王江全　沈劍云　李政材　徐西鵬

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院廈門361021）

超聲振動(dòng)對(duì)光學(xué)玻璃加工的鋸切力特征研究?

王江全?沈劍云李政材徐西鵬

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院廈門361021）

超聲振動(dòng)輔助方法已在各種硬脆性材料的加工工藝中得以應(yīng)用，其優(yōu)異的加工能力和效果已得到廣泛證明。本研究中通過采集有無超聲振動(dòng)條件下鋸切光學(xué)玻璃的平均鋸切力的力學(xué)信號(hào)，對(duì)不同工藝條件下的平均鋸切力進(jìn)行分析。同時(shí)通過掃描電鏡觀察對(duì)應(yīng)力信號(hào)下工件與工具加工后表面形貌，進(jìn)一步通過超聲振動(dòng)下材料去除機(jī)理解釋超聲振動(dòng)對(duì)鋸切力影響。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)鋸切工藝相比，超聲振動(dòng)改變普通鋸切下材料的去除方式；同時(shí)可使工具保持良好的鋸切狀態(tài)，降低光學(xué)玻璃材料的鋸切力比，改善其可加工性。

超聲振動(dòng)，鋸切，鋸切力，光學(xué)玻璃

1　引言

隨著光學(xué)玻璃、藍(lán)寶石以及晶體材料等各種硬脆性材料的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)其高效精密加工已成為制造工程領(lǐng)域的重要課題。相關(guān)研究表明，將超聲引入到硬脆性材料的加工中可以降低切削力并維持一個(gè)較低值［1-2］，且可提高加工效率，已成為硬脆性材料高效精密加工的有效方法［3-5］。鋸切加工是硬脆材料零件制備流程中的第一道工序，其加工效率和質(zhì)量對(duì)后續(xù)加工工藝及零件的總體制造成本有著重要影響。本研究中將利用超聲振動(dòng)輔助方式進(jìn)行光學(xué)玻璃的鋸切加工，綜合分析超聲波輔助鋸切玻璃過程中對(duì)鋸切力的影響特征，結(jié)合超聲波下鋸切材料去除方式，分析超聲振動(dòng)對(duì)鋸切力影響機(jī)理。目的在于提高光學(xué)玻璃的切割分離過程中的效率以及調(diào)高切割后質(zhì)量，探索一種適合工業(yè)生產(chǎn)的高效高質(zhì)量的光學(xué)玻璃切割加工方式。

2　鋸切理論分析

2.1鋸切平均鋸切力分析

鋸切弧區(qū)內(nèi)磨粒與工件的相互作用產(chǎn)生總鋸切力為弧區(qū)內(nèi)所有接觸加工單顆磨粒受力總和［6］。單顆磨粒所受載荷的變化直接反應(yīng)到總平均鋸切力的變化趨勢(shì)中。本研究采用測(cè)力儀直接測(cè)量平穩(wěn)鋸切下逆切鋸切力信號(hào)平均值作為總平均鋸切力，如圖1所示。由于鋸片的直徑遠(yuǎn)大于鋸切深度，故測(cè)量水平力Fx、豎直力Fy視為法向力Fn、切向力Ft［7］。影響各個(gè)方向總平均鋸切力大小的直接原因是弧區(qū)內(nèi)單顆磨粒受載荷大小。

圖1　鋸切力模型Fig.1 Cutting force model

2.2超聲下鋸切弧區(qū)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡

超聲鋸切是普通鋸切與超聲振動(dòng)復(fù)合而成的綜合加工方法，鋸片上單顆磨粒在鋸切區(qū)運(yùn)動(dòng)方程［8］：

式（1）～（2）中，vw為工作臺(tái)進(jìn)給速度，ds為鋸片直徑，f為超聲振動(dòng)頻率，A為超聲振幅，φo為鋸片超聲振動(dòng)初相位。

超聲輔助下，經(jīng)Matlab仿真得到磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2所示。假設(shè)a、b、c為三顆有效磨粒在超聲下先后切入工件軌跡；d、f、g為普通方式下三顆磨粒平穩(wěn)切入工件軌跡。弧區(qū)內(nèi)，D為第一顆磨粒a磨粒經(jīng)過一個(gè)超聲周期界限，b、c在a經(jīng)過一個(gè)超聲周期時(shí)，接觸工件部分為包絡(luò)B、C陰影部分軌跡，其余為空切，屬于間歇性切削。超聲改變磨粒切入工件工作方式，也造成在不同參數(shù)下對(duì)平均鋸切力的影響趨勢(shì)與普通條件下不同。

