流体二维振动抛光磨粒运动轨迹及流场分析

　　1引言

　　近年来,随着光学与微电子学等的不断发展,对关键零件表面精度的要求越来越高,需要达到纳米甚至原子级。相应地,如何实现零件的超光滑抛光已经成为精密加工的一个重要研究课题[1-4]。为了稳定并且高效率的获得亚纳米无损伤超光滑表面,我们提出流体二维振动物理—化学复合超光滑表面加工技术,这是一种全新的超光滑表面加工方法。该方法采用流体 “软”物质取代抛光垫, 并施加二维高频振动作为抛光作用力,实现对各种平面或缓变曲面工件表面实现原子(分子)规模的精密去除和抛光。为了较好的施加二维高频振动,我们采用压电陶瓷换能器提供垂直方向的振动,采用激振器提供水平方向的振动,振动频率为50～500Hz,振幅为几百微米到几毫米可调。激振器与振体相连,因此振体能否响应激振器的振动是水平振动能否实现的关键。本文采用有限元法,利用 ANSYS 软件对振动体的固有振动特性进行了分析。并用c语言作为工具对二维振动耦合的作用下磨料粒子的运动轨迹进行了初步的仿真分析。

　　2 振动体中磨料粒子运动轨迹分析

　　由于在抛光的时候振动体中磨料粒子的运动轨迹对于加工效果有着很大的影响,我们有必要研究磨料粒子在二维高频振动耦合下的运动轨迹, 便于以后对加工机理进行深入的研究。在二维振动中, 超声换能器提供竖直方向的超声振动其振动频率为20000～40000Hz,振幅为几到十几微米可调,激振器提供水平方向的振动,振动频率50～500Hz,振幅为几百微米到几毫米可调。文采用了C 语言作为工具,并结合物理学中波的叠加原理,对在磨料粒子二维振动耦合情况下的运动轨迹进行初步的仿真分析,以反映粒子在抛光过程中的运动状态。

　　由于水平方向和竖直方向的振动波都是谐波,且都是纵波,故可设在水平方向的高频振动的波函数为 X,竖直方向的超声振动的波函数为 Y,其表达式分别如下:

　　图3-图6是以振幅和频率作为变量模拟出磨料粒子在二维耦合振动作用下的运动轨迹。

　　一般来说,在相互垂直的分振动频率不同的条件下, 合振动的轨迹不能形成稳定的图案,但如分振动频率成整数比,则合振动的轨迹为稳定的曲线即Lissajous图形。然而在本研究中发现由于两个分振动的振幅和频率相差较大,上述的这些轨迹曲线并不稳定,其最终的结果都会变成如图6的形式。这是由于轨迹的不稳定且在限定的区域内随机运动而形成的结果。

　　3 流固耦合分析

　　由于在抛光的时候振动体中流体振动场的振动状态对于加工效果有着很大的影响,我们有必要研究在二维高频振动耦合下的流体的振动状态,分析磨料粒子在二维高频振动耦合下的运动轨迹,便于以后对加工机理进行深入的研究。文采用了 ANSYS 作为工具,对二维高频振动下的振动体进行流固耦合分析,模拟和分析了振动体中的流场,对磨料粒子在二维振动耦合情况下的运动轨迹进行初步的仿真分析,优化参数并结合实验以提高抛光加工效率加工质量[5-6]。因为在谐响应分析和实验中都发现水平方向的振动频率为135Hz 时,振动体的响应效果最好,因此在做流固耦合分析的时候,选择水平方向的频率为 135Hz,振幅为 15 μ m,垂直方向振动频率为 40KHz,振幅为 5 μ m 。分析结果如图 7 、图 8 。