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摘要：硬質(zhì)合金材料因其硬度高、耐磨損，常被用作模壓加工微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的模具材料，但在其表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)磨削加工時(shí)常存在形狀精度低、表面質(zhì)量差等問(wèn)題。為提高加工質(zhì)量，在磨削加工微結(jié)構(gòu)時(shí)引入了超聲橢圓振動(dòng)。利用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪在WC硬質(zhì)合金工件表面進(jìn)行V溝槽微結(jié)構(gòu)的普通磨削和超聲橢圓振動(dòng)磨削試驗(yàn)，研究磨削參數(shù)和超聲振動(dòng)對(duì)V溝槽微結(jié)構(gòu)表面粗糙度的影響，并對(duì)比分析普通磨削和超聲橢圓振動(dòng)磨削后的V溝槽表面形貌.結(jié)果表明：與普通磨削相比，超聲橢圓振動(dòng)磨削后的V溝槽表面粗糙度有了明顯下降。V溝槽表面粗糙度隨著進(jìn)給速度和磨削深度的增大而升高，隨著磨削速度的增加呈降低的趨勢(shì)。相比普通磨削，采用超聲橢圓振動(dòng)磨削時(shí)V溝槽側(cè)面磨痕較少且更淺,更加光滑平整，底部的凹坑缺陷較少也更小，具有更高的表面質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：超聲橢圓振動(dòng)磨削；表面粗糙度；表面形貌

中圖分類號(hào)：TG156

ResearchonUltrasonicEllipticalVibrationGrindingofHardAlloyMold

Microstructure

LIMengzhao1LIANGZhiqiang2ZHOUTianfeng2WANGXibin2XIELijing2JIAOLi2

SHENWenhua2WULifei1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;

2.KeyLaboratoryofFundamentalScienceforAdvancedMachining,BeijingInstituteofTechnology,Beijing

100081)

Abstract:Duetothehighhardnessandgoodwearresistance,hardalloyisusuallyusedasthemoldmaterialformoldingmicro-structuredopticalcomponents.Butproblemssuchaslowshapeaccuracy,poorsurfacequalityoftenoccurwhengrindingmicrostructure.Inordertoimprovetheprocessingquality,ultrasonicellipticalvibrationisintroducedduringthegrindingofmicrostructure.OrdinarygrindingandultrasonicellipticalvibrationgrindingtestofVgroovemicrostructureiscarriedoutonthesurfaceofWChardalloyworkpiece,andtheresinbonddiamondgrindingwheelisadopted.TheinfluenceofgrindingparametersandultrasonicellipticalvibrationonthesurfaceroughnessofV-grooveisstudied.Themachinedsurfacemorphologyafterordinarygrindingandultrasonicellipticalvibrationgrindingarecomparedandanalyzed.Theresultsshowthat,comparedwithordinarygrinding,thesurfaceroughnessoftheV-grooveafterultrasonicellipticalvibrationgrindingissignificantlyreduced.thesurfaceroughnessoftheVgrooveincreaseswiththeincreaseofthefeedrateandthegrindingdepth,andasthegrindingspeedincreases,ittendstodecrease.Comparedwithordinarygrinding,theV-grooveafterultrasonicellipticalvibrationgrindinghasfewerandshallowergrindingcrackonthesideface,thesurfaceissmoother.Thebottompitsaresmallerandfewer,andthesurfacequalityishigher.

Keywords:ultrasonicellipticalvibrationgrinding;surfaceroughness;surfacetopography

0前言

微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件因其體積小、重量輕，具有多

種優(yōu)異特性，如高衍射效率、的色散性能、特殊的光學(xué)功能等，在光電成像、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、機(jī)械加工等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[1]。隨著對(duì)高精度微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件需求的不斷增加，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了多種微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加工制造技術(shù)，主要有蝕刻技術(shù)、模壓加工技術(shù)、超精密車削技術(shù)、超精密磨削技術(shù)、微放電加工技術(shù)、LIGA技術(shù)等[2-4]。為了實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的高精度、低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，目前比較*的工藝方案是，先加工出具有微結(jié)構(gòu)的模具，再利用玻璃模壓技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)[5]。為保證模壓精度和長(zhǎng)期一致性，模具材料通常選用硬質(zhì)合金等高硬度、耐高溫、耐磨損的材料。對(duì)于模具材料的微結(jié)構(gòu)表面加工，超精密磨削技術(shù)因其具有效率高、加工精度高、表面粗糙度小并適于加工高硬度材料等優(yōu)點(diǎn)[6]，成為微結(jié)構(gòu)超硬模具加工較為切實(shí)可行的方法。

