光学玻璃材料超声振动铣削力的探究范文

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摘要：针对光学玻璃加工中存在效率低、存在表面微裂纹等问题，采用超声辅助铣削工艺，基于超声振动高频冲击效应，研究切削参数及声学参数对铣削力的影响，建立了光学玻璃超声振动铣削的铣削力模型。通过对比实验研究，对超声振动铣削和常规铣削光学玻璃，讨论了铣削速度、每齿进给量、铣削深度等因素对铣削力的影响。实验结果表明，在超声铣削情况下，铣削力与常规铣削力相比大幅度降低。

关键词：超声振动铣削；光学玻璃；铣削力；多因素正交实验方法

引言

光学玻璃是光电技术产业的基础，充当着关键元件的作用，在光传输、光储存和光电显示三大领域的应用近年突飞猛进。例如，光学玻璃常被用来制作激光发生发射装置、火炮发射瞄准镜镜头、隐形雷达探照镜、高速飞行器窗口中的光学透镜、棱镜等超精密零件。光学玻璃的加工技术日益重要，但其脆性高、断裂韧性低的特性采用常规的加工方法难以获得高的表面质量，产品合格率较低，加工成本较高。目前可以将旋转超声波平面铣削(RUFM)工艺引入到K9玻璃的平面加工中，比较研究了RUFM的切削力和K9玻璃的金刚石磨削。实验结果表明切削深度与切削刃超声振幅之间的关系对切削力有显着影响，RUFM工艺可以显着降低切削力［1］。MustafaBakkal通过进行一系列铣削和钻孔实验研究锆基块体金属玻璃(Zr52.5Ti5Cu17.9Ni14.6Al10)(BMG)材料的可加工性，实验进行了螺旋铣削和槽铣削操作，结论认为，使用传统的切削工具可以实现具有良好表面粗糙度的加工［2］。天津大学的房丰州对ZKN7光学玻璃进行了金刚石超精密切削试验，当切削厚度为0.6μm，进给速度为0.28μm/r时加工得到了Ra为14.5nm的光滑表面，但是检测时发现车刀刃口和工件接触面的最外侧区域的微裂纹最易发生扩展，刀具的磨损严重，工件材料和刀具的剪切应力波动较大，刀具寿命降低［3］。对于难加工材料，超声波铣削加工表现出巨大的优越性特别是脆硬材料的高精度加工。哈尔滨工业大学的周明对熔融石英玻璃进行了超声振动辅助切削试验［4］，观察研究了振动对材料的脆－塑性转变和切削力的影响，在传统加工条件下，玻璃的塑性域加工的临界切削深度约为0.5μm，而在超声振动条件下加工时材料的塑性域临界切削深度可达1.5μm，是传统加工的3倍。雷晓军采用超声铣削和普通铣削加工方法对复合材料进行试验研究，试验结果表明，在超声加工条件下，由于外加的周期性振动使铣削力大大减小，使得已加工表面产生较小的应力场［5］。河南理工大学的向道辉通过轴向超声振动辅助条件下单颗CBN磨粒切削试件的试验，以磨削力为研究对象，从微观角度进行磨粒的运动分析，轴向超声辅助条件下的切削力均小于普通条件下的切削力［6］。超声波加工主要以脉冲式切削作为其特征，不仅能够降低切削力和切削热效应，还能大幅度降低加工表面粗糙度，提高加工精度，延长刀具使用寿命。在超声铣削中，铣削力的大小决定着工件的加工质量和精度［7－8］。本文采用多因素正交实验的方法，通过不同的实验参数，综合研究不同的加工因素对铣削力的影响规律，找出适合光学玻璃微超声铣削的最优参数组合。

1超声铣削力的模型

在相同的切削条件下，超声振动铣削加工是由普通切削和超声振动共同作用的结果。切削力来源于三个方面:克服被加工材料弹性变形的抗力，克服材料纤维断裂及剪切的抗力，克服切屑与刀具的摩擦阻力，从切削三要素出发。

