流體二維振動(dòng)拋光超聲場(chǎng)分析及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著近代光學(xué)領(lǐng)域和微電子學(xué)領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)所需材料的表面質(zhì)量的要求越來(lái)越高，不僅微觀粗糙度要達(dá)到納米級(jí)，而且要求表面殘余應(yīng)力越小越好。流體二維振動(dòng)拋光技術(shù)就是基于這種需求提出的一種新型的表面拋光加工方法，它采用流體為拋光工具，并附加二維方向的超聲高頻振動(dòng)作為拋光作用力對(duì)工件進(jìn)行拋光。加工時(shí)工件直接浸泡在拋光液中做行星運(yùn)動(dòng)以保持一定的加工均勻性，在超聲振動(dòng)產(chǎn)生的交變壓力場(chǎng)和流場(chǎng)作用下，拋光液中的游離磨料沿著流體軌跡高速運(yùn)動(dòng)，并相

2、互碰撞，形成無(wú)數(shù)把微細(xì)切削刃，有規(guī)律的不斷往復(fù)沖擊研磨工件表面，完成微觀材料的去除。 本文在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置和理論基礎(chǔ)上，分析了超聲波的物理特性對(duì)流體二維振動(dòng)拋光性能的影響。首先對(duì)裝置所采用的超聲換能器輸出特性進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合水聽(tīng)器與染色法分析觀察拋光槽內(nèi)聲強(qiáng)的分布。測(cè)量結(jié)果表明，在處于電壓段150V～200V下，超聲波耦合效果最好，聲強(qiáng)分布均勻穩(wěn)定，此時(shí)輸出功率也能滿足加工需求。再利用測(cè)量所得的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)，對(duì)流體中空化氣泡所激發(fā)的

3、微射流速度以及游離磨料的運(yùn)動(dòng)速度做初步推算。 為進(jìn)一步獲取整體聲場(chǎng)的聲壓分布信息，研究拋光加工機(jī)理，采用MATLAB軟件對(duì)聲場(chǎng)壓力進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)拋光槽整體聲場(chǎng)壓力分布并不均勻，強(qiáng)度變化起伏也較大，只適合在部分空間內(nèi)作小面積工件的拋光加工。因此針對(duì)大面積工件的拋光加工需要，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)改變拋光槽內(nèi)聲源換能器的排布和工件的安夾方式，消除駐波，改善聲壓分布的均勻性，增加拋光過(guò)程的均勻性。

4、 對(duì)玻璃與硅兩種材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括單因素實(shí)驗(yàn)以及正交實(shí)驗(yàn)。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳的輸入電壓水平約為180v，拋光液濃度最佳水平為10％；對(duì)玻璃材料最佳的加工時(shí)間約為180min，而硅材料則約為360min；此外，對(duì)硅材料的加工，拋光液中可以添加一定劑量的堿性溶液以增強(qiáng)拋光質(zhì)量，提高拋光效率。正交拋光實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)硅材料，研究了上述幾種基本實(shí)驗(yàn)因素對(duì)拋光性能的綜合影響，得到最佳的實(shí)驗(yàn)因素組合為輸入電壓200V，拋光液濃度10％，拋光