超聲振動銑削光學玻璃材料表面質量研究

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

關鍵詞：光學玻璃材料；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量且無法保證材料表面加工質量的穩定性。超聲振動加工是一種適用于硬脆材料且其型腔復雜的特種加工技術。通過實驗分析得出，采用超聲振動銑削加工光學玻璃材料可獲得良好的表面質量。

1 實驗條件與實驗方案

1.1 實驗條件

在本實驗中，實驗材料：ZK1型號光學玻璃材料；材料性能：比重：3.08g/cm2，剪切模量（G）：3.33 GPa，泊松系數μ：0.265，彈性模量（E）：5.487 GPa。實驗機床：南通縱橫國際有限公司生產的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，齒數為4的PCD銑刀。使用杭州成功超聲設備有限公司制造生產型號為TJS-D的超聲波發生器，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行多次檢測。實驗裝置與檢測裝置如圖1所示。

1.2 實驗方案

在本實驗中采用兩種加工方式對工件進行加工，即普通銑削加工和超聲振動銑削加工，均采順銑加工方式。影響加工表面質量的因素主要有以下幾點：切削深度ap，進給量（每齒進給量fz）f，銑削速度Vc。考慮到因素間的交叉作用對加工表面質量的影響，選用多因素正交實驗法，每個因素選用四個水平。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，由于進給速度與銑削速度之間存在交互作用，故選擇進給量作為因素帶入實驗用正交表中。檢測時，采樣間距為50μm，采樣面積為0.9mm×0.8mm，采樣參數為5000μm/s，對相同切削參數的加工表面測量四次，取測量結果的平均值作為此切削參數下的表面粗糙度。

2 實驗結果及分析

2.1 表面粗糙度檢測結果

根據正交實驗表安排所做的實驗，經過測量得出的結果如表1所示。

2.2 實驗結果分析

通過對實驗結果進行分析處理并繪制成圖可以看出：

通過對圖2（a、b、c）進行分析，可以得出如下結論：

（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下降趨勢的，超聲振動銑削加工的質量明顯優于普通銑削加工。當銑削速度發生變化時，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，隨著每齒進給量的增大加工表面的表面粗糙度Ra值亦呈現上升趨勢。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給量的增大呈現相應增加的聯系，而普通銑削加工的變化則波動較劇烈且無對應關系。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，當增加銑削深度時，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，普通銑削加工時表面質量曲線起伏陡峭，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量的穩定性以及表面質量都要優于普通銑削加工。通過對實驗結果分析得出，在銑削深度增加時，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 結論

通過對比普通銑削加工與超聲振動銑削加工發現，無論是從增加切削速度或是進給量或是切削深度等因素進行對比，在同樣的參數下，超聲振動銑削加工下所獲得的表面粗糙度Ra值與表面質量曲線波動均要比普通銑削加工要小，這是因為這兩種加工方式在加工時對材料的破壞過程不同。超聲振動作用提高了加工瞬時切削速度，同時以動態沖擊力作用在工件上減小了工件的局部變形，由每次沖擊產生的微小破壞來實現切削加工，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量。

參考文獻：

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作者簡介：洪靜，女 ，碩士，講師。