超声辅助磨削石英玻璃实验及磨削力影响因素探究

肖福源，阎 兵，靳 刚，刘 浩，谭 辉

(天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津 300222)

0 引 言

石英玻璃具有硬度高热稳定性好等特点被广泛应用于天文望远镜、航空航天飞机制造、国防科技等领域。然而由于这类材料的硬度较高、脆性较大，加工中极易出现裂纹、崩边等问题，严重影响零件表面完整性。

目前国内外学者对玻璃类材料超声加工研究较为广泛，Mohd Fauzi Ismail[1]等人研究了电镀金刚石砂轮有效磨粒数量、磨粒分布对表面粗糙度的影响。Ali Zahedi[2]等人探究了Al2O3-ZrO2陶瓷材料的内圆超声磨削对表面质量的影响。吕东喜[3]开展了对硬脆材料的超声辅助磨削实验，并研究其高频振动效应，利用压痕理论和弹性、塑性应力结合建立了非线性力学模型。吴庆玲, 王翠等[4]人通过对石英玻璃开展二维超声振动研究，并建立了开式砂带磨削实验平台，通过单因素优选法设计开展实验。

笔者利用超声辅助磨削加工装置和正交试验方法对石英玻璃进行了普通磨削和超声辅助磨削，对比了两种磨削方式对石英玻璃磨削力大小的影响，探究了刀具磨损的最优的试验参数。

1 石英玻璃磨削实验准备

实验材料为石英玻璃，材料的基本参数如表1所示。测力仪型号为9527B，机床型号为MLA150691。超声波发生器型号为UBT40-33B，超声频率为31 620 Hz。实验加工方式如图1所示。

表1 石英玻璃的主要性能

图1 加工示意图

2 正交实验设计

此次实验设计为三因素-四水平的正交试验，三个实验因素为：主轴转速、进给速度、磨削深度。参数设计如表2所示。

表2 正交实验参数表

3 实验及理论分析

3.1 实验数据整理

根据实验表进行两种磨削实验，用测力仪分别测量出两组实验三个方向的磨削力。实验中设定磨削力数据的采样频率为15 000 Hz,选择实验数据中相对平稳的数据段作为实验分析数据。表3为超声磨削实验的结果。

表3 石英玻璃超声磨削实验表

续表3 石英玻璃超声磨削实验表

表4为普通磨削实验的结果。Fx代表沿刀具前进方向的磨削力值，Fy代表垂直于刀具前进方向的磨削力值，Fz代表磨削深度方向磨削力值。

表4 石英玻璃非超声磨削实数据表

3.2 极差分析

根据表3数据，石英玻璃在两种不同情况下实验的最优水平和最优组合，表5～7(超声)，8～10(非超声)。极差大说明对实验的影响大[5-6]。对实验表做极差分析可确定影响磨削力因素的主次顺序，优化加工参数[7-8]。

表5 超声Fx方向磨削力极差分析表

从表5～10可以总结出在两种磨削石英玻璃的过程当中，Fx、Fy的磨削力影响较大的顺序依次为磨削深度、进给速度、主轴转速。Fz的影响顺序为磨削深度、主轴转速、进给速度。

表6 超声Fy方向磨削力极差分析表

表7 超声Fz方向磨削力极差分析表

表8 非超声Fx方向磨削力极差分析表

表9 非超声Fx方向磨削力极差分析表

超声磨削加工中由于磨削深度变大，从而使得单颗金刚石磨粒的磨削深度变大[9]，对Fx、Fy方向的磨削力产生影响。深度达到0.25 mm时，从侧面观察材料表面形貌发现单颗粒磨粒作用在材料表面的有效力增多，Fx和Fy明显增大，磨粒在材料端面的接触面积保持不变，Fz增加的相对于Fx和Fy不明显。

表10 非超声Fx方向磨削力极差分析表

3.3 磨削力影响因素分析

如图2所示为三个因素对磨削力影响的时域图及局部放大图。

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图2 石英玻璃磨削力时域图和局部放大图

如图3～5所示，利用三个单因素单独进行实验来探究三个因素对磨削力的影响规律，可得出如下分析：

(1) 主轴转速的影响 根据超声和非超声环境下的单因素实验数据绘制的图像如图3所示，两种环境下主轴转速增大，三个方向的磨削力都减小。主轴转速3 000 rad/s时，Fx、Fy、Fz的值产生波动，波动后主轴转速增大磨削力会急剧减小，在超声磨削中Fx和Fy下降的幅度比Fz方向下降的幅度大。

图3 主轴转速对磨削力影响图

两种磨削情况的主轴转速对磨削力产生不同影响的主要原因是主轴转速和磨削深度共同作用造成的。在实验中磨削力在各方向上产生了波动，与系统误差和材料晶粒的分布有关，但在总体上，满足切削力随主轴转速的增大而减小的规律。

(2) 进给速度的影响 图4所示为不同加工环境进给速度对磨削力影响变化图，磨削力都随着进给速度的增大而增大，超声磨削比非超声磨削的磨削力变化率大。非超声磨削进给速度达到30 mm/min时Fz的值发生波动，磨削力减小。通过对比其Fx和Fy方向的数值分析，产生Fz方向上的磨削力波动可能由磨削加工系统误差所造成，总体满足随进给速度的增大而增大的趋势。

图4 进给速度对磨削力影响变化图

两种磨削条件下，随切削速度的增大磨粒与材料表面摩擦增大，使得磨粒进入石英玻璃表面更加困难，导致磨削力的增大。

(3) 磨削深度的影响 图5所示为磨削深度对磨削力影响的变化图，两种磨削条件下，随磨削深度增大磨削力先趋于平缓后增大。随深度的增加，石英晶体的去除机理由塑性转为脆性去除，磨削深度达到0.2 mm时完成塑脆转变。

图5 磨削深度影响磨削力图

综合上述实验现象分析，在超声环境下磨削有利于石英玻璃的加工，在加工过程中加入超声辅助的加工中磨削力比不加超声辅助时要小，在相同参数下(3000 rad/s、20 mm/min、0.1 mm)，超声磨削各个方向磨削力分别为(10.38、10.75、11.31)N，非超声磨削各方向磨削力分别为(12.59、15.68、12.05)N。从侧面反映出在超声振动环境下进行石英玻璃的磨削加工更有利于降低金刚石刀具磨损。

4 简化磨削力模型建立

建立力学模型分析和研究磨削过程，对比上述实验数据进行线性回归分析。利用平均刚性力学模型，将磨削力简化为一个指数函数，如公式(1)所示：

(1)

将实验数据导入统计学SPSS软件中进行线性回归分析得到非超声磨削的磨削力公式(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

将实验数据导入统计学SPSS软件中进行线性回归分析得到超声磨削的磨削力公式(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 结 论

从石英玻璃的加工特点入手，研究了它的磨削机理，石英玻璃的去除机理主要分成三部分塑性去除、粉末去除、脆性去除。对比实验数据，根据极差分析其石英玻璃磨削加工的影响因素，为进一步研究超声磨削机理打下基础。研究结论如下：

(1) 超声和非超声磨削时，Fx和Fy方向的磨削力主要受到磨削深度、进给速度的影响，主轴转速对两个方向的影响不大，Fz方向主要影响因素为磨削深度、主轴转速。

(2) 对比实验数据超声加工刀具的磨损程度较小，加工的表面质量相较好。

(3) 通过实验测得，刀具磨损最小的加工参数为：3 500 rad/s、20 mm/min、0.15 mm。

(4) 实验数据导入SPSS和Matlab软件中进行了线性回归分析建立了两种条件下石英玻璃的简化磨削力模型。