光學玻璃材料超聲振動銑削力的探究范文

本站小編為你精心準備了光學玻璃材料超聲振動銑削力的探究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：針對光學玻璃加工中存在效率低、存在表面微裂紋等問題，采用超聲輔助銑削工藝，基于超聲振動高頻沖擊效應，研究切削參數及聲學參數對銑削力的影響，建立了光學玻璃超聲振動銑削的銑削力模型。通過對比實驗研究，對超聲振動銑削和常規銑削光學玻璃，討論了銑削速度、每齒進給量、銑削深度等因素對銑削力的影響。實驗結果表明，在超聲銑削情況下，銑削力與常規銑削力相比大幅度降低。

關鍵詞：超聲振動銑削；光學玻璃；銑削力；多因素正交實驗方法

引言

光學玻璃是光電技術產業的基礎，充當著關鍵元件的作用，在光傳輸、光儲存和光電顯示三大領域的應用近年突飛猛進。例如，光學玻璃常被用來制作激光發生發射裝置、火炮發射瞄準鏡鏡頭、隱形雷達探照鏡、高速飛行器窗口中的光學透鏡、棱鏡等超精密零件。光學玻璃的加工技術日益重要，但其脆性高、斷裂韌性低的特性采用常規的加工方法難以獲得高的表面質量，產品合格率較低，加工成本較高。目前可以將旋轉超聲波平面銑削(RUFM)工藝引入到K9玻璃的平面加工中，比較研究了RUFM的切削力和K9玻璃的金剛石磨削。實驗結果表明切削深度與切削刃超聲振幅之間的關系對切削力有顯著影響，RUFM工藝可以顯著降低切削力［1］。MustafaBakkal通過進行一系列銑削和鉆孔實驗研究鋯基塊體金屬玻璃(Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10)(BMG)材料的可加工性，實驗進行了螺旋銑削和槽銑削操作，結論認為，使用傳統的切削工具可以實現具有良好表面粗糙度的加工［2］。天津大學的房豐州對ZKN7光學玻璃進行了金剛石超精密切削試驗，當切削厚度為0.6μm，進給速度為0.28μm/r時加工得到了Ra為14.5nm的光滑表面，但是檢測時發現車刀刃口和工件接觸面的最外側區域的微裂紋最易發生擴展，刀具的磨損嚴重，工件材料和刀具的剪切應力波動較大，刀具壽命降低［3］。對于難加工材料，超聲波銑削加工表現出巨大的優越性特別是脆硬材料的高精度加工。哈爾濱工業大學的周明對熔融石英玻璃進行了超聲振動輔助切削試驗［4］，觀察研究了振動對材料的脆－塑性轉變和切削力的影響，在傳統加工條件下，玻璃的塑性域加工的臨界切削深度約為0.5μm，而在超聲振動條件下加工時材料的塑性域臨界切削深度可達1.5μm，是傳統加工的3倍。雷曉軍采用超聲銑削和普通銑削加工方法對復合材料進行試驗研究，試驗結果表明，在超聲加工條件下，由于外加的周期性振動使銑削力大大減小，使得已加工表面產生較小的應力場［5］。河南理工大學的向道輝通過軸向超聲振動輔助條件下單顆CBN磨粒切削試件的試驗，以磨削力為研究對象，從微觀角度進行磨粒的運動分析，軸向超聲輔助條件下的切削力均小于普通條件下的切削力［6］。超聲波加工主要以脈沖式切削作為其特征，不僅能夠降低切削力和切削熱效應，還能大幅度降低加工表面粗糙度，提高加工精度，延長刀具使用壽命。在超聲銑削中，銑削力的大小決定著工件的加工質量和精度［7－8］。本文采用多因素正交實驗的方法，通過不同的實驗參數，綜合研究不同的加工因素對銑削力的影響規律，找出適合光學玻璃微超聲銑削的最優參數組合。

1超聲銑削力的模型

在相同的切削條件下，超聲振動銑削加工是由普通切削和超聲振動共同作用的結果。切削力來源于三個方面:克服被加工材料彈性變形的抗力，克服材料纖維斷裂及剪切的抗力，克服切屑與刀具的摩擦阻力，從切削三要素出發。

