下，超聲振動輔助磨料粒子沖蝕劃痕深度較大。

圖8 超聲流體噴射拋光原理圖

(5)超聲波磁性磨料拋光

該方法是在磁力研磨工具頭與工件表面的間隙中加入磁性研磨粒子，在磁場的作用下，磁性研磨粒子沿著磁力線分布，形成柔性磁力刷并壓附在工件表面，超聲波經(jīng)換能器傳到變幅桿，并將振幅傳遞至磁力研磨工具頭端部而產(chǎn)生機械振動，從而實現(xiàn)超聲輔助磁性磨料拋光的目的。

MULIK等[38]提出了超聲波輔助磁性磨料拋光的方法，在超聲振動下工件在水平方向振動，來配合工件上方的磁性磨料刷的旋轉(zhuǎn)拋光運動。實驗結(jié)果表明：與普通磁性磨料拋光相比，該方法中磨粒對工件表面的正壓力較低，切削力較高[39]；表面粗糙度較??；表面形貌也有所改善，從一致的明顯連續(xù)劃痕轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機性的斷續(xù)劃痕[40]。

YIN等[41-42]提出了超聲振動輔助磁性磨料對鎂合金進行拋光的方法，該方法是利用垂直式超聲振動方式輔助磁性磨料進行工件拋光。結(jié)果表明：此加工方式可提高材料去除效率和加工表面質(zhì)量。

(6)超聲波磁流變復合拋光方法

該方法是采用轉(zhuǎn)動的小直徑拋頭工具頭，施加磁場的同時，施加超聲振動，使小區(qū)域范圍內(nèi)的材料去除分布比較集中，達到提高拋光效率的目的。

王慧軍[43]提出了一種超聲波磁流變復合拋光小曲率半徑的非球曲面和自由曲面光學元件方法，其原理圖如圖9所示。實驗結(jié)果表明：超聲波磁流變復合拋光方法相較于普通磁流變拋光，其材料去除率是普通磁流變拋光的3.1倍，但拋光后的表面質(zhì)量略低于普通磁流變拋光。

(a) 超聲波磁流變復合拋光平面/凸面原理圖(b) 超聲波磁流變復合拋光凹曲面原理圖

郭士軍[44]提出了一種磁流變超聲波復合拋光陶瓷滾子技術(shù)，并對磁流變超聲波拋光陶瓷滾子材料的去除機理進行了研究。實驗研究了影響陶瓷滾子拋光質(zhì)量的工藝參數(shù)，得出拋光頭轉(zhuǎn)速、超聲振幅、工件與拋光頭間隙、不同拋光粉等因素對拋光材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律，并根據(jù)實驗結(jié)果進行了工藝參數(shù)的優(yōu)化。實驗結(jié)果表明：超聲振動的加入，可以提高陶瓷滾子的材料去除率，但會降低工件的表面質(zhì)量；利用優(yōu)化后的工藝參數(shù)拋光陶瓷滾子，得到的工件表面粗糙度值可達到0.016 μm。

選擇超聲振動拋光的方法時，除了考慮加工費用外，還應考慮零件的拋光型面，盡量采用能提高生產(chǎn)率、降低勞動強度和提高工件表面質(zhì)量的超聲振動拋光方法；選擇拋光設備時，要綜合考慮待加工零件的材質(zhì)、型面、尺寸、加工精度、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)量等因素，還應考慮設備的投資大小、可操作性以及環(huán)保等問題。

3 超聲振動拋光的特點

與普通的拋光方式相比，超聲振動拋光的主要優(yōu)勢在以下幾個方面：(1)在同等加工條件下，超聲振動拋光有更高的材料去除率；(2)超聲振動拋光可以加工各種復雜型面；(3)超聲振動拋光過程中會產(chǎn)生“空化作用”，能夠提高零件的拋光效率，同時也可以增強工件表面強度[45]；(4)超聲振動拋光的加工范圍廣，可以加工有色金屬、合金鋼和硬脆性材料等。

與傳統(tǒng)拋光方式相比，采用超聲振動拋光技術(shù)加工出來的工件表面質(zhì)量，比傳統(tǒng)拋光方法加工出來的工件表面質(zhì)量好，材料去除量大；而采用超聲復合振動拋光的工件表面質(zhì)量，比超聲振動拋光的工件表面質(zhì)量更好，材料去除量大且表面粗糙度小。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)上述的超聲振動方法對比發(fā)現(xiàn):單一的超聲振動拋光得到的工件表面質(zhì)量及精度比復合超聲振動拋光得到的工件表面質(zhì)量及精度都要差一些；而且采用復合超聲振動拋光方法能夠提高工件的材料去除率；同時，在加工復雜曲面時，復合超聲拋光方法比單一的超聲振動拋光方法更有優(yōu)越性。

為提高超聲振動拋光的加工技術(shù)、研究水平及應用，建議從以下幾個方面著手：

(1)深化理論研究。在現(xiàn)有的超聲拋光技術(shù)與設備的基礎(chǔ)上，探索新的拋光方法，研究多種技術(shù)的復合加工方法。

(2)加強應用推廣。將現(xiàn)有的成熟超聲拋光技術(shù)及超聲振動拋光設備進行完善并進行推廣，使其真正地投入市場，應用于實際生產(chǎn)中。

(3)應用數(shù)字化技術(shù)。將機電一體化設計應用于超聲拋光設備設計，實現(xiàn)超聲振動拋光設備的自動化。

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