洪 靜

（商丘學(xué)院 電子信息工程學(xué)院 河南商丘 476600）

試驗(yàn)與研究

超聲振動(dòng)銑削光學(xué)玻璃材料銑削力研究

洪 靜

（商丘學(xué)院 電子信息工程學(xué)院 河南商丘 476600）

工件材料在切削加工過程中所產(chǎn)生的銑削力對(duì)加工穩(wěn)定性、加工的成品率以及工件質(zhì)量有著十分重要的影響。對(duì)光學(xué)玻璃這種典型的硬脆性材料，使用傳統(tǒng)的銑削方式難以得到高效精密的加工，超聲銑削加工是一種特別適用于非金屬材料以及難加工材料的加工方式。首先建立了超聲振動(dòng)銑削光學(xué)玻璃材料的平均銑削力模型，從理論上得出超聲振動(dòng)銑削加工可有效的降低加工過程中的銑削力這一結(jié)論，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通銑削加工相比，超聲銑削加工明顯的降低了切削加工過程中產(chǎn)生的切削力，提高了加工的穩(wěn)定性等。

超聲振動(dòng)銑削加工 光學(xué)玻璃材料 平均銑削力模型 銑削力 正交實(shí)驗(yàn)與分析方法

在機(jī)械加工中，切削力的大小不僅決定加工中功率的消耗及工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也決定著工件的加工質(zhì)量和精度。切削力對(duì)刀具的磨損和使用壽命同樣也有重要影響。機(jī)械加工過程中切削力的研究對(duì)切削參數(shù)的選擇和切削過程的分析以及實(shí)際的生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 銑削力波形

1 超聲振動(dòng)銑削光學(xué)玻璃平均銑削力模型

在超聲振動(dòng)切削加工中產(chǎn)生的切削力波形和普通銑削加工切削力波形是有明顯區(qū)別的，超聲振動(dòng)加工產(chǎn)生的切削力波形是一種脈沖波形，在一個(gè)切削周期內(nèi)，整個(gè)切削長(zhǎng)度被分割為均勻等同的微段，刀具是依次對(duì)工件每一個(gè)微段進(jìn)行瞬時(shí)高速的切削，這與傳統(tǒng)加工的切削加工過程是不同的，由此可知超聲切削加工可顯著的提高加工效率和加工質(zhì)量。

圖1（a）、（b）是超聲波振動(dòng)切削力波形和普通切削力波形，圖1（b）中tc是在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的純切削加工時(shí)間，T=1/f是一個(gè)完整的切削加工周期[1,2]。

根據(jù)銑削力波形可將傳統(tǒng)切削力和超聲振動(dòng)切削力的切削力計(jì)算公式推導(dǎo)出來。

傳統(tǒng)切削力公式：

超聲振動(dòng)切削力公式：

在切削力計(jì)算公式中，因純切削時(shí)間tc是按照常量來計(jì)算的，故無法直接判斷切削速度n和進(jìn)給量f對(duì)切削力產(chǎn)生的影響。我們用振動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程對(duì)振動(dòng)切削加工中受到的平均銑削力的公式進(jìn)行推導(dǎo)。從圖2可看出，加工工件上任意質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方程式為[2]：

式中：A為工件振幅，F(xiàn)為工件的振動(dòng)頻率，2π；振動(dòng)速度方程式為：

在一個(gè)振動(dòng)周期T=1/f內(nèi)，切削加工結(jié)束的時(shí)間te由v=0時(shí)給出：

切削開始的時(shí)間ts由下式得出：

根據(jù)式（7）可知，在已知振幅A、頻率f、進(jìn)給速度vc和切削結(jié)束的時(shí)間te，可以計(jì)算出切削開始時(shí)間ts，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的純切削時(shí)間tc則為：

同時(shí)也知tc是一個(gè)與振幅A、頻率f、進(jìn)給速度vc有關(guān)的常量，可將其寫為：

在此假設(shè)刀具的等效質(zhì)量為M，同時(shí)假設(shè)工件在切削過程中是受力均勻的，工件所受的平均沖擊力可近似的由式（10）求出：

在相同的切削條件下，假設(shè)普通銑削加工在工件上作用的切削力的合力為S，超聲振動(dòng)銑削加工是由普通切削和超聲振動(dòng)共同作用的結(jié)果，則加工過程中作用在工件上（同樣作用于刀具上）上的平均銑削力是普通銑削力S和平均沖擊力的疊加作用，在超聲銑削加工過程中加工刀具受到的平均銑削力為：

圖2 一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的切削時(shí)間和空切時(shí)間

2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)中所選用的工件材料是型號(hào)為ZK1的光學(xué)玻璃，其材料性能如表1所示，實(shí)驗(yàn)中使用的機(jī)床、刀具，如表2所示。

表1 工件材料

表2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量裝置主要由四部分組成，分別為：超聲振動(dòng)系統(tǒng)，kistler三向銑削力測(cè)試儀，多通道電荷放大器以及計(jì)算機(jī)組成，這四部分的組合方式，如圖3所示。

圖3 超聲振動(dòng)系統(tǒng)銑削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖

在對(duì)銑削力測(cè)量時(shí)，測(cè)力儀與多通道電荷放大器連接，電荷放大器通過數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，然后通過測(cè)力系統(tǒng)本身所配套的測(cè)力軟件，即可測(cè)量各方向上的銑削力。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

