文档介绍：该【超声辅助技术制备微结构的原理与应用概述 姚栋 】是由【学习一点新东西】上传分享，文档一共【7】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【超声辅助技术制备微结构的原理与应用概述 姚栋 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。562022486
模具工业年第卷第期
超声辅助技术制备微结构的原理与
应用概述
12
姚栋,岳鑫
(长春理工大学,吉林长春;西南技术物理研究所,四川成都)
3
摘要:根据超声辅助技术在制备微结构中的最新应用成果,介绍了超声辅助的车削、铣削、磨削种方
31
法制备微结构的原理和应用,对种制备方法的原理与应用进行分析和论述,最后还介绍了种利用超
声辅助刻划制备微结构的新方法。
关键词:超声辅助技术;表面微结构;车削;铣削;磨削
-2168202206-0056-07
中图分类号:文献标识码:文章编号:()
.1001-
:
Overviewonprincipleandapplicationofultrasonicassisted
micro-structurepreparation
YAODong1,YueXin2
(,Changchun,Jilin130022,China;⁃
westInstituteofTechnologyPhysics,Chengdu,Sichuan610044,China)
Abstract:Accordingtothelatestapplicationresultsofultrasonicassistedtechnologyintheprepa⁃
rationofmicrostructure,itmainlyintroducedtheprincipleandapplicationofultrasonicassisted
turning,ultrasonicassistedmilling,andultrasonicassistedgrinding,analyzedanddiscussedthe
,anewmethodofpreparingmi⁃
crostructurebyultrasonicassistedengravingwasintroduced.
Keywords:ultrasonicassistedtechnology;surfacemicrostructure;turning;milling;grinding
0
引言越多,现有的微结构表面制备方法主要有激光加
近年来,随着超声辅助技术在各领域的成熟运工、电解加工、超精密加工、光化刻蚀、化学气相沉
用,超声辅助技术已成为表面微结构制备的一种新积、表面喷丸、压印、超声辅助等,不同的制备方式
[1][4]
方法。微结构是具有一定分布规则的微观拓扑形有各自不同的特点。
状表面,如鲨鱼皮肤表面分布着间隔排列的盾鳞结超声辅助技术作为微结构制备的一种方法,依
[2]
构。研究发现,鲨鱼皮肤表面的微沟槽形状能够靠机械波的传播产生粒子的剧烈机械振动而引起
[5]
减小鲨鱼在水中的运动阻力,某公司根据这一发现介质间的相互作用。超声技术的理论基础主要有
将微沟槽结构应用到泳衣的设计中,研发减阻性能空化作用、热效应和机械作用,空化作用指超声波
优越的鲨鱼皮泳衣。同样,蜣螂的表面分布不同形的高频机械振动通过介质进行传播,介质在负压的
状且具有减阻效果的微小凹坑结构,将微小凹坑结过强作用下使分子距离达到上限,破坏结构的完整
构应用于高尔夫球的表面设计中,能减小高尔夫球性,形成空穴,产生微小的空气泡。持续不断的超
[3]
在空中飞行时的阻力。研究微结构的重要意义在声波正压区让泡内的压力差增大,可产生高达几百
于改进产品的性能,提高产品的实用性。随着现代个大气压力差。热效应是指超声波在介质间的传
