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摘要：硬質合金材料因其硬度高、耐磨損，常被用作模壓加工微結構光學元件的模具材料，但在其表面進行微結構磨削加工時常存在形狀精度低、表面質量差等問題。為提高加工質量，在磨削加工微結構時引入了超聲橢圓振動。利用樹脂結合劑金剛石砂輪在WC硬質合金工件表面進行V溝槽微結構的普通磨削和超聲橢圓振動磨削試驗，研究磨削參數和超聲振動對V溝槽微結構表面粗糙度的影響，并對比分析普通磨削和超聲橢圓振動磨削后的V溝槽表面形貌.結果表明：與普通磨削相比，超聲橢圓振動磨削后的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。相比普通磨削，采用超聲橢圓振動磨削時V溝槽側面磨痕較少且更淺,更加光滑平整，底部的凹坑缺陷較少也更小，具有更高的表面質量。

關鍵詞：超聲橢圓振動磨削；表面粗糙度；表面形貌

中圖分類號：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

微結構光學元件因其體積小、重量輕，具有多

種優(yōu)異特性，如高衍射效率、的色散性能、特殊的光學功能等，在光電成像、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、機械加工等領域具有重要應用價值[1]。隨著對高精度微結構光學元件需求的不斷增加，國內外的研究機構開發(fā)了多種微結構光學元件的加工制造技術，主要有蝕刻技術、模壓加工技術、超精密車削技術、超精密磨削技術、微放電加工技術、LIGA技術等[2-4]。為了實現微結構光學元件的高精度、低成本的大規(guī)模生產，目前比較*的工藝方案是，先加工出具有微結構的模具，再利用玻璃模壓技術進行批量生產[5]。為保證模壓精度和長期一致性，模具材料通常選用硬質合金等高硬度、耐高溫、耐磨損的材料。對于模具材料的微結構表面加工，超精密磨削技術因其具有效率高、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[6]，成為微結構超硬模具加工較為切實可行的方法。

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

目前國內外對于硬脆材料表面微結構的超聲橢圓振動磨削加工的研究相對較少。本文通過WC硬質合金表面V溝槽微結構普通磨削和超聲橢圓振動磨削試驗來研究超聲橢圓振動在微結構表面磨削加工過程中的作用機理，分析其作用效果。并通過單因素試驗研究加工時磨削速度、磨削深度、進給速度對磨削后V溝槽表面質量的影響規(guī)律，為合理高效的超聲橢圓振動磨削工藝參數選擇提供理論依據，為提高模具材料表面微結構的加工質量提供新思路。

1超聲橢圓振動磨削機理

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

在磨削加工時，工件固連在振動子上以一個固有頻率做橢圓振動，V形金剛石砂輪繞自身軸線旋轉并以一定速度進給，通過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溝槽微結構超聲橢圓振動磨削加工示意圖如圖2所示。

工件的橢圓振動可分為與工件表面垂直方向的振動和砂輪進給方向振動，砂輪和工件的相對運動是砂輪的旋轉進給運動和工件橢圓振動的合成。加工過程中工件沿進給方向的振動和砂輪進給速度進行疊加形成實際的進給速度。在不考慮砂輪轉速的情況下，工件與砂輪的相對進給速度VAf為工件沿進給方向振動速度VA和進給速度Vf的矢量和，即：

其中為超聲振動角頻率，2f，f為超聲振動頻率；LA為進給方向超聲振動振幅；0為超聲振動初始相位。對于一定的振動頻率f，存在一個臨界進給速度，即VfLA，當振動速度LA大于進給速度Vf時，砂輪與工件待加工部分在磨削過程中存在分離狀態(tài)，二者周期性接觸，減少了砂輪與工件待加工部分間的實際接觸時間，砂輪相對工件的運動是周期性的往復運動，加工表面在形成后又受到砂輪的往復光磨作用，這種往復光磨作用有利于提高光潔度。同時，與工件表面垂直方向超聲振動使相對固定的磨削深度產生一定的周期變化，能降低磨削力，有助于提高工件表面質量。

2試驗條件

2.1試驗設備

超聲橢圓振動磨削與普通磨削試驗均在牧野CNS7d數控工具磨床上進行，試驗系統(tǒng)如圖3所示。試驗時，利用蜂蠟將工件粘結到超聲振動子上，再固定在機床工作臺上。超聲橢圓振動磨削時，開啟波函數發(fā)生器，超聲振動子將超聲信號轉化為相應的機械振動，帶動工件一起高頻振動，金剛石砂輪安裝在機床主軸上作高速旋轉，按照設定好的軌跡進行磨削進給，完成V溝槽磨削加工。關閉波函數發(fā)生器時工件停止振動，可進行普通磨削試驗。在磨削時，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程中，金剛石砂輪V形

極易磨損，為保證試驗準確性，需對砂輪進行修整。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的同時沿著金剛石砂輪V形輪廓以一定的磨削深度切向移動，通過修整輪磨粒對金剛石砂輪磨粒、結合劑的沖擊及研磨作用，達到整形和修銳砂輪的目的。通過對砂輪兩邊的反復修磨，最終將砂輪修整成V形。

2.3試驗參數

為分析超聲橢圓振動、磨削工藝參數對磨削表面質量的影響，分別對超聲橢圓振動磨削、普通磨削進行單因素試驗，具體參數如表1所示。采用#5000樹脂結合劑金剛石砂輪進行磨削試驗，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硬質合金。

