肖福源，閻 兵，靳 剛，劉 浩，譚 輝

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

0 引 言

石英玻璃具有硬度高熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、航空航天飛機(jī)制造、國(guó)防科技等領(lǐng)域。然而由于這類材料的硬度較高、脆性較大，加工中極易出現(xiàn)裂紋、崩邊等問題，嚴(yán)重影響零件表面完整性。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玻璃類材料超聲加工研究較為廣泛，Mohd Fauzi Ismail[1]等人研究了電鍍金剛石砂輪有效磨粒數(shù)量、磨粒分布對(duì)表面粗糙度的影響。Ali Zahedi[2]等人探究了Al2O3-ZrO2陶瓷材料的內(nèi)圓超聲磨削對(duì)表面質(zhì)量的影響。呂東喜[3]開展了對(duì)硬脆材料的超聲輔助磨削實(shí)驗(yàn)，并研究其高頻振動(dòng)效應(yīng)，利用壓痕理論和彈性、塑性應(yīng)力結(jié)合建立了非線性力學(xué)模型。吳慶玲, 王翠等[4]人通過對(duì)石英玻璃開展二維超聲振動(dòng)研究，并建立了開式砂帶磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過單因素優(yōu)選法設(shè)計(jì)開展實(shí)驗(yàn)。

筆者利用超聲輔助磨削加工裝置和正交試驗(yàn)方法對(duì)石英玻璃進(jìn)行了普通磨削和超聲輔助磨削，對(duì)比了兩種磨削方式對(duì)石英玻璃磨削力大小的影響，探究了刀具磨損的最優(yōu)的試驗(yàn)參數(shù)。

1 石英玻璃磨削實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料為石英玻璃，材料的基本參數(shù)如表1所示。測(cè)力儀型號(hào)為9527B，機(jī)床型號(hào)為MLA150691。超聲波發(fā)生器型號(hào)為UBT40-33B，超聲頻率為31 620 Hz。實(shí)驗(yàn)加工方式如圖1所示。

表1 石英玻璃的主要性能

圖1 加工示意圖

2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因素-四水平的正交試驗(yàn)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)因素為：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、磨削深度。參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

3 實(shí)驗(yàn)及理論分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行兩種磨削實(shí)驗(yàn)，用測(cè)力儀分別測(cè)量出兩組實(shí)驗(yàn)三個(gè)方向的磨削力。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定磨削力數(shù)據(jù)的采樣頻率為15 000 Hz,選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中相對(duì)平穩(wěn)的數(shù)據(jù)段作為實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。表3為超聲磨削實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

表3 石英玻璃超聲磨削實(shí)驗(yàn)表

續(xù)表3 石英玻璃超聲磨削實(shí)驗(yàn)表

表4為普通磨削實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。Fx代表沿刀具前進(jìn)方向的磨削力值，F(xiàn)y代表垂直于刀具前進(jìn)方向的磨削力值，F(xiàn)z代表磨削深度方向磨削力值。

表4 石英玻璃非超聲磨削實(shí)數(shù)據(jù)表

3.2 極差分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，石英玻璃在兩種不同情況下實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平和最優(yōu)組合，表5～7(超聲)，8～10(非超聲)。極差大說明對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響大[5-6]。對(duì)實(shí)驗(yàn)表做極差分析可確定影響磨削力因素的主次順序，優(yōu)化加工參數(shù)[7-8]。

表5 超聲Fx方向磨削力極差分析表

從表5～10可以總結(jié)出在兩種磨削石英玻璃的過程當(dāng)中，F(xiàn)x、Fy的磨削力影響較大的順序依次為磨削深度、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速。Fz的影響順序?yàn)槟ハ魃疃?、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度。

表6 超聲Fy方向磨削力極差分析表

表7 超聲Fz方向磨削力極差分析表

表8 非超聲Fx方向磨削力極差分析表

表9 非超聲Fx方向磨削力極差分析表

超聲磨削加工中由于磨削深度變大，從而使得單顆金剛石磨粒的磨削深度變大[9]，對(duì)Fx、Fy方向的磨削力產(chǎn)生影響。深度達(dá)到0.25 mm時(shí)，從側(cè)面觀察材料表面形貌發(fā)現(xiàn)單顆粒磨粒作用在材料表面的有效力增多，F(xiàn)x和Fy明顯增大，磨粒在材料端面的接觸面積保持不變，F(xiàn)z增加的相對(duì)于Fx和Fy不明顯。

表10 非超聲Fx方向磨削力極差分析表

3.3 磨削力影響因素分析

如圖2所示為三個(gè)因素對(duì)磨削力影響的時(shí)域圖及局部放大圖。

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圖2 石英玻璃磨削力時(shí)域圖和局部放大圖

如圖3～5所示，利用三個(gè)單因素單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來探究三個(gè)因素對(duì)磨削力的影響規(guī)律，可得出如下分析：