工程技术的发展和进步,制备表面微结构方式越来播中,粒子之间会发生摩擦和碰撞,超声波产生的
2022-03-18机械能通过介质吸收后转换成热能,促使介质的温
收稿日期:。
1988-
作者简介:姚栋(),男(汉族),吉林长春人,工程师,主要度升高。机械作用通过机械振动破坏介质的结构,
从事硬脆材料精密加工研究工作。实现结构的改变。目前,超声技术在辅助提取、物
202248657
模具工业年第卷第期
理改性、辅助加工等方面都有广泛应用,在辅助加
工方面,将超声辅助技术与传统加工技术如车、铣、
磨、钻、抛光、刻划相结合,利用超声波的高频振动
在工件表面产生典型的微结构,在湿润性、摩擦特
性、生物学特性上实现相应改变。
1
超声辅助切削技术简介
与传统切削加工方式相比,超声辅助切削技术
[5]
使切削性能与加工质量得到改善。在超声的作用13
下,***或工件沿着一定方向进行可控制、有规律图种振动方向的辅助车削
的振动,使加工后的工件表面形成特定形貌的微结=2π
2ωfus
构。依据振动频率的不同,振动辅助切削主要有μm/rev
20~150Hz其中,fres为施加超声振动后的进给量,;f
种形式,一种为低频振动切削(),另一种μm/revHz
15kHz为初始进给量,;fus为超声振动频率,;A为
为高频振动切削(及以上)。目前,高频率振μm
20kHz超声振动振幅,。
动切削中使用高于以上的振动频率在超声2
如图所示,与普通车削加工过程相比,施加超
辅助切削领域应用较多。超声辅助切削的加工方sin
声振动后,由于进给量A(ωt)导致***的运动轨
式主要有超声振动辅助车削、铣削、磨削等。
迹变成随时间变化的正弦曲线运动,沿进给方向的
超声振动系统主要由超声波发生器、换能器以
运动轨迹变化成沿着工件表面呈正弦状的轨迹。
及变幅杆构成,其工作原理是超声波发生器将
220V50Hz主轴转速、进给量、振动频率等参数发生改变时,将
、的交流电转换成高频电振荡信号,通过
影响***的切削轨迹,能够在工件表面制备分布特
换能器将高频电振荡信号转换成机械振动,在通过
征迥异的微结构。
变幅杆的作用将机械振动放大,然后传给***或工
件,使***或工件沿着某个方向进行振动,加工后
的工件在表面会形成特定形貌的微结构。
2
超声辅助切削的工作原理
超声辅助车削
在传统车削方式下,沿进给方向、径向方向(切
深方向)和切削速度方向(切向)分别施加超声振2
图进给方向超声辅助车削
动,与原有***运动轨迹相比,施加超声振动后的
1ASCHUBERT
***运动轨迹发生较大变化,图显示了超声辅助[6]
3等利用此原理进行沿进给方向
车削的种振动形式。通过不同方向的振动可以在的超声振动辅助车削试验和仿真,试验中使用的参
工件表面形成特定形貌的微结构。目前,在微结构数为:背吃刀量、进给量、工件转速
250m/min24kHz
制备上最常见的是进给方向和切深方向种超声、超声振动频率,按照以上参数指标
振动。进行表面微结构制备,加工后的效果和仿真对比如
进给方向图所示。
沿进给方向施加超声振动,如图所示,其原理切深方向
4
是将工件固定在主轴上,由主轴带动工件以特定转切深方向超声振动辅助车削如图所示,其原
速n转动,***固定在超声振动系统的变幅杆上,超理为:将工件固定在主轴上,工件以转速n转动,刀
声振动系统中的超声波发生器发出正弦激励信号,具安装在变幅杆上,超声波发生器发出正弦激励信
通过变幅杆带动***沿进给方向进行超声频往复号,通过变幅杆带动***沿进给方向运动的同时,
运动,施加超声振动后的进给量变化为:
=+sin沿切深方向正弦往复振动,则在切深方向施加超声
fres(t)fA(ωt)振动后的背吃刀量变化为:
582022486
模具工业年第卷第期
a300μmb50μmc