2.4測量方法

采用多普勒測振儀測量振動子彎曲方向和伸縮方向的振幅及諧振頻率。磨削試驗后對工件進行超聲清洗，采用FEIQUANTA650FEG掃描電鏡觀測V溝槽表面微觀形貌，采用NanoMap-D光學三維輪廓儀測量V溝槽輪廓，將測得數據導入Matlab軟件中擬合出表面粗糙度。

3試驗結果與討論

3.1磨削參數對表面粗糙度的影響

超聲橢圓振動磨削及普通磨削時表面粗糙度隨磨削速度、進給速度、磨削深度的變化規(guī)律如圖5所示。可以看出，在相同的磨削參數下，超聲橢圓振動磨削時的表面粗糙度明顯低于普通磨削時。主要原因是超聲橢圓振動會使磨粒切削軌跡發(fā)生重疊，同時工件進給速度小于臨界進給速度，單顆磨粒對溝槽有往復光磨作用，有利于提高表面質量。

當磨削速度從10.5m/s增加到31.4m/s，磨削后的V溝槽表面粗糙度呈現逐漸降低的趨勢。磨削速度提高使得單位時間內砂輪磨粒在工件表面上切削次數增多，在多個磨粒累計切削作用下，V溝槽表面殘余高度減小，有助于提高表面質量。無論是普通磨削還是超聲橢圓振動磨削，磨削后V溝槽表面粗糙度均隨進給速度及磨削深度的增大而升高。磨削進給速度增加導致磨粒在單位面積上切削次數減少，進而使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，磨粒對表面的劃痕加深，使磨削表面質量降低。

3.2V溝槽表面形貌

超聲橢圓振動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，超聲橢圓振動磨削表面質量明顯高于普通磨削，普通磨削V溝槽側面磨削痕跡較多且深，而超聲橢圓振動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，施加超聲橢圓振動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，而超聲振動磨削底端并未出現較深劃痕形貌。這是因為超聲橢圓振動使磨粒軌跡在普通磨削軌跡基礎上發(fā)生周期性變化，砂輪磨粒對溝痕兩側的塑性隆起部分產生了二次切削作用，即產生所謂的研磨作用，導致工件表面上類似于毛刺的殘余材料被去除，達到提高表面質量的效果。

4結論

（1）普通磨削和超聲橢圓振動磨削時V溝槽表面粗糙度均隨進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逐漸降低的趨勢，超聲振動磨削時表面粗糙度相比普通磨削明顯降低。

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

參考文獻

[1]趙清亮,郭兵.微結構光學功能元件模具的超精密磨削

加工技術[J].機械工程學報,2011,47(21):177-185.

ZhaoQ,GuoB.Ultraprecisiongrindingtechnologyofmicrostructuredopticalfunctionalmolds[J].JournalofMechanicalEngineering,2011,47(21):177-185.

[2]GaoW,ArakiT,KiyonoS,etal.Precisionnano-fabricationandevaluationofalargeareasinusoidalgridsurfacefora

surfaceencoder[J].PrecisionEngineering,2003,27(3):289-298.

[3]PetterssonU,JacobsonS.Tribologicaltexturingofsteel

surfaceswithanoveldiamondembossingtooltechnique[J].TribologyInternational,2006,39(7):695-700.

[4]NodaD,TanakaM,ShimadaK,etal.Fabricationoflarge

areadiffractiongratingusingLIGAprocess[J].MicrosystemTechnologies,2008,14(9-11):1311-1315.

[5]HuangCY,SzeJR,HuangKC,etal.Theglass-moldingprocessforplanar-integratedmicro-opticalcomponent[J].

OpticalReview,2011,18(1):96-98.

[6]GuoB,ZhaoQ.Wheelnormalgrindingofhardandbrittle

materials[J].InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2015,79(5-8):873-880.

[7]OhmoriH,EbizukaN,MoritaS,etal.Ultraprecisionmicro-

Grindingofgermaniumimmersiongratingelementformid- infraredsuperdispersionspectrograph[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2001,50(1):221-224.

[8]YinS,OhmoriH,UeharaY,etal.microV-groovegrindinggechniqueoflargegermaniumimmersiongratingelementfor

mid-infraredspectrograph[J].JSMEInternationalJournal,2004,47(1):59-65.

[9]XieJ,ZhuoYW,TanTW.Experimentalstudyonfabricationandevaluationofmicropyramid-structuredsiliconsurface

usingaV-tipofdiamondgrindingwheel[J].PrecisionEngineering,2011,35(1):173-182.

[10]AurichJC,EngmannJ,SchuelerGM,etal.Microgrindingtoolformanufactureofcomplexstructuresinbrittle

materials[J].CIRPAnnals-ManufactruingTechnology,2009,58(1):311-314.

[11]GuoB,ZhaoQ.MechanicaltruingofV-shapediamond

wheelsformicro-structuredsurfacegrinding[J].InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2014,78(5-8):1067-1073.

[12]DenkenaB,FriemuthT,ReichsteinM,etal.Potentialsof

differentprocesskinematicsinmicrogrinding[J].CIRPAnnalsManufacturingTechnology,2003,52(1):463-466.