張翔宇 桑一村 許嘉賓 謝錦成 譚積明

（①天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，天津 300222；②哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；③天津精芯機(jī)械設(shè)備制造有限公司，天津 300356）

石英和微晶玻璃是生活中比較常見的玻璃材料，都具有優(yōu)良的光學(xué)性能和機(jī)械性能。因其具有高硬度、耐熱震性、耐高溫、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、膨脹系數(shù)低和良好的電絕緣性等優(yōu)良性能被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。目前，石英玻璃和微晶玻璃材料的制備方法不僅局限于小尺寸零件的加工制造上，近幾年隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)生活的需要，石英玻璃和微晶玻璃材料開始向大尺寸、高質(zhì)量和低成本的方向發(fā)展。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在石英玻璃和微晶玻璃材料等脆性材料磨削加工的探究取得了一定的研究進(jìn)展。李兵歌等[1]以石英玻璃作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了超聲磨削加工實(shí)驗(yàn)，引入塑脆轉(zhuǎn)化理論模型，探究超聲磨削對(duì)材料表面質(zhì)量的影響。Zahedi A 等[2]對(duì)Al2O3-ZrO2陶瓷材料開展了相關(guān)的內(nèi)圓超聲磨削加工實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)添加超聲輔助的內(nèi)圓磨削加工其能量比之前降低了35%，材料表面變得更加平整。張?jiān)齐姷萚3]以微晶玻璃材料為研究對(duì)象，對(duì)超聲變幅桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元分析方法分別施加10 N和100 N 的力進(jìn)行受力分析和計(jì)算，結(jié)果表明采用超聲波加工微晶玻璃,可以顯著提高加工精度,降低表面粗糙度,延長工具壽命。胡中偉等[4]對(duì)藍(lán)寶石晶體的不同晶面開展了軸向磨削實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同晶向在超聲磨削下磨削力下降的比例各不相同，超聲振動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量改善效果明顯。楊鑫宏等[5]分別對(duì)石英玻璃、藍(lán)寶石玻璃和RB-SiC 材料進(jìn)行了超聲與非超聲環(huán)境下的磨削加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了3 種材料在加工中存在的差異等。Maurotto A 等[6]分析了超聲波輔助端銑中振動(dòng)頻率的影響。發(fā)現(xiàn)頻率在20 kHz 附近，工具磨損和殘余應(yīng)力較小。Yu Z Y 等[7]對(duì)超聲細(xì)微加工技術(shù)進(jìn)行深入的探索，在硅片上加工出直徑為50 μm 的1/8 圓片。Yu T B 等[8]對(duì)光學(xué)玻璃透鏡開展超聲霧化液輔助拋光的研究，超聲振動(dòng)拋光與普通拋光相比，在到達(dá)同等粗糙度的條件下，超聲振動(dòng)拋光用時(shí)最少，拋光頭轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)最小。姚鵬等[9]建立了石英玻璃單顆磨粒劃擦應(yīng)力場(chǎng)解析模型。張冬梅等[10]圍繞超聲振動(dòng)磨削陶瓷的溫度場(chǎng)特性展開了研究；劉運(yùn)鳳等[11]研究了超聲旋轉(zhuǎn)磨削中刀具結(jié)合劑對(duì)切削力的影響。遲玉倫等[12]針對(duì)超聲旋轉(zhuǎn)磨削中刀具結(jié)合劑對(duì)切削力，進(jìn)行了系列試驗(yàn)，探討了超聲旋轉(zhuǎn)輔助磨削工藝對(duì)工件加工表面質(zhì)量的影響。另外，龐慶樂和朱旭等[13-14]在石英類材料磨削加工工藝優(yōu)化領(lǐng)域的相關(guān)研究也受到了研究人員的重視。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，學(xué)者主要以微晶玻璃或石英玻璃作為研究對(duì)象，開展超聲/非超聲工況切削力、表面粗糙度等方面研究。但是，對(duì)兩種材料在相同參數(shù)下的超聲加工特性對(duì)比研究很少。本文針對(duì)以上兩種玻璃材料，開展了相同參數(shù)下的超聲/非超聲磨削加工多因素試驗(yàn)研究，分析主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度等因素對(duì)磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律及材料差異對(duì)規(guī)律的影響。研究可為石英玻璃和微晶玻璃材料高表面質(zhì)量加工制備提供一定的理論依據(jù)和參考價(jià)值。