在本實(shí)驗(yàn)中研究的影響銑削力的因素主要有三個(gè)：銑削速度vc、進(jìn)給量（每齒進(jìn)給量fz）f、切削深度ap。為了更準(zhǔn)確的研究各個(gè)因素對(duì)加工中銑削力的影響，以及因素間的交互作用對(duì)銑削力的影響，在此選用多因素正交實(shí)驗(yàn)的方法來對(duì)銑削力測(cè)試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和刀具的具體情況，每個(gè)因素選用四個(gè)水平。

設(shè)計(jì)選用L16(43)正交表，同時(shí)考慮到切削速度和進(jìn)給速度之間所存在的交互作用，因此取每齒進(jìn)給量作為因素，實(shí)驗(yàn)用正交表如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)用正交表

分別使用超聲振動(dòng)銑削和普通銑削對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，研究不同銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響以及在相同的銑削參數(shù)不同的加工方式下對(duì)銑削力的影響。銑削方式為：順銑，加切削液（煤油）；超聲振動(dòng)參數(shù)：頻率為36.85 kHz。

3 超聲振動(dòng)銑削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 銑削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表安排所做的實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)量可得到的兩種加工方式在每組切削條件下的銑削力Fx、Fy、Fz數(shù)值。結(jié)果如表 4。附注：Fx為徑向切深方向上的銑削力；Fy為進(jìn)給方向上的銑削力；Fz為軸向銑削力。

表4 光學(xué)玻璃銑削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 銑削力正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

常用于正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方法有兩種，一種是直觀分析法，另一種為方差分析法[3]，本實(shí)驗(yàn)選用直觀分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)表4的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過計(jì)算得出超聲銑削的銑削力直觀分析表5和普通銑削的銑削力直觀分析表6。

表5 銑削力直觀分析表（超聲銑削）

表6 銑削力直觀分析表（普通銑削）

由直觀分析表做出不同銑削參數(shù)對(duì)銑削影響的分析圖,如圖4(a、b、c）所示。

從直觀分析圖中可以看出，在實(shí)驗(yàn)的取值范圍內(nèi)，隨著銑削參數(shù)的增大，在超聲銑削與普通銑削這兩種加工方式下，銑削力Fx、Fy、Fz在總體上都是逐漸增加的。

（1）從極差的大小可以看出（表5和表6），在超聲銑削的情況下，對(duì)銑削力Fx、Fy、Fz影響最主要的因素都是銑削速度vc；次要因素皆為銑削深度ap；最后是每齒進(jìn)給量fz。在普通銑削的情況下，對(duì)銑削力Fx、Fy影響最主要的因素都是銑削速度vc；次要因素皆為銑削深度ap；最后是每齒進(jìn)給量fz；而對(duì)銑削力Fz影響因素的主次順序?yàn)関c>fz>ap。

（2）在超聲銑削加工下，當(dāng)各個(gè)因素變化時(shí)銑削力變化的規(guī)律為：銑削速度從151 m/min增大到226 m/min時(shí)各個(gè)方向上的銑削力的增加都是非常緩慢的，當(dāng)銑削速度從226 m/min增大到264 m/min時(shí)銑削力是急速增加的；當(dāng)每齒進(jìn)給量增加時(shí)銑削力Fx、Fy的增加是緩慢的，F(xiàn)z方向上的力在0.0025～0.005 mm范圍內(nèi)是下降的，在0.005～0.010 mm是明顯增加的，接著是緩慢增加；當(dāng)銑削深度增加時(shí)，各向銑削力都是呈增加趨勢(shì)的，且是均勻增加的；在普通銑削加工下，當(dāng)各因素變化時(shí)，銑削力變化的規(guī)律為：銑削速度增加時(shí)銑削力Fx、Fy是緩慢增加的，當(dāng)銑削速度從226 m/min增大到264 m/min時(shí)銑削力Fz是急速增加的；當(dāng)每齒進(jìn)給量從0.0025 mm增加到0.010 mm時(shí)銑削力Fx、Fy、Fz是勻速增加的，每齒進(jìn)給量從0.010 mm增加到0.015 mm時(shí)Fx、Fy、Fz皆為下降的；當(dāng)銑削深度增加時(shí)，各向銑削力都是呈增加趨勢(shì)的，其曲線的趨勢(shì)要比超聲銑削加工的曲線陡峭。

圖4 各因素對(duì)銑削力的影響

（3）從圖4中還可明顯的看出，超聲銑削加工中產(chǎn)生的銑削力均小于普通銑削加工中產(chǎn)生的銑削力，這點(diǎn)表明超聲加工可以有效的降低加工中產(chǎn)生的切削力。

4 結(jié)語

比較超聲銑削和普通銑削加工，可以明顯的看出，在超聲銑削的方式下，各個(gè)方向上的銑削力的增加的幅度都比較小，而且是較為均勻的增加；并且在各個(gè)方向上的銑削力均明顯的小于普通銑削。而且隨著銑削深度的增大，普通銑削與超聲銑削加工產(chǎn)生的銑削力的差值越大，超聲振動(dòng)的效果也就更加明顯。對(duì)于超聲銑削加工能降低銑削力是由于在加工中，工件具有較大的加速度，同時(shí)工件與刀具之間的有很大的脈沖力，材料在這兩種情況的作用下很快就發(fā)生疲勞破壞，降低了材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，因此加工中的銑削力也就降低了。

[1] 屈維德,唐恒玲.機(jī)械振動(dòng)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] Ken-ichi Ishikawa,Hitoshi Suwabe,Tetsuhiro Nishid and Michio Uneda,A study on combined vibration drilling by ultrasonic and low-frequency vibrations for hard and brittle materials[J].Precision Engineering,1998,(12):196-205.

[3] 李云雁,胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.