超聲振動銑削光學(xué)玻璃材料表面質(zhì)量研究

摘 要：通過機(jī)械加工獲得的工件表面，其表面質(zhì)量受到殘余應(yīng)力因素的影響會產(chǎn)生缺陷。衡量切削加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)就是加工表面的表面粗糙度。對光學(xué)玻璃材料采用小直徑的立銑刀進(jìn)行超聲振動加工，通過研究，分析了采用不同的切削用量對光學(xué)玻璃材料加工表面粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，與普通銑削加工相比超聲銑削加工表面質(zhì)量較高，在超聲振動銑削加工主要影響表面質(zhì)量的切削用量是銑削速度。

關(guān)鍵詞：光學(xué)玻璃材料；超聲振動銑削加工；切削用量；表面粗糙度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.015

光學(xué)玻璃材料的硬度高、脆性大但塑性與韌性極低是一種典型非金屬硬脆材料。采用普通的加工方法難以獲得滿意表面質(zhì)量且無法保證材料表面加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。超聲振動加工是一種適用于硬脆材料且其型腔復(fù)雜的特種加工技術(shù)。通過實(shí)驗(yàn)分析得出，采用超聲振動銑削加工光學(xué)玻璃材料可獲得良好的表面質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料：ZK1型號光學(xué)玻璃材料；材料性能：比重：3.08g/cm2，剪切模量（G）：3.33 GPa，泊松系數(shù)μ：0.265，彈性模量（E）：5.487 GPa。實(shí)驗(yàn)機(jī)床：南通縱橫國際有限公司生產(chǎn)的XH714B立式加工中心，工作臺工作面寬度為400mm，工作臺工作面長度為800mm。加工刀具：直徑為Φ12mm，螺旋角00，齒數(shù)為4的PCD銑刀。使用杭州成功超聲設(shè)備有限公司制造生產(chǎn)型號為TJS-D的超聲波發(fā)生器，刀具Z向振動，振動頻率36.85HZ，振動幅值10.012μm。檢測表面粗糙度的裝置是英國Taylor Hobson公司的Talysurf CCI 6000非接觸式三維白光干涉表面輪廓儀，為提高檢測精度的可靠性，對加工表面粗糙度進(jìn)行多次檢測。實(shí)驗(yàn)裝置與檢測裝置如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在本實(shí)驗(yàn)中采用兩種加工方式對工件進(jìn)行加工，即普通銑削加工和超聲振動銑削加工，均采順銑加工方式。影響加工表面質(zhì)量的因素主要有以下幾點(diǎn)：切削深度ap，進(jìn)給量（每齒進(jìn)給量fz）f，銑削速度Vc?？紤]到因素間的交叉作用對加工表面質(zhì)量的影響，選用多因素正交實(shí)驗(yàn)法，每個(gè)因素選用四個(gè)水平。使用L16 （ 43 ）正交表，切削深度ap分別取0.1、0.2、0.3、0.4mm；每齒進(jìn)給量fz分別取0.0025、0.005、0.010、0.015mm/z；銑削速度Vc分別取151、188、226與264m/min，由于進(jìn)給速度與銑削速度之間存在交互作用，故選擇進(jìn)給量作為因素帶入實(shí)驗(yàn)用正交表中。檢測時(shí)，采樣間距為50μm，采樣面積為0.9mm×0.8mm，采樣參數(shù)為5000μm/s，對相同切削參數(shù)的加工表面測量四次，取測量結(jié)果的平均值作為此切削參數(shù)下的表面粗糙度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面粗糙度檢測結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表安排所做的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過測量得出的結(jié)果如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理并繪制成圖可以看出：

通過對圖2（a、b、c）進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）從圖a可看出，在超聲振動銑削加工下和普通銑削加工下的表面粗糙度Ra值隨著銑削速度的增加都是呈現(xiàn)下降趨勢的，超聲振動銑削加工的質(zhì)量明顯優(yōu)于普通銑削加工。當(dāng)銑削速度發(fā)生變化時(shí)，超聲銑削加工的表面粗糙度Ra相對于普通銑削加工的表面粗糙度Ra分別降低了15.38%（151m/min），35.28%（188m/min），24.24%（226m/min）和39.49%（264m/min）。

（2）從圖b可看出，在兩種不同的加工方式下，隨著每齒進(jìn)給量的增大加工表面的表面粗糙度Ra值亦呈現(xiàn)上升趨勢。通過對圖分析可看出，超聲振動銑削加工的表面粗糙度Ra的曲線圖變化平緩且隨進(jìn)給量的增大呈現(xiàn)相應(yīng)增加的聯(lián)系，而普通銑削加工的變化則波動較劇烈且無對應(yīng)關(guān)系。超聲振動銑削加工與普通銑削加工相比較，在相同加工條件下表面粗糙度值分別減小了25.06%，25.44%，25.01%和24.71% 。

（3）從圖c可看出，當(dāng)增加銑削深度時(shí)，兩種加工方式所得到的表面粗糙度Ra值，在整體上都是呈增加走向，普通銑削加工時(shí)表面質(zhì)量曲線起伏陡峭，而超聲加工下的曲線較為平緩，這亦表明超聲振動加工所得到的表面質(zhì)量的穩(wěn)定性以及表面質(zhì)量都要優(yōu)于普通銑削加工。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出，在銑削深度增加時(shí)，超聲振動加工的表面粗糙度Ra值比普通加工分別降低8.73%，23.4%，28.78%和21.6% 。

3 結(jié)論

通過對比普通銑削加工與超聲振動銑削加工發(fā)現(xiàn)，無論是從增加切削速度或是進(jìn)給量或是切削深度等因素進(jìn)行對比，在同樣的參數(shù)下，超聲振動銑削加工下所獲得的表面粗糙度Ra值與表面質(zhì)量曲線波動均要比普通銑削加工要小，這是因?yàn)檫@兩種加工方式在加工時(shí)對材料的破壞過程不同。超聲振動作用提高了加工瞬時(shí)切削速度，同時(shí)以動態(tài)沖擊力作用在工件上減小了工件的局部變形，由每次沖擊產(chǎn)生的微小破壞來實(shí)現(xiàn)切削加工，集中了作用力。所以，超聲振動銑削加工能顯著的提高加工表面質(zhì)量。

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作者簡介：洪靜，女 ，碩士，講師。