1 玻璃超聲磨削加工機(jī)理

石英和微晶玻璃是較為典型的脆性材料，其磨削去除機(jī)理一般包括脆性去除機(jī)理、粉末化去除機(jī)理和塑性去除機(jī)理[10]。塑性去除機(jī)理主要是指材料磨削的延性域磨削，在一定磨削加工條件下，材料可以以塑性流動(dòng)的方式被去除（圖1a）；粉末去除機(jī)理主要指在磨粒在磨削深度較小工況所產(chǎn)生的流體靜態(tài)壓應(yīng)力作用，該作用這將引發(fā)材料晶體之間的微破碎；就脆性去除而言，主要體現(xiàn)為磨削過程中空隙和裂紋的延展、剝落以及碎裂（圖1b）。由于在磨削過程中伴隨著材料的塑性-脆性轉(zhuǎn)變，而玻璃類材料的塑性加工是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵，因此材料加工參數(shù)的選擇和優(yōu)化是該類材料加工的重要前提。

圖1 玻璃材料的去除機(jī)理示意圖

玻璃超聲磨削是在常規(guī)磨削基礎(chǔ)上施加超聲振動(dòng)頻率改善玻璃材料加工質(zhì)量和提高加工效率的一種技術(shù)。該技術(shù)把高頻的超聲頻率施加給刀柄和磨頭，使其反復(fù)上下振動(dòng)（圖2a）。磨頭的磨粒在主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向超聲振動(dòng)的聯(lián)合作用下，磨粒運(yùn)行軌跡公式為

圖2 超聲輔助磨削及軌跡示意圖

式中：R為刀具半徑，mm；ω為金剛石砂粒的角速度，rad/s；vf為進(jìn)給速度，mm/s；t為處理時(shí)間，s；H0為金剛石砂粒的原始高度，mm；A為超聲振動(dòng)振幅，μm；fv為超聲振動(dòng)頻率，Hz?；谑剑?），沿著圖2b 所示的軌跡運(yùn)行，磨粒連續(xù)不斷地沖擊工件，從而使玻璃材料表面逐漸破碎并被去除。

2 磨削加工實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

磨削試驗(yàn)選用的材料為石英玻璃和微晶玻璃。石英玻璃的主要成分是二氧化硅，其擁有良好的抗熱性能、抗腐蝕性以及較為穩(wěn)定的化學(xué)性能。而微晶玻璃由玻璃控制晶化制備，在微觀下以球狀和枝狀為主，其耐高溫、耐腐蝕和抗震性良好。由于兩種材料的性能優(yōu)良，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。石英玻璃和微晶玻璃的主要性能參數(shù)見表1。

表1 石英玻璃和微晶玻璃的主要性能參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)在立式加工中心上進(jìn)行，圖3所示為超聲輔助磨削的加工示意圖和實(shí)驗(yàn)照片。機(jī)床主軸安裝了型號(hào)為UBT40-33B 的超聲波發(fā)生器構(gòu)建了軸向超聲輔助加工系統(tǒng)，其頻率為1.9 kHz，振幅為3 μm；實(shí)驗(yàn)?zāi)ゾ呤褂们嚆~基金屬粘結(jié)劑的燒結(jié)磨頭，型號(hào)為8D×10A×8D×50L-140/170，砂粒濃度為1.056 mol/dm3，粒度直徑為0.1 mm，單位體積分?jǐn)?shù)為0.377。

圖3 超聲磨削加工裝置及加工示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的目的，考慮超聲和非超聲兩種加工方式，以主軸轉(zhuǎn)速Ω、進(jìn)給速度vf、磨削深度H為加工參數(shù)變量，探究加工方式和參數(shù)對(duì)石英和微晶玻璃磨削過程磨削力和表面粗糙度的影響。所選用的實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 極差分析

