二維超聲振動(dòng)輔助石英玻璃磨削試驗(yàn)及分析

吳慶玲 王翠 荊強(qiáng) 孫江波 孫敏

摘 要：石英玻璃在加工領(lǐng)域中是一種很具代表性的硬脆性材料，它常用于制作光學(xué)透鏡，并且在醫(yī)學(xué)和電子信息領(lǐng)域也常用到石英玻璃相關(guān)制品。為了提高硬脆材料石英玻璃磨削加工的效率與效果，提出了選用分離式二維超聲橢圓振動(dòng)開(kāi)式砂帶磨削方式。設(shè)計(jì)搭建了一種二維超聲橢圓振動(dòng)砂帶裝置，然后以單因素優(yōu)選法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找出影響加工后的石英玻璃材料的表面粗糙度的各因素，并分別研究了其影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：超聲振動(dòng);砂帶磨削;石英玻璃;表面質(zhì)量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.030

1 引言

石英玻璃材料長(zhǎng)期以來(lái)作為一種具有高硬度、高穩(wěn)定性、高透光性的光學(xué)材料主力軍，因其在光學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和加工性能上的優(yōu)良特點(diǎn)，如今在化工領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、光學(xué)系統(tǒng)乃至半導(dǎo)體通信領(lǐng)域等都有著重要的應(yīng)用與廣闊的前景。但石英玻璃的難加工性也逐漸引起人們的重視，其脆塑性轉(zhuǎn)變臨界加工深度很小，可加工性能差，加工后的表面易存在裂紋。本文設(shè)計(jì)搭建了一種二維超聲橢圓振動(dòng)砂輪裝置，并且以單因素優(yōu)選法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找出影響加工后的石英玻璃材料的表面粗糙度的各因素，并分別研究了其影響規(guī)律。

2實(shí)驗(yàn)裝置的搭建

本實(shí)驗(yàn)二維超聲橢圓振動(dòng)磨削系統(tǒng)由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床以及砂帶進(jìn)給系統(tǒng)三部分組成。超聲振動(dòng)系統(tǒng)包含超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、變幅桿以及加工工具頭等。砂帶進(jìn)給系統(tǒng)包括砂帶、步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)向帶輪與收放帶輪等。超聲波變幅桿是超聲振動(dòng)砂帶磨削加工過(guò)程中的核心部件。本實(shí)驗(yàn)裝置首先應(yīng)在一超聲波變幅桿一端固定一塊矩形45鋼塊工具頭，用于固定石英玻璃材料，橫向放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái);另一超聲波變幅桿端面固定一個(gè)圓柱形工具頭用于連接砂帶，將其縱向放置，兩復(fù)合變幅桿共同作用可實(shí)現(xiàn)橢圓振動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)材料及相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)前要根據(jù)實(shí)際中的磨削拋光相關(guān)經(jīng)驗(yàn)以及振幅、進(jìn)給速度等加工參數(shù)的影響公式來(lái)合理選擇參考參數(shù)值或相應(yīng)范圍，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析在二維橢圓振動(dòng)加工過(guò)程中，不同的加工參數(shù)對(duì)工件被加工表面的表面粗糙度的影響。根據(jù)兩種復(fù)合型變幅桿的設(shè)計(jì)參數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中橫向的復(fù)合變幅桿換能器振動(dòng)頻率為28.02kHz，縱向的復(fù)合變幅桿換能器的振動(dòng)頻率應(yīng)為28.21kHz。帶的轉(zhuǎn)速與變幅桿的輸出振幅值及吃刀深呈正相關(guān)關(guān)系，帶轉(zhuǎn)速隨輸出的振幅值變大而越大，同時(shí)會(huì)使到帶表面磨損嚴(yán)重，應(yīng)而取帶轉(zhuǎn)速約1.18mm/min。

4 加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響實(shí)驗(yàn)

4.1 吃刀深度的影響作用

實(shí)驗(yàn)中被加工件石英玻璃的進(jìn)給速度為0.166mm/min，帶吃刀深度分別為1μm、2μm、2.5μm、3μm。兩復(fù)合變幅桿功率都為69W，橫向變幅桿振幅為4.4μm，縱向變幅桿振為5.2μm。從結(jié)果可得出，其他參數(shù)不變時(shí)，石英玻璃表面粗糙度值會(huì)隨著吃刀深度增加越大。

4.2 工件進(jìn)給速度的影響作用

實(shí)驗(yàn)中帶磨削深度為2μm，分別取被加工材料進(jìn)給速度為0.285mm/min、0.386mm/min、0.504mm/min做單因素試驗(yàn)。兩復(fù)合變幅桿功率都為69W，橫向復(fù)合變幅桿和縱向復(fù)合變幅桿的振幅分別為4.2μm與5μm，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果后可知石英玻璃材料的進(jìn)給速度數(shù)值與加工后的表面呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié)論

本文搭建出了二維超聲振動(dòng)開(kāi)式砂帶磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)單因素優(yōu)選法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找出影響加工后的石英玻璃材料的表面粗糙度的各因素，并分別研究分析了其作用規(guī)律。得到吃刀深度和被加工工件進(jìn)給速度值都與被加工表面粗糙度值呈正相關(guān)關(guān)系，并且在較大的和下，試件被加工表面會(huì)出現(xiàn)很多缺陷如裂縫與凹坑，適當(dāng)減小吃刀深度或降低進(jìn)給速度可以達(dá)到改善表面粗糙度的效果。

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本項(xiàng)目受到吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃項(xiàng)目資助（JJKH20170288KJ）

作者簡(jiǎn)介：吳慶玲（1984-），女，山東菏澤人，碩士，副教授，主要研究方向：精密加工方面。