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微细超声加工文献阅读报告 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微细电火花、微细激光加工、微细超声波、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。 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]。 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3-1 THOE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. Mode A指工件表面材料被空穴破裂产生的冲击力移除。Mode B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。Mode C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Mode A-B-C。在Mode C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Mode C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Mode C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3-3 RUM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（ultrasonic cavitation）。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