2实验条件和实验方案

2.1铣削实验条件在超声振动切削加工中，铣削参数和加工装备的选择至关重要。本实验中工件材料选用的是型号为BK7的光学玻璃，其材料性能，实验中使用的机床、刀具。

2.2实验方案超声振动铣削光学玻璃材料的铣削力测量系统主要由超声波发生器、三向铣削力测试仪、型号为5070的多通道电荷放大器、计算机等组成，实验中使用的测力仪是瑞士Kistler公司生产的Kistler9257B测力仪。

2.3超声振动铁削力实验结果分析本实验中使用了Kistler测力仪对实验测力，同时使用Kistler测力仪的软件可以对所测得的铣削力进行分析。切削条件为超声频率f=35.27kHz，铣削速度Vc=47.1m/min，每齿进给量fz=0.08mm，铣削深度ap=0.4mm时。

2.4各个因素对铣削力的影响分析

(1)铣削速度对铣削力的影响在超声铣削和普通铣削两种方式下铣削力Fx、Fy、Fz与铣削速度的关系曲线如图3所示。从图中可得出，在两种铣削方式下的铣削力Fx、Fy、Fz都随着铣削速度增加而增加，当铣削速度从225m/min增加到265m/min时，铣削力都急剧增加。同时，在铣削速度增加的过程中铣削振动明显增加。这是由于随着铣削速度的增大工件材料的应变速率也增大，在单位时间内的切削体积增加了，从而导致了铣削力的增加。图中显示超声铣削加工中的铣削力Fx、Fy、Fz都要比普通铣削中的铣削力平均低12N～75N，这就说明超声铣削在一定条件下可以有效的降低加工中的铣削力，尤其是Y向和Z向上的力，从而可提高铣削加工稳定性。

(2)每齿进给量对铣削力的影响在超声铣削与普通铣削加工两种方式下，铣削力Fx、Fy、Fz与每齿进给量的关系曲线。在两种铣削方式下，铣削力Fx、Fy、Fz在总体上都是随着进给量的增大而增加。在普通铣削加工下三个方向上的铣削力变化都是非常明显的，而在超声铣削加工时铣削力Fx、Fy、Fz的变化比较小，这说明超声铣削加工下产生的铣削力要比普通铣削加工下的铣削力大幅减小，可有效降低加工中产生的铣削力，从而提高加工的稳定性。另外超声铣削下，进给量的增加对Y向和Z向的铣削力影响较小，对X向的铣削力影响比较明显，这说明超声铣削能有效的降低Y向和Z向的铣削力，同时与普通铣削加工相比，也使X向的铣削力力变化也较为均匀。

(3)铣削深度对铣削力的影响在超声铣削与普通铣削两种方式下铣削力Fx、Fy、Fz与铣削深度的关系曲线。从图中可以看出，随着铣削深度的增加，两种铣削方式下产生的铣削力均呈现增大走势，分析其中原因，随着铣削深度的加大，单位时间内材料的去除量也在增加，消耗的能量增多，铣削力随之增大。而且由于铣削深度增加了，刀具的切削刃对材料的切削长度也是增加的，刀具与工件的接触面积增加，摩擦力随之增大等，从而造成了铣削力的增加。但是超声铣削与普通铣削相比，三个方向的铣削力Fx、Fy、Fz都要比普通铣削中的铣削力降低很多，这说明超声铣削可有效降低加工中产生的铣削力，从而提高加工的稳定性。

3结论

实验表明，随着铣削速度、每齿进给量、铣削深度这些切削参数值的增加，在超声加工和普通加工下的铣削力都是随之增加的，但是在超声加工方式下铣削力增加的幅度是比较小的而且呈均匀增加的态势。其中每齿进给量对超声铣削条件下的铣削力影响较小。同时，在同等切削条件下，超声铣削加工下产生的铣削力要比普通铣削加工下的铣削力大幅减小，试验结果和超声铣削力模型理论推导结果一致，从而说明超声铣削加工可有效降低加工中产生的力，进而提高加工的稳定性。

作者：赵捷1；浮宗霞2 单位：1．河南工业和信息化职业学院，2．平顶山学院