(1) 主軸轉(zhuǎn)速的影響 根據(jù)超聲和非超聲環(huán)境下的單因素實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的圖像如圖3所示，兩種環(huán)境下主軸轉(zhuǎn)速增大，三個(gè)方向的磨削力都減小。主軸轉(zhuǎn)速3 000 rad/s時(shí)，F(xiàn)x、Fy、Fz的值產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)后主軸轉(zhuǎn)速增大磨削力會(huì)急劇減小，在超聲磨削中Fx和Fy下降的幅度比Fz方向下降的幅度大。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力影響圖

兩種磨削情況的主軸轉(zhuǎn)速對(duì)磨削力產(chǎn)生不同影響的主要原因是主軸轉(zhuǎn)速和磨削深度共同作用造成的。在實(shí)驗(yàn)中磨削力在各方向上產(chǎn)生了波動(dòng)，與系統(tǒng)誤差和材料晶粒的分布有關(guān)，但在總體上，滿足切削力隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小的規(guī)律。

(2) 進(jìn)給速度的影響 圖4所示為不同加工環(huán)境進(jìn)給速度對(duì)磨削力影響變化圖，磨削力都隨著進(jìn)給速度的增大而增大，超聲磨削比非超聲磨削的磨削力變化率大。非超聲磨削進(jìn)給速度達(dá)到30 mm/min時(shí)Fz的值發(fā)生波動(dòng)，磨削力減小。通過對(duì)比其Fx和Fy方向的數(shù)值分析，產(chǎn)生Fz方向上的磨削力波動(dòng)可能由磨削加工系統(tǒng)誤差所造成，總體滿足隨進(jìn)給速度的增大而增大的趨勢(shì)。

圖4 進(jìn)給速度對(duì)磨削力影響變化圖

兩種磨削條件下，隨切削速度的增大磨粒與材料表面摩擦增大，使得磨粒進(jìn)入石英玻璃表面更加困難，導(dǎo)致磨削力的增大。

(3) 磨削深度的影響 圖5所示為磨削深度對(duì)磨削力影響的變化圖，兩種磨削條件下，隨磨削深度增大磨削力先趨于平緩后增大。隨深度的增加，石英晶體的去除機(jī)理由塑性轉(zhuǎn)為脆性去除，磨削深度達(dá)到0.2 mm時(shí)完成塑脆轉(zhuǎn)變。

圖5 磨削深度影響磨削力圖

綜合上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，在超聲環(huán)境下磨削有利于石英玻璃的加工，在加工過程中加入超聲輔助的加工中磨削力比不加超聲輔助時(shí)要小，在相同參數(shù)下(3000 rad/s、20 mm/min、0.1 mm)，超聲磨削各個(gè)方向磨削力分別為(10.38、10.75、11.31)N，非超聲磨削各方向磨削力分別為(12.59、15.68、12.05)N。從側(cè)面反映出在超聲振動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行石英玻璃的磨削加工更有利于降低金剛石刀具磨損。

4 簡(jiǎn)化磨削力模型建立

建立力學(xué)模型分析和研究磨削過程，對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析。利用平均剛性力學(xué)模型，將磨削力簡(jiǎn)化為一個(gè)指數(shù)函數(shù)，如公式(1)所示：

(1)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)學(xué)SPSS軟件中進(jìn)行線性回歸分析得到非超聲磨削的磨削力公式(2)所示：

F=0.922·ap0.227·vc0.668·ω0.607

F=0.359·ap0.554·vc0.497·ω1.081

(2)

F=0.014·ap1.197·vc0.252·ω1.081

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)學(xué)SPSS軟件中進(jìn)行線性回歸分析得到超聲磨削的磨削力公式(3)所示：

F=1.963·ap1.267·vc0.759·ω0.930

F=1.958·ap2.018·vc0.570·ω1.235

(3)

F=3.176·ap1.899·vc0.591·ω2.208

5 結(jié) 論

從石英玻璃的加工特點(diǎn)入手，研究了它的磨削機(jī)理，石英玻璃的去除機(jī)理主要分成三部分塑性去除、粉末去除、脆性去除。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)極差分析其石英玻璃磨削加工的影響因素，為進(jìn)一步研究超聲磨削機(jī)理打下基礎(chǔ)。研究結(jié)論如下：

(1) 超聲和非超聲磨削時(shí)，F(xiàn)x和Fy方向的磨削力主要受到磨削深度、進(jìn)給速度的影響，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)兩個(gè)方向的影響不大，F(xiàn)z方向主要影響因素為磨削深度、主軸轉(zhuǎn)速。

(2) 對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)超聲加工刀具的磨損程度較小，加工的表面質(zhì)量相較好。

(3) 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，刀具磨損最小的加工參數(shù)為：3 500 rad/s、20 mm/min、0.15 mm。

(4) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS和Matlab軟件中進(jìn)行了線性回歸分析建立了兩種條件下石英玻璃的簡(jiǎn)化磨削力模型。