3　試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

鋸切光學(xué)玻璃試驗(yàn)在立式加工中心進(jìn)行；超聲系統(tǒng)安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。鋸切力采用三向壓電晶體測(cè)力儀Kistler9257B進(jìn)行檢測(cè)，通過DEWE-2010動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，其示意圖如圖4，采集的原始信號(hào)通過虛擬數(shù)字濾波器進(jìn)行了濾波處理；超聲頻率和振幅采用激光位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，工件表面形貌采用Phenom掃描電鏡觀察。

本研究中采用青銅結(jié)合劑金剛石薄鋸片進(jìn)行鋸切實(shí)驗(yàn)，粒度600#，濃度25%，規(guī)格為50 mm ×0.3 mm×25.4 mm；工件材料為Na2SiO3光學(xué)玻璃，尺寸為10 mm×10 mm×2.5 mm；鋸切過程中，工件直接粘接在變幅桿前端工件夾具上，使用切削液。超聲頻率為28 kHz，振幅為4μm。

圖3　鋸切實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Sawing experiment device

圖4　鋸切力采集裝置示意圖Fig.4 The sawing force acquisition device

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1超聲振動(dòng)對(duì)平均鋸切力的影響

在鋸片轉(zhuǎn)速為7000 r/min和工作臺(tái)進(jìn)給速度為900 mm/min條件下，鋸切深度在有無超聲輔助兩種方式下對(duì)平均鋸切力影響如圖5所示?？梢钥闯龀曚徢袑?duì)平均鋸切力影響有很大程度上的改善。從整體上看來，兩種方式鋸切下鋸切力隨著鋸切深度增加，符合鋸切加工的一般規(guī)律。當(dāng)鋸切深度在15～60μm范圍時(shí)，超聲振動(dòng)使法向平均鋸切力降低約26.2%～46.4%，切向平均鋸切力下降約16.7%～25%，由此可知超聲振動(dòng)可以緩解普通鋸切下鋸切力大所帶來的加工問題，也改善鋸切深度增加帶來的鋸切力增大趨勢(shì)，使其遞增趨勢(shì)趨向平緩。

圖6表示鋸片轉(zhuǎn)速為7000 r/min和鋸切深度為30μm時(shí)，鋸切工作臺(tái)的進(jìn)給速度在兩種方式下對(duì)平均鋸切力影響。當(dāng)工作臺(tái)的進(jìn)給速度在600～1500 mm/min變化時(shí)，普通方式下鋸切法向平均力增加比例54.8%；超聲鋸切法向平均力增加比例38.7%，但是在平均切向力上，超聲鋸切其遞增趨勢(shì)影響不大明顯?？梢姵曊駝?dòng)一定程度上降低法向平均鋸切力隨進(jìn)給速度增加而遞增趨勢(shì)。

圖5　不同切深與總平均鋸切力關(guān)系Fig.5 Relationship of different cutting depth and average cutting force

圖6　不同進(jìn)給與總平均鋸切力關(guān)系Fig.6 Relationship of different feed and average cutting force

在圖7中，鋸切深度30μm和鋸切工作臺(tái)進(jìn)給速度900 mm/min條件下，鋸片的轉(zhuǎn)速在兩種方式下鋸切對(duì)平均鋸切力的影響。鋸片轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)法向平均力影響最大，但在5000 r/min后，切向平均力趨于平穩(wěn)有稍微上升趨勢(shì)，可能由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集問題或者材料去除方式發(fā)生改變?cè)斐傻摹５曊駝?dòng)使平均鋸切力總是小于普通平均鋸切力，法向平均鋸切力降低比例達(dá)25.7%～40%，但對(duì)切向平均鋸切力減少影響不明顯。

選擇轉(zhuǎn)速7000 r/min和鋸切工作臺(tái)進(jìn)給速度900 mm/min條件下，切深分別為15μm、30μm、45μm、60μm四組數(shù)據(jù)計(jì)算力比，如圖8所示。

圖7　不同轉(zhuǎn)速與總平均鋸切力關(guān)系Fig.7Relationship of different rotational speed and average cutting force

圖8　有無超聲輔助對(duì)鋸切力比影響Fig.8The effect of sawing force ratio with or without ultrasound assisted

超聲振動(dòng)整體上降低鋸切力比值，可能是超聲輔助改善了鋸切過程中對(duì)材料性能影響或者去除方式等。不同的鋸切用量對(duì)力比值的大小影響不同，且在不同的鋸切深度下，超聲對(duì)力比的降低程度也不同。但基本可說明超聲振動(dòng)可大大降低磨粒切入工件的難度，改善了硬脆性材料的可加工性。

