复合超声振动游离磨料抛光设备的三维设计及运动仿真

    由于科学技术的发展，许多领域对超光滑表面加工技术都提出了更高的要求，表面粗糙度有些要求达到亚纳米量级，新的超光滑表面加工方法（如化学机械抛光、弹性发射加工、等离子场致加工、浮法抛光，磁力抛光等等）都达到了传统抛光所达不到的效果。但由于设备、加工效率等原因，这些方法推广应用受到不同程度的限制．现在的获取超光滑表面的方法的主流还是基于传统的有磨料研磨和抛光，并在其基础上进行改进。本文在提出游离磨料振动强化抛光加工方法的基础上，设计了一种实用的复合超声振动游离磨料抛光设备。其优点是：(1)加工范围大，对加工前的表面粗糙度的适应性好，可获得较高的表面质量。(2)复合加工方法仅需改变加工参数既可完成加工过程，加工效率高。与有膜的游离磨料加工方法相比，复合加工法不仅可以加工平面，加工复杂曲面将更有发展前景。与无膜的游离磨料加工方法相比，复合加工提高了材料的去除效率。

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1 复合超声振动的游离磨料抛光原理

    游离磨料抛光是利用工件在游离态磨料液体中的高速振动，依靠磨粒对工件材料表面的冲击和摩擦运动，以此消除工件表面残余应力和表面微裂纹表面微观不平整度，从而达到降低工件表面粗糙度，强化工件表面的效果。

    工件高速往复运动时，其表面与游离态磨料介质高速碰撞，受磨粒冲击后，工件材料表面在磨料尖角移动时产生接触点的横向塑性流动，从而切出一定数量的徽体积材料产生微切削磨损，使磨料对工件表面产生一定的磨削作用，降低工件表面粗糙度。此外，磨料箱的底部和侧面装有超声换能器，利用超声振动产生的交变压力场和流场，驱动抛光液冲刷工件表面，同时游离磨料在受激状态下会产生相互之间的高速碰撞运动，形成无数把微细切削刃，不断往复冲击研磨工件表面；另一方面，当超声波在抛光液中传播时，会产生瞬态空化效应，工件表面附近产生局部的能量集中，引发高温、高压、冲击波和高速射流等极端现象，这种现象能降低工件表层原子的原子结合能，使材料更容易去除。

图1 游离磨料抛光设备三维设计的树形层次模型

2 游离磨料抛光设备工作原理

    激振机构是振动抛光机的核心部分，工件在激振机构的带动下做高速的振动，与游离态磨料发生碰撞，达到抛光和表面强化的作用。