根據(jù)表2 所示的主要加工參數(shù)，設(shè)計(jì)了三因素四水平正交試驗(yàn)方案并進(jìn)行了石英玻璃和微晶玻璃超聲和非超聲磨削實(shí)驗(yàn)。正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表3，其中磨削力F由Kislter9257B 測(cè)量，數(shù)據(jù)為X、Y和Z三個(gè)方向的合力，表面粗糙度Ra 采用接觸式表面粗糙度儀測(cè)量。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，實(shí)驗(yàn)的極差數(shù)據(jù)結(jié)果越大，說明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響程度越大，也更加重要[5]。表4 和表5 分別為磨削力和表面粗糙度的極差分析結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果

表4 磨削力F 的極差分析表

表5 石英玻璃磨表面粗糙度極差分析表

（1）磨削力和表面粗糙度影響因素的主次順序分析

由表4 可見，石英玻璃在非超聲磨削和超聲磨削工況下，磨削力影響因素的主次順序?yàn)槟ハ魃疃龋具M(jìn)給速度＞主軸轉(zhuǎn)速；微晶玻璃非超聲時(shí)主次順序?yàn)檫M(jìn)給速度＞磨削深度＞主軸轉(zhuǎn)速，超聲時(shí)主次順序?yàn)槟ハ魃疃龋局鬏S轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度。

由表5 可見，石英玻璃在非超聲磨削和超聲磨削工況下，表面粗糙度影響因素主次順序?yàn)槟ハ魃疃龋局鬏S轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度；微晶玻璃非超聲時(shí)主次順序?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速＞磨削深度＞進(jìn)給速度，超聲時(shí)為進(jìn)給速度＞磨削深度＞主軸轉(zhuǎn)速。

（2）最優(yōu)加工參數(shù)分析

在非超聲工況下，影響磨削力的最優(yōu)加工參數(shù)：石英玻璃Ω=3 800 r/min、vf=20 mm/min、H=0.15 mm，微晶玻璃Ω=3 400 r/min、vf=20 mm/min、H=0.1 mm。影響表面粗糙度的最優(yōu)加工參數(shù)：石英玻璃為Ω=3 800 r/min、vf=65 mm/min、H=0.1 mm，微晶玻璃為Ω=3 800 r/min、vf=20 mm/min、H=0.2 mm。

在超聲工況下，影響磨削力的最優(yōu)加工參數(shù)：石英玻璃為Ω=3 800 r/min、vf=35 mm/min、H=0.15 mm，微晶玻璃為Ω=3 000 r/min、vf=20 mm/min、H=0.1 mm。影響表面粗糙度的最優(yōu)加工參數(shù)：石英玻璃為Ω=3 800 r/min、vf=65 mm/min、H=0.1 mm，微晶玻璃為Ω=3 800 r/min、vf=20 mm/min、H=0.2 mm。

3.2 加工方式和加工參數(shù)對(duì)磨削力的影響

基于表3 和表4，圖4 給出了石英玻璃和微晶玻璃在不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度組合下的磨削力影響趨勢(shì)圖。

圖4 磨削參數(shù)對(duì)磨削力的影響

圖4a 所示為不同主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響，由圖可見，無論在超聲工況還是非超聲工況下，石英玻璃和微晶玻璃的磨削力都呈現(xiàn)出隨著主軸轉(zhuǎn)速提高而逐漸減小的趨勢(shì)。這主要由于刀具的轉(zhuǎn)速逐漸增加，使得刀具上的單顆粒磨粒的切削深度減小，磨粒從側(cè)面切入玻璃變得的更加簡(jiǎn)單；相對(duì)于石英玻璃，微晶玻璃由于斷裂韌性和彈性模量較高所以在相同的加工參數(shù)和加工方式下磨削力時(shí)產(chǎn)生的阻力將變的更大，進(jìn)而影響了磨削力，非超聲和超聲下平均增幅分別約83.6%和63%；相對(duì)于非超聲工況，超聲加工都可以獲得更小的磨削力，石英和微晶玻璃相對(duì)應(yīng)的平均降幅分別約13.6%和26.6%，這意味著超聲加工方式可較好地減小磨削加工中的磨削力。顯然，刀具Z軸施加超聲振動(dòng)后，微晶玻璃的磨削力降幅更為明顯，這意味著超聲加工對(duì)于微晶玻璃磨削力具有更好的抑制作用。