()放大扫描电镜图()放大扫描电镜图()工件表面仿真图
3
图工件表面扫描电镜图和仿真图
=+sin
ares(t)aA(ωt)
p,=P2π
ωfus
其中,a,res(t)为施加超声振动后的背吃刀量,
μmpμm
;a为初始背吃刀量,;fus为超声振动频率,
HzPμm
;A为超声振动振幅,。
a
()断续型
b
()连续型
5
图断续型和连续型加工过程
型切削的方式进行超声振动辅助切削试验,加工离
4散型凹坑微结构,其中外圆表面的离散型凹坑微结
图切深方向超声辅助车削7
构如图所示。
根据切削深度和超声振幅之间的大小关系,沿
切深方向的加工方式分为断续型和连续型,如图超声辅助铣削
aA
所示。当初始背吃刀量P小于超声振动振幅时,超声辅助铣削按照维度可分为一维、二维及三
为断续型切削加工方式,***的运动轨迹有一部分维超声辅助铣削。一维超声辅助铣削在X、Y、Z三
远离工件表面;当初始背吃刀量a大于超声振动振个方向中某一个方向施加超声振动,主要包括轴
P8
幅A时,为连续型切削加工方式,***轨迹一直处于向、进给方向和垂直进给方向(见图)。二维超声
工件表面以下。辅助铣削的振动方向与振动轨迹在一个平面内,振
2
断续型切削方式可制备的圆柱表面凹坑形状动轨迹既可以是条直线方向进行复合振动,也可
6a
和分布特征如图()所示,在切削过程中,切削的以在平面内进行曲线振动。三维超声辅助铣削是
深度、工件的转速、振幅、频率的变化影响圆柱表面在三维空间内的各个方向上进行振动铣削加工,也
凹坑微结构的间距、分布等几何参数。连续切削方可以在三个方向上进行复合铣削加工,或是某个单
3
式制备表面凹坑微结构在某一切削速度方向下是方向内与一个平面曲线振动复合铣削加工。种维
6b
连续的,如图()所示,凹坑的形状和分布特征受度的超声辅助铣削加工过程,利用一维超声辅助铣
切削***的几何参数、振幅、转速等参数影响。削制备的微结构具有分布特征较好的表面形貌,且
AGRECO[7]
等依据此原理沿切深方向采用断续大部分研究主要涉及一维超声辅助铣削中的进给
202248659
模具工业年第卷第期
2
振动和切削种形式,已加工表面的形貌由振动和
29
切削种运动共同作用形成,如图所示。施加超
声振动后,沿进给方向中铣削刀尖的运动轨迹沿着
X轴的方向(X轴为进给方向)变化为:
=()+sin+
X(t)XtA(ωtφ)
p
其中,X(t)为施加超声振动后X方向的位移,
μm()pμmμm
a;Xt为初始位移,;A为超声振幅,。选择
()断续型
合适的进给速度、振幅、频率、主轴转速可以制备表
面性能较好的微结构。
[8]MATLAB
刘宪福等利用软件进行超声辅助铣
削三维表面形貌仿真,仿真后又进行铣削加工试
验,通过进给方向的仿真分析和试验论证,加工出
10
与仿真效果相似的表面形貌特征,如图所示,表
面微结构呈现出“肋条状”和“鳞片状”的形貌。
[9]
b此外,陶国灿通过超声辅助铣削沿进给方向
()连续型
的加工试验,制备与蜣螂头部、扇贝贝壳具有相似
611
图断续型和连续型切削条件下形貌的微结构表面,如所示。
凹坑形状和分布
超声振动辅助磨削
目前,常见制备微结构表面的加工方法是车削
和铣削,超声振动辅助磨削在硬脆材料表面加工特
定形貌的微结构具有一定的优势。如陶瓷、单晶
硅、碳化钨等硬脆材料硬度高、脆性强,采用磨削技
[10]
术与超声加工相配合可以降低材料加工难度,保
12
证加工后的微结构形貌特征。图所示为采用磨
a250μm
()放大三维轮廓削方法在玻璃基板表面加工微沟槽原理,通过带有
沟槽的磨轮在玻璃基板等间距的正反运动,制备直
[11]
线微沟槽结构。
超声振动辅助磨削按照维度分为一维超声振
[12]
动和二维超声振动。一维超声振动类型包括沿砂
13
轮轴向振动、径向振动及切向振动,如图所示。