2實驗條件和實驗方案

2.1銑削實驗條件在超聲振動切削加工中，銑削參數和加工裝備的選擇至關重要。本實驗中工件材料選用的是型號為BK7的光學玻璃，其材料性能，實驗中使用的機床、刀具。

2.2實驗方案超聲振動銑削光學玻璃材料的銑削力測量系統主要由超聲波發生器、三向銑削力測試儀、型號為5070的多通道電荷放大器、計算機等組成，實驗中使用的測力儀是瑞士Kistler公司生產的Kistler9257B測力儀。

2.3超聲振動鐵削力實驗結果分析本實驗中使用了Kistler測力儀對實驗測力，同時使用Kistler測力儀的軟件可以對所測得的銑削力進行分析。切削條件為超聲頻率f=35.27kHz，銑削速度Vc=47.1m/min，每齒進給量fz=0.08mm，銑削深度ap=0.4mm時。

2.4各個因素對銑削力的影響分析

(1)銑削速度對銑削力的影響在超聲銑削和普通銑削兩種方式下銑削力Fx、Fy、Fz與銑削速度的關系曲線如圖3所示。從圖中可得出，在兩種銑削方式下的銑削力Fx、Fy、Fz都隨著銑削速度增加而增加，當銑削速度從225m/min增加到265m/min時，銑削力都急劇增加。同時，在銑削速度增加的過程中銑削振動明顯增加。這是由于隨著銑削速度的增大工件材料的應變速率也增大，在單位時間內的切削體積增加了，從而導致了銑削力的增加。圖中顯示超聲銑削加工中的銑削力Fx、Fy、Fz都要比普通銑削中的銑削力平均低12N～75N，這就說明超聲銑削在一定條件下可以有效的降低加工中的銑削力，尤其是Y向和Z向上的力，從而可提高銑削加工穩定性。

(2)每齒進給量對銑削力的影響在超聲銑削與普通銑削加工兩種方式下，銑削力Fx、Fy、Fz與每齒進給量的關系曲線。在兩種銑削方式下，銑削力Fx、Fy、Fz在總體上都是隨著進給量的增大而增加。在普通銑削加工下三個方向上的銑削力變化都是非常明顯的，而在超聲銑削加工時銑削力Fx、Fy、Fz的變化比較小，這說明超聲銑削加工下產生的銑削力要比普通銑削加工下的銑削力大幅減小，可有效降低加工中產生的銑削力，從而提高加工的穩定性。另外超聲銑削下，進給量的增加對Y向和Z向的銑削力影響較小，對X向的銑削力影響比較明顯，這說明超聲銑削能有效的降低Y向和Z向的銑削力，同時與普通銑削加工相比，也使X向的銑削力力變化也較為均勻。

(3)銑削深度對銑削力的影響在超聲銑削與普通銑削兩種方式下銑削力Fx、Fy、Fz與銑削深度的關系曲線。從圖中可以看出，隨著銑削深度的增加，兩種銑削方式下產生的銑削力均呈現增大走勢，分析其中原因，隨著銑削深度的加大，單位時間內材料的去除量也在增加，消耗的能量增多，銑削力隨之增大。而且由于銑削深度增加了，刀具的切削刃對材料的切削長度也是增加的，刀具與工件的接觸面積增加，摩擦力隨之增大等，從而造成了銑削力的增加。但是超聲銑削與普通銑削相比，三個方向的銑削力Fx、Fy、Fz都要比普通銑削中的銑削力降低很多，這說明超聲銑削可有效降低加工中產生的銑削力，從而提高加工的穩定性。

3結論

實驗表明，隨著銑削速度、每齒進給量、銑削深度這些切削參數值的增加，在超聲加工和普通加工下的銑削力都是隨之增加的，但是在超聲加工方式下銑削力增加的幅度是比較小的而且呈均勻增加的態勢。其中每齒進給量對超聲銑削條件下的銑削力影響較小。同時，在同等切削條件下，超聲銑削加工下產生的銑削力要比普通銑削加工下的銑削力大幅減小，試驗結果和超聲銑削力模型理論推導結果一致，從而說明超聲銑削加工可有效降低加工中產生的力，進而提高加工的穩定性。

作者：趙捷1；浮宗霞2 單位：1．河南工業和信息化職業學院，2．平頂山學院