用于模壓的模具微結(jié)構(gòu)表面要求具有很高的形狀精度和表面質(zhì)量，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的微結(jié)構(gòu)表面超精密磨削加工理論與試驗(yàn)研究。日本的OHMORI等[7-8]利用機(jī)械滾輪和放電加工技術(shù)對(duì)金剛石砂輪進(jìn)行了精密修整，并利用修整后砂輪進(jìn)行鍺基浸沒(méi)光柵的加工研究，加工后微結(jié)構(gòu)表面內(nèi)角半徑小于12μm。華南理工大學(xué)的謝晉[9]等人利用碳化硅修整塊對(duì)金屬基金剛石砂輪進(jìn)行修整，并在硅材料上加工出微金字塔矩陣。修整后砂輪半徑達(dá)19.5μm，微結(jié)構(gòu)表面面形精度可達(dá)3.4μm，但由于材料脆性及砂輪磨損，微金字塔底部出現(xiàn)23.1μm的誤差。德國(guó)Aurich等[10]利用電鍍方法制造出單晶金剛石微磨削筆，并在硬質(zhì)合金和碳化物陶瓷材料上進(jìn)行微槽結(jié)構(gòu)磨削加工。磨削后的微槽底部表面粗糙度Ra可達(dá)10nm，同時(shí)微槽具有非常尖銳的邊緣。哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭兵等[11]利用GC修整輪采用展成磨削法修整金剛石砂輪，并在Si3N4材料上開(kāi)展微槽磨削試驗(yàn)。磨削后微槽底部半徑達(dá)4μm，表面粗糙度為112nm。德國(guó)的Denkena等[12]研究發(fā)現(xiàn)在外圓磨削的基礎(chǔ)上施加超聲振動(dòng)后，磨粒磨削軌跡的變化導(dǎo)致材料去除機(jī)制發(fā)生改變，表面質(zhì)量得到明顯提高。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于硬脆材料表面微結(jié)構(gòu)的超聲橢圓振動(dòng)磨削加工的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)WC硬質(zhì)合金表面V溝槽微結(jié)構(gòu)普通磨削和超聲橢圓振動(dòng)磨削試驗(yàn)來(lái)研究超聲橢圓振動(dòng)在微結(jié)構(gòu)表面磨削加工過(guò)程中的作用機(jī)理，分析其作用效果。并通過(guò)單因素試驗(yàn)研究加工時(shí)磨削速度、磨削深度、進(jìn)給速度對(duì)磨削后V溝槽表面質(zhì)量的影響規(guī)律，為合理高效的超聲橢圓振動(dòng)磨削工藝參數(shù)選擇提供理論依據(jù)，為提高模具材料表面微結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量提供新思路。

1超聲橢圓振動(dòng)磨削機(jī)理

超聲橢圓振動(dòng)磨削加工系統(tǒng)示意圖如圖1所示。具有橢圓振動(dòng)特性的超聲振動(dòng)子被安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，波函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)具有相同頻率且有一定相位差的交流電壓信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后同時(shí)施加到超聲振動(dòng)子的A、B電極上，由于壓電陶瓷（PZT）的逆壓電效應(yīng)，超聲振動(dòng)子的伸縮模態(tài)和彎曲模態(tài)將被同時(shí)激勵(lì)，由此產(chǎn)生超聲振動(dòng)子的伸縮方向振動(dòng)和彎曲方向振動(dòng)，這兩個(gè)方向振動(dòng)的合成即為橢圓振動(dòng)。