二维超声振动是沿砂轮轴向、切向同时振动或沿砂
轮轴向、径向同时振动。在超声正弦信号激励下,
砂轮的磨粒运动轨迹不再是直线运动,磨粒的轨迹
14
互相交错,整体分布较均匀。如图所示,超声振
b300μm
动磨削后的微结构表面形貌呈“鱼鳞状”分布。
()放大三维轮廓BINGG
7[13]
图切深方向加工的离散型凹坑微结构在应用方面,等研究了超声振动参数
和倾斜角对微结构表面质量的影响,试验结果表
136nm
方向施加超声振动。明,超声振动能够改善表面质量(粗糙度从Ra
78nm
沿进给方向施加超声振动原理是将超声振动减小到Ra),特别是在保证微结构的边缘清晰
系统的变幅杆与工件连接,***安装在主轴上,超度方面。通过增加倾斜角度,可以将表面粗糙度进
56nm5915
声振动系统发出正弦激励信号传递给变幅杆,变幅一步减小至Ra,使总粗糙度提高%,如图
杆将振动传递给工件,加工过程中工件的运动包括所示。
602022486
模具工业年第卷第期
abc
()轴向超声振动()进给方向超声振动()垂直进给方向超声振动
83
图种振动方向下超声辅助铣削
a
9()蜣螂头部与振动铣削对比
图超声辅助铣削
b
()扇贝贝壳与振动铣削对比
11
图蜣螂头部、扇贝贝壳与超声振动辅助铣削对比
aMATLAB
()仿真形貌
b
()实验结果12
图玻璃基板表面加工微沟槽结构
10
图超声辅助铣削仿真形貌和试验结果
面微结构制备的新方法。沿刻刀轴线(Z轴方向)施
3
超声振动辅助刻划加超声振动,刻划过程中,刻刀的运动轨迹变为
刻划是利用金刚石刻刀在工件表面进行挤压XOZ平面内的正弦运动轨迹,可以在工件表面刻出
V
和摩擦以制备形槽表面微结构的工艺方法。如图波纹状或凹坑形式的结构;当对副刀架或卡块施加
16
所示,金刚石刻刀固定安装在弹性刀架的卡块沿Y轴方向的超声振动时,刻刀的运动轨迹变为沿
2[14]
上,个垂直的弹簧片螺纹连接主刀架、副刀架。XOY平面内的正弦运动轨迹,可刻出附着在工件表
2
在个垂直的弹簧片作用下,刻划过程中刻刀-弹性面的正弦状结构。将振动系统的振动频率设置为
刀架系统受到外力作用时,由于弹簧片的存在,刻低频振动时,利用低频振动和刻刀-弹性刀架系统固
刀可沿X、Y、Z轴某一方向振动。基于此,现提供一有频率实现共振也是制备表面微结构的一种新方
种利用传统的刻划,通过主动施加超声振动实现表法。关于利用超声振动辅助刻划制备表面微结构
202248661
模具工业年第卷第期
abc
()轴向振动磨削()径向振动磨削()切向振动磨削
13
图振动磨削
ab
()普通磨削形貌()超声磨削形貌
14
图普通磨削和超声磨削表面形貌对比
16
图超声辅助刻划
讨。未来,复合加工是制备微结构的主流,如何融
合多种加工方法提升制备质量成为重要课题。另
外,在超声振动辅助制备表面微结构理论建模方面
尚未形成系统的研究,超声振动系统的参数、加工
参数等对表面微观结构特性的影响有待进一步研
究和探讨。
15
图超声辅助磨削制备金字塔微结构参考文献:
[1],.
张存鹰赵波超声振动辅助加工表面微结构及其特
相关的理论研究、试验工作还在进行中,利用超声[J].,2019,48(5):259-274.
性研究进展表面技术
振动辅助刻划最大的优势在于可以使用传统的刻[2],,,.
V赵丹阳李涛王敏杰等鲨鱼皮微结构微电铸复制工
[J].,2014,40(11):52-55.
划制备形槽结构,也可以主动施加高频或低频共艺研究模具工业
[3],,,.
振以制备其他不同形貌特征的表面微结构。徐中徐宇王磊等凹坑形表面在空气介质中的
[J].,2009,29(6):579-583.
减阻性能研究摩擦学学报
4[4],,,.
结束语蒋炳炎强军刘宇杰等微结构模芯电铸工艺分析及
[J].,2020,46(12):68-71.