圖4b 所示為不同磨削深度對(duì)切削力的影響，顯然，磨削力隨著磨削深度的增加整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。其主因是磨削的單顆粒的軌跡弧長逐漸變大，使單顆粒與材料接觸的有效磨粒數(shù)增多，進(jìn)而多顆粒再進(jìn)行疊加，使得阻力變大，進(jìn)而使磨削力變大。在不同的磨削深度上，微晶玻璃的磨削力仍然顯著大于石英玻璃，平均增幅約97%（非超聲）和78.7%（超聲）；而超聲加工的方式也對(duì)石英和微晶玻璃的切削力抑制產(chǎn)生了良好的作用，較非超聲減幅分別為15.5%和26.4%，其中微晶玻璃的減小趨勢(shì)也更明顯，而玻璃材料脆性的差異是造成該問題的主要原因。

圖4c 所示為不同進(jìn)給速度對(duì)切削力的影響，由圖可見，隨著進(jìn)給速度的提高，單顆粒磨粒的切削深度增大時(shí)間變短，導(dǎo)致阻力瞬間增大，進(jìn)而使得石英玻璃和微晶玻璃的磨削力增大。微晶玻璃仍然呈現(xiàn)出比石英玻璃更大的切削力，平均增幅分別約82.4%（非超聲）和64.6%（超聲）；較非超聲工況，石英和微晶玻璃在超聲加工的切削力都更小，平均減幅分別約13.7%和24.5%，微晶玻璃的減小趨勢(shì)更為顯著。

3.3 加工方式和加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

基于表3 和表5，考慮不同主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度加工參數(shù)及超聲和非超聲兩種加工方式，給出了石英玻璃和微晶玻璃不同參數(shù)組合下的表面粗糙度影響趨勢(shì)圖，如圖5 所示。

圖5 兩種玻璃磨削對(duì)表面粗糙度的影響

由圖5a 可見，兩種玻璃的表面粗糙度值隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，整體上基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，即較大的主軸轉(zhuǎn)速意味著較好的表面質(zhì)量。這主要由于燒結(jié)磨頭磨削時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，燒結(jié)磨頭表面附著磨粒與玻璃材料的有效接觸面積變小，切削力減小，表面質(zhì)量得以改善。相對(duì)于石英玻璃，微晶玻璃表面粗糙度值更大，非超聲和超聲下平均增幅分別約16.1%和3.6%，這與同條件下較大的切削力和振動(dòng)有關(guān)；相比于非超聲，超聲加工對(duì)石英和微晶玻璃的表面粗糙度平均減小幅度分別為3.8%和11.9%，這表明超聲振動(dòng)可在改善表面加工質(zhì)量方面起到一定的積極意義，而這種提升似乎在小主軸轉(zhuǎn)速下更為有效。顯然，超聲對(duì)微晶玻璃表面粗糙度值的減小作用更為明顯，這主要是因?yàn)槲⒕РＡП仁⒉ＡЦ啵欣诔曒o助作用的發(fā)揮。

圖5b 所示為不同磨削深度下的表面粗糙度影響曲線，由圖可見，隨著磨削深度的增加，表面粗糙度值總體上呈增大趨勢(shì)，即較差的表面質(zhì)量；微晶玻璃相對(duì)于石英玻璃在非超聲和超聲下的表面粗糙度值平均增幅為8.6%和0.1%；超聲加工對(duì)石英玻璃和微晶玻璃的加工表面粗糙度值減小有效，減小了約1.3%和13.7%，微晶玻璃因?yàn)檩^好的脆性依然在超聲條件具有更好的發(fā)揮空間。

圖5c 所示為不同進(jìn)給速度下的表面粗糙度影響曲線，由圖可見，隨著進(jìn)給速度的增加，表面粗糙度值也基本呈增大趨勢(shì)。超聲加工對(duì)微晶玻璃減小加工表面粗糙度更有效，石英的表面粗糙度值平均升幅為3%，而微晶玻璃的平均降幅為13.5%，顯然，超聲加工對(duì)微晶玻璃減小加工表面粗糙度更有效，這種作用在小進(jìn)給速度下更為顯著。