4.2超聲振動(dòng)對(duì)鋸切溝槽底部形貌的影響

當(dāng)鋸切深度15μm，工作臺(tái)進(jìn)給速度900 mm/min與鋸切轉(zhuǎn)速7000 r/min時(shí)，有無超聲鋸切后溝槽底部形貌如圖9～10所示。圖9中，1處平滑拖痕與2處破碎的凹坑說明材料存在著延性去除與脆性去除兩種方式。但磨粒與工件在平滑的拖痕處，不利于切削液潤滑與排屑，會(huì)產(chǎn)生高速摩擦，易使溫度急劇升高導(dǎo)致鋸片磨粒磨損和石墨化而失去鋸切能力。增大了磨粒載荷，引起了鋸切力的增大。因此，圖7中鋸片轉(zhuǎn)速提高到5000 r/min后，普通平均鋸切力降低不再明顯。

圖10中3與4處可見超聲鋸切下材料基本是脆性破碎去除，但破碎凹坑尺寸明顯比普通方式下小，說明超聲振動(dòng)使材料更傾向于脆性微破碎去除。脆性去除減少磨粒與工件之間直接接觸摩擦，有利于冷卻液進(jìn)入鋸切區(qū)提高潤滑與排屑，降低溫度而抑制石墨化現(xiàn)象，碰撞也增加了磨粒切削刃，可進(jìn)一步降低鋸切力比與平均鋸切力，并且不受轉(zhuǎn)速影響。

圖9　普通鋸切溝槽底部形貌Fig.9 The trench bottom topography of ordinary sawing

圖10　超聲鋸切溝槽底部形貌Fig.10 The trench bottom topography of ultrasonic aided cutting

5　結(jié)論

（1）對(duì)兩種條件下鋸切光學(xué)玻璃過程力信號(hào)分析可得到結(jié)論：超聲振動(dòng)可導(dǎo)致鋸切過程中平均鋸切力的整體降低。

（2）超聲振動(dòng)使普通鋸切中磨粒平穩(wěn)切入工件的運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)殚g歇性的沖擊切削。使普通鋸切中以延性去除與脆性去除兩種方式混合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旧弦源嘈詳嗔褜?dǎo)致微破碎而被去除。

（3）超聲導(dǎo)致工件與磨粒間相互沖擊作用，以致磨粒可維持良好的自銳效果，使鋸切力比平均下降了大約17.8%，改善了硬脆性材料的可加工性，提高鋸切效率。

［1］SPUR G，HOLL S E.Material removal mechanisms during ultrasonic assisted grinding［J］.Prod.Eng.，1997，12：9-14.

［2］EGASHIRA K，MIZUTANI K，NAGAO T.Ultrasonic vibration drilling of micro-holes in glass［J］.CIRP Ann. Manuf.Technol.，2002，51（1）：339-342.

［3］ISHIKAWA K，SUWABE H，NISHIDE T，et al.A study on combined vibration drilling by ultrasonic and lowfrequency vibrations for hard and brittle materials［J］.Precis.Eng.，1998，22（4）：196-205.

［4］EGASHIRA K，MASUZAWA T.Micro-ultrasonic machining by the application of work-piece vibration［J］. CIRP Ann.Manuf.Technol.，1999，48（1）：131-134.

［5］UHLMANN SPUR G E.Surface formation in creep feed grinding of advanced ceramics with and without ultrasonic assistance［J］.CIRP Ann.Manuf.Technol.，1998，47（1）：249-252.

［6］李伯民，趙波.現(xiàn)代磨削技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［7］趙民，孫紅.金剛石鋸片切割工程陶瓷的切削力影響因素分析.工具技術(shù)［J］.2000，34（5）：15-16. ZHAO Min，SUN Hong.Analysis of factors influencing cutting force in cutting engineering ceramics by diamond saw blades［J］.Tool Engineering，2000，34（5）：15-17.

［8］張洪麗.超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)及機(jī)理研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

Influence of ultrasonic vibration on sawing force characteristic of precision sawing optic glass

WANG JiangquanSHEN JianyunLI ZhengcaiXU Xipeng
（College of Mechanical Engineering&Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Ultrasonic vibration assisted machining has been widely applied on various machining methods of hard and brittle material，and its excellent machining capability has been proven.In this study，an average cutting force signal under condition of ultrasonic vibration or without it in optical glass cutting was collected，and the average cutting force characteristics under different conditions were analyzed.At the same time，the surface morphology of the corresponding force signal and tool work-piece after machining were observed by scanning electron microscope to further explain the mechanism of material removal under ultrasonic vibration and ultrasonic vibration effect on cutting force.The results show that ultrasonic vibration can change ordinary sawing way at removing material，keep a good cutting status of tool，reduce the cutting force ratio of the optical glass material and improve its workability.

Ultrasonic vibration，Sawing，Sawing force，Optic glass

TB559

A

1000-310X（2015）04-0339-05

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.008

2015-01-30收稿；2015-04-25定稿

?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275181）

王江全（1989-），男，廣東湛江人，碩士研究生，研究方向：高效精密加工。?

E-mail：771509531@qq.com