在磨削加工時(shí)，工件固連在振動(dòng)子上以一個(gè)固有頻率做橢圓振動(dòng)，V形金剛石砂輪繞自身軸線旋轉(zhuǎn)并以一定速度進(jìn)給，通過(guò)砂輪磨粒與工件間的切削、劃擦等去除材料，在工件表面加工出V溝槽。V溝槽微結(jié)構(gòu)超聲橢圓振動(dòng)磨削加工示意圖如圖2所示。

工件的橢圓振動(dòng)可分為與工件表面垂直方向的振動(dòng)和砂輪進(jìn)給方向振動(dòng)，砂輪和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是砂輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和工件橢圓振動(dòng)的合成。加工過(guò)程中工件沿進(jìn)給方向的振動(dòng)和砂輪進(jìn)給速度進(jìn)行疊加形成實(shí)際的進(jìn)給速度。在不考慮砂輪轉(zhuǎn)速的情況下，工件與砂輪的相對(duì)進(jìn)給速度VAf為工件沿進(jìn)給方向振動(dòng)速度VA和進(jìn)給速度Vf的矢量和，即：

其中為超聲振動(dòng)角頻率，2f，f為超聲振動(dòng)頻率；LA為進(jìn)給方向超聲振動(dòng)振幅；0為超聲振動(dòng)初始相位。對(duì)于一定的振動(dòng)頻率f，存在一個(gè)臨界進(jìn)給速度，即VfLA，當(dāng)振動(dòng)速度LA大于進(jìn)給速度Vf時(shí)，砂輪與工件待加工部分在磨削過(guò)程中存在分離狀態(tài)，二者周期性接觸，減少了砂輪與工件待加工部分間的實(shí)際接觸時(shí)間，砂輪相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)是周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加工表面在形成后又受到砂輪的往復(fù)光磨作用，這種往復(fù)光磨作用有利于提高光潔度。同時(shí)，與工件表面垂直方向超聲振動(dòng)使相對(duì)固定的磨削深度產(chǎn)生一定的周期變化，能降低磨削力，有助于提高工件表面質(zhì)量。

2試驗(yàn)條件

2.1試驗(yàn)設(shè)備

超聲橢圓振動(dòng)磨削與普通磨削試驗(yàn)均在牧野CNS7d數(shù)控工具磨床上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，利用蜂蠟將工件粘結(jié)到超聲振動(dòng)子上，再固定在機(jī)床工作臺(tái)上。超聲橢圓振動(dòng)磨削時(shí)，開(kāi)啟波函數(shù)發(fā)生器，超聲振動(dòng)子將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，帶動(dòng)工件一起高頻振動(dòng)，金剛石砂輪安裝在機(jī)床主軸上作高速旋轉(zhuǎn)，按照設(shè)定好的軌跡進(jìn)行磨削進(jìn)給，完成V溝槽磨削加工。關(guān)閉波函數(shù)發(fā)生器時(shí)工件停止振動(dòng)，可進(jìn)行普通磨削試驗(yàn)。在磨削時(shí)，由于工件材料硬度較大，砂輪磨損較快，可采用小的磨削深度。

2.2砂輪修整

在微溝槽的磨削加工過(guò)程中，金剛石砂輪V形

極易磨損，為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，需對(duì)砂輪進(jìn)行修整。金剛石砂輪V形修整原理如圖4所示，修整輪在以一定速度旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著金剛石砂輪V形輪廓以一定的磨削深度切向移動(dòng)，通過(guò)修整輪磨粒對(duì)金剛石砂輪磨粒、結(jié)合劑的沖擊及研磨作用，達(dá)到整形和修銳砂輪的目的。通過(guò)對(duì)砂輪兩邊的反復(fù)修磨，最終將砂輪修整成V形。

2.3試驗(yàn)參數(shù)

為分析超聲橢圓振動(dòng)、磨削工藝參數(shù)對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響，分別對(duì)超聲橢圓振動(dòng)磨削、普通磨削進(jìn)行單因素試驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。采用#5000樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行磨削試驗(yàn)，采用小的單次磨削深度，多次磨削方式，總磨削深度為40μm，修整輪為#1200綠碳化硅砂輪，磨削液為油性冷卻液，工件材料為WC硬質(zhì)合金。