為了進(jìn)一步考察加工參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響，圖6 和圖7 分別給出了vf=20、40、60 和80 mm/min這4 種進(jìn)給速度下石英和微晶玻璃的超聲磨削表面形貌變化圖（其他參數(shù)Ω=2 500 r/min，H=0.15 mm）。由圖可見，隨著進(jìn)給速度的增加，磨削力增加，石英玻璃（圖6）和微晶玻璃（圖7）的表面形貌越來越差。這是由于兩種玻璃的本身差異所致，其中微晶玻璃質(zhì)地較硬，切削過后的表面的小斑點(diǎn)凹坑逐漸增多，并且面積越來越大；而石英玻璃質(zhì)地較軟，隨著進(jìn)給增大，一些小凹坑逐漸變寬變深，且破碎的晶粒越來越多，漸漸過度到脆性區(qū)，使得塑脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象越來越明顯，劃痕也逐漸增多、逐漸明顯。

圖6 石英玻璃磨削表面形貌

圖7 微晶玻璃磨削表面形貌

4 結(jié)語

針對(duì)石英玻璃和微晶玻璃，開展了超聲磨削和非超聲磨削多因素試驗(yàn)，基于極差分析研究了磨削力和表面粗糙度影響因素的主次順序和最優(yōu)加工參數(shù)，開展了加工方式和參數(shù)、材料差異對(duì)兩種玻璃磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：

（1）石英玻璃在超聲磨削和非超聲磨削工況下，磨削力影響因素的主次順序?yàn)槟ハ魃疃龋具M(jìn)給速度＞主軸轉(zhuǎn)速；微晶玻璃非超聲時(shí)主次順序?yàn)檫M(jìn)給速度＞磨削深度＞主軸轉(zhuǎn)速，超聲時(shí)主次順序?yàn)槟ハ魃疃龋局鬏S轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度。石英玻璃在非超聲和超聲下的表面粗糙度影響因素主次順序?yàn)槟ハ魃疃龋局鬏S轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度；微晶玻璃非超聲時(shí)主次順序?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速＞磨削深度＞進(jìn)給速度，超聲時(shí)為進(jìn)給速度＞磨削深度＞主軸轉(zhuǎn)速。

（2）石英玻璃和微晶玻璃的磨削力都呈現(xiàn)隨著主軸轉(zhuǎn)速提高而逐漸減小、隨著磨削深度的增加而增大、隨著進(jìn)給速度的提高而增大的趨勢(shì)。相對(duì)于石英玻璃，微晶玻璃在相同的加工參數(shù)和加工方式下磨削力更大，非超聲和超聲下平均增幅分別約82.4%～97%和63%～78.7%；相對(duì)于非超聲工況，超聲加工都可以獲得更小的磨削力，石英和微晶玻璃的平均降幅分別約13.6%～15.5%和24.5%～26.6%；超聲加工對(duì)于微晶玻璃磨削力具有更好的抑制作用。

（3）石英玻璃和微晶玻璃的表面粗糙度基本呈現(xiàn)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而減小、隨著磨削深度的增加而增大、隨著進(jìn)給速度的增加而增大的趨勢(shì)。相對(duì)于石英玻璃，微晶玻璃的磨削表面粗糙度值更大，表面質(zhì)量更差，非超聲和超聲下平均增幅分別約8.6%～16.1%和0.1%～3.6%；相對(duì)于非超聲工況，超聲加工可以起到一定的表面粗糙度降低作用，石英的加工表面粗糙度值最大降幅為3.8%，而微晶則降低了約11.9%～13.7%，這種作用在小進(jìn)給速度下更有效。

（4）超聲磨削表面形貌分析表明，隨著進(jìn)給速度的增加，微晶玻璃由于質(zhì)地較硬，表面的小斑點(diǎn)凹坑逐漸增多，而石英玻璃塑脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象越來越明顯，劃痕也逐漸增多逐漸明顯。