二維超聲振動輔助石英玻璃磨削試驗及分析

吳慶玲 王翠 荊強 孫江波 孫敏

摘 要：石英玻璃在加工領域中是一種很具代表性的硬脆性材料，它常用于制作光學透鏡，并且在醫學和電子信息領域也常用到石英玻璃相關制品。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開式砂帶磨削方式。設計搭建了一種二維超聲橢圓振動砂帶裝置，然后以單因素優選法設計實驗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律。

關鍵詞：超聲振動;砂帶磨削;石英玻璃;表面質量

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

1 引言

石英玻璃材料長期以來作為一種具有高硬度、高穩定性、高透光性的光學材料主力軍，因其在光學性能、化學穩定性和加工性能上的優良特點，如今在化工領域、航空航天領域、光學系統乃至半導體通信領域等都有著重要的應用與廣闊的前景。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。本文設計搭建了一種二維超聲橢圓振動砂輪裝置，并且以單因素優選法設計實驗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律。

2實驗裝置的搭建

本實驗二維超聲橢圓振動磨削系統由超聲振動系統、機床以及砂帶進給系統三部分組成。超聲振動系統包含超聲波發生器、超聲波換能器、變幅桿以及加工工具頭等。砂帶進給系統包括砂帶、步進電機、導向帶輪與收放帶輪等。超聲波變幅桿是超聲振動砂帶磨削加工過程中的核心部件。本實驗裝置首先應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，橫向放置于實驗臺;另一超聲波變幅桿端面固定一個圓柱形工具頭用于連接砂帶，將其縱向放置，兩復合變幅桿共同作用可實現橢圓振動。

3 實驗材料及相關參數

實驗前要根據實際中的磨削拋光相關經驗以及振幅、進給速度等加工參數的影響公式來合理選擇參考參數值或相應范圍，然后通過實驗分析在二維橢圓振動加工過程中，不同的加工參數對工件被加工表面的表面粗糙度的影響。根據兩種復合型變幅桿的設計參數，在本實驗過程中橫向的復合變幅桿換能器振動頻率為28.02kHz，縱向的復合變幅桿換能器的振動頻率應為28.21kHz。帶的轉速與變幅桿的輸出振幅值及吃刀深呈正相關關系，帶轉速隨輸出的振幅值變大而越大，同時會使到帶表面磨損嚴重，應而取帶轉速約1.18mm/min。

4 加工參數對表面粗糙度的影響實驗

4.1 吃刀深度的影響作用

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

4.2 工件進給速度的影響作用

實驗中帶磨削深度為2μm，分別取被加工材料進給速度為0.285mm/min、0.386mm/min、0.504mm/min做單因素試驗。兩復合變幅桿功率都為69W，橫向復合變幅桿和縱向復合變幅桿的振幅分別為4.2μm與5μm，進行實驗。分析實驗結果后可知石英玻璃材料的進給速度數值與加工后的表面呈負相關關系。

5 結論

本文搭建出了二維超聲振動開式砂帶磨削實驗平臺，通過單因素優選法設計實驗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律。得到吃刀深度和被加工工件進給速度值都與被加工表面粗糙度值呈正相關關系，并且在較大的和下，試件被加工表面會出現很多缺陷如裂縫與凹坑，適當減小吃刀深度或降低進給速度可以達到改善表面粗糙度的效果。

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本項目受到吉林省教育廳“十三五”科學技術研究規劃項目資助（JJKH20170288KJ）

作者簡介：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。