2.4測(cè)量方法

采用多普勒測(cè)振儀測(cè)量振動(dòng)子彎曲方向和伸縮方向的振幅及諧振頻率。磨削試驗(yàn)后對(duì)工件進(jìn)行超聲清洗，采用FEIQUANTA650FEG掃描電鏡觀測(cè)V溝槽表面微觀形貌，采用NanoMap-D光學(xué)三維輪廓儀測(cè)量V溝槽輪廓，將測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件中擬合出表面粗糙度。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

超聲橢圓振動(dòng)磨削及普通磨削時(shí)表面粗糙度隨磨削速度、進(jìn)給速度、磨削深度的變化規(guī)律如圖5所示。可以看出，在相同的磨削參數(shù)下，超聲橢圓振動(dòng)磨削時(shí)的表面粗糙度明顯低于普通磨削時(shí)。主要原因是超聲橢圓振動(dòng)會(huì)使磨粒切削軌跡發(fā)生重疊，同時(shí)工件進(jìn)給速度小于臨界進(jìn)給速度，單顆磨粒對(duì)溝槽有往復(fù)光磨作用，有利于提高表面質(zhì)量。

當(dāng)磨削速度從10.5m/s增加到31.4m/s，磨削后的V溝槽表面粗糙度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。磨削速度提高使得單位時(shí)間內(nèi)砂輪磨粒在工件表面上切削次數(shù)增多，在多個(gè)磨粒累計(jì)切削作用下，V溝槽表面殘余高度減小，有助于提高表面質(zhì)量。無(wú)論是普通磨削還是超聲橢圓振動(dòng)磨削，磨削后V溝槽表面粗糙度均隨進(jìn)給速度及磨削深度的增大而升高。磨削進(jìn)給速度增加導(dǎo)致磨粒在單位面積上切削次數(shù)減少，進(jìn)而使V溝槽表面粗糙度增大。V溝槽表面粗糙度隨著磨削深度的增加逐漸變大，是由于磨削深度增大，單顆磨粒未變形切削厚度增大，磨粒對(duì)表面的劃痕加深，使磨削表面質(zhì)量降低。

3.2V溝槽表面形貌

超聲橢圓振動(dòng)磨削和普通磨削后的V溝槽表面形貌如圖6所示。由圖可知，超聲橢圓振動(dòng)磨削表面質(zhì)量明顯高于普通磨削，普通磨削V溝槽側(cè)面磨削痕跡較多且深，而超聲橢圓振動(dòng)磨削表面磨痕較少且淺，磨痕變窄，表面更加平整光滑；而比較V溝槽的底部形貌發(fā)現(xiàn)，施加超聲橢圓振動(dòng)后底部的凹坑缺陷減少，面積更小。但在普通磨削底端可以觀察到較深的磨削劃痕，而超聲振動(dòng)磨削底端并未出現(xiàn)較深劃痕形貌。這是因?yàn)槌暀E圓振動(dòng)使磨粒軌跡在普通磨削軌跡基礎(chǔ)上發(fā)生周期性變化，砂輪磨粒對(duì)溝痕兩側(cè)的塑性隆起部分產(chǎn)生了二次切削作用，即產(chǎn)生所謂的研磨作用，導(dǎo)致工件表面上類似于毛刺的殘余材料被去除，達(dá)到提高表面質(zhì)量的效果。

4結(jié)論

（1）普通磨削和超聲橢圓振動(dòng)磨削時(shí)V溝槽表面粗糙度均隨進(jìn)給速度及磨削深度的增大而升高，隨著磨削速度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，超聲振動(dòng)磨削時(shí)表面粗糙度相比普通磨削明顯降低。

（2）相比普通磨削，超聲橢圓振動(dòng)磨削后V溝槽側(cè)面磨痕較少且淺，更為平整光滑，底部的凹坑缺陷較小也更少，說(shuō)明超聲橢圓振動(dòng)磨削能提高V溝槽表面質(zhì)量。

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