介绍了超声辅助技术与传统的车削、铣削、磨系统设计模具工业
[5].[J].
赵波超声加工技术的研究现状和发展方向简介
削相结合以制备微结构的原理和应用,同时还介绍,2020,40(1):1-4.
金刚石与磨料磨具工程
了利用超声辅助刻划制备表面微结构的新方法。[6]SCHUBERTA,NESTLERA,PINTERNAGELS,⁃
国内目前对应用超声辅助技术制备表面微观结构enceofultrasonicvibrationassistanceonsurfaceintegrity
的研究尚处于起步阶段,采用超声辅助技术制备表inturningofthealuminiumalloyAA2017[J].MaterialSci⁃
面微结构能够提升制备质量和加工效率。但对微ence&EngineeringTechnology,2011,42(7):658-665.
[7]GRECOA,RAPHAELSONS,EHMANNK,⁃
结构表面机理、形成机制还需更深层的关注和探
622022486
模具工业年第卷第期
turingoftribologicalinterfacesusingthevibromechanical[J].,2013,49(23):
及其功能特性开发机械工程学报
texturingmethod[J].JournalofMaterialsProcessingTech⁃182-190.
nology,2002,121(2-3):243-251.[12],,,.
梁志强王西彬吴勇波等超声振动辅助磨削技术的
[8],,,.[J].,2010,31(11):1530-1535.
刘宪福张建华陶国灿等超声振动辅助铣削加工预测现状与新进展兵工学报
[J].,2018(5):57-60.[13]BINGG,
建模与实验验证电加工与模具
[9].hardandbrittlelinearmicro-structuredsurfaces[J].Preci⁃
陶国灿超声振动辅助铣削鱼鳞状表面成形机理及表面
[D].:,2016:5-,2017,48:98-106.
性能研究青岛山东大学
[10],,,.[14],,,.ANSYSWorkbench
丁凯李奇林苏宏华等硬脆材料超声辅助磨削技石广丰王金雨王子涛等基于的
[J].,2020,40[J].,
术研究现状及展望金刚石与磨料磨具工程机械刻划弹性刀架动态特性分析制造业自动化
(1):5-,40(5):73-76.
[11],,,.
谢晋李萍吴可可等微结构表面精密磨削技术
55
(上接第页)
[12],,.[17]REDMONJ,DIVVALAS,GIRSHICKR,
谢俐杨乐何勇机器视觉在精密模具破损检测
[J].,2013,35(11):70-72,:unified,real-timeobjectdetection[C].2016
系统中的应用制造业自动化
[13].[D].IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecog⁃
彭娟基于机器视觉的模具检测系统技术研究镇
:,2013:40-(CVPR),2016:779-788.
江江苏科技大学
[14]BAZHINVY,DANILOVIV,PETROVPA,⁃[18]LECUNY,BOSERB,DENKERJS,
mentofautomatedsystembasedonneuralnetworkalgo⁃appliedtohandwrittenzipcoderecognition[J].Neural
rithmfordetectingdefectsonmoldsinstalledoncastingComputation,1989,1(4):541-551.
machines[C].InternationalConferenceonInformation[19].[D].
韩慧基于深度学****的工业缺陷检测方法研究重
TechnologiesinBusinessandIndustry,2018:1-4.:,2019:19-22.
庆重庆邮电大学
[15],.[20].
杨传礼张修庆基于机器视觉和深度学****的材料缺陷刘雨轩基于深度学****的工件表面缺陷检测方法研究
[J].,2022,36(16):1-19.[D].:,2020:9-11.
检测应用综述材料导报天津天津工业大学
[16]SHELHAMERE,LONGJ,⁃[21],,,.YOLOV3
陈沛豪韩宇光钟皓俊等基于模型的物体
alnetworksforsemanticsegmentation[J].IEEETransac⁃[J].,2021,28(21):66-67.
识别系统研究电子测试
tionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2017,[22].[D].:
滕博文基于深度学****的卫浴陶瓷缺陷检测北京
39(4):640-651.,2021:7-11.
机械科学研究总院