二维超声振动辅助石英玻璃磨削试验及分析
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摘 要：石英玻璃在加工领域中是一种很具代表性的硬脆性材料，它常用于制作光学透镜，并且在医学和电子信息领域也常用到石英玻璃相关制品。为了提高硬脆材料石英玻璃磨削加工的效率与效果，提出了选用分离式二维超声椭圆振动开式砂带磨削方式。设计搭建了一种二维超声椭圆振动砂带装置，然后以单因素优选法设计实验找出影响加工后的石英玻璃材料的表面粗糙度的各因素，并分别研究了其影响规律。
关键词：超声振动;砂带磨削;石英玻璃;表面质量
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.030
1 引言
石英玻璃材料长期以来作为一种具有高硬度、高稳定性、高透光性的光学材料主力军，因其在光学性能、化学稳定性和加工性能上的优良特点，如今在化工领域、航空航天领域、光学系统乃至半导体通信领域等都有着重要的应用与广阔的前景。但石英玻璃的难加工性也逐渐引起人们的重视，其脆塑性转变临界加工深度很小，可加工性能差，加工后的表面易存在裂纹。本文设计搭建了一种二维超声椭圆振动砂轮装置，并且以单因素优选法设计实验找出影响加工后的石英玻璃材料的表面粗糙度的各因素，并分别研究了其影响规律。
2 实验装置的搭建
本实验二维超声椭圆振动磨削系统由超声振动系统、机床以及砂带进给系统三部分组成。超声振动系统包含超声波发生器、超声波换能器、变幅杆以及加工工具头等。砂带进给系统包括砂带、步进电机、导向带轮与收放带轮等。超声波变幅杆是超声振动砂带磨削加工过程中的核心部件。本实验装置首先应在一超声波变幅杆一端固定一块矩形45钢块工具头，用于固定石英玻璃材料，横向放置于实验台;另一超声波变幅杆端面固定一个圆柱形工具头用于连接砂带，将其纵向放置，两复合变幅杆共同作用可实现椭圆振动。
3 实验材料及相关参数
实验前要根据实际中的磨削抛光相关经验以及振幅、进给速度等加工参数的影响公式来合理选择参考参数值或相应范围，然后通过实验分析在二维椭圆振动加工过程中，不同的加工参数对工件被加工表面的表面粗糙度的影响。根据两种复合型变幅杆的设计参数，在本实验过程中横向的复合变幅杆换能器振动频率为28.02kHz，纵向的复合变幅杆换能器的振动频率应为28.21kHz。带的转速与变幅杆的输出振幅值及吃刀深呈正相关关系，带转速随输出的振幅值变大而越大，同时会使到带表面磨损严重，应而取带转速约1.18mm/min。
4 加工参数对表面粗糙度的影响实验
4.1 吃刀深度的影响作用
实验中被加工件石英玻璃的进给速度为0.166mm/min，带吃刀深度分别为1μm、2μm、2.5μm、3μm。两复合变幅杆功率都为69W，横向变幅杆振幅为4.4μm，纵向变幅杆振为5.2μm。从结果可得出，其他参数不变时，石英玻璃表面粗糙度值会随着吃刀深度增加越大。
4.2 工件进给速度的影响作用
实验中带磨削深度为2μm，分别取被加工材料进给速度为0.285mm/min、0.386mm/min、0.504mm/min做单因素试验。两复合变幅杆功率都为69W，横向复合变幅杆和纵向复合变幅杆的振幅分别为4.2μm与5μm，进行实验。分析实验结果后可知石英玻璃材料的进给速度数值与加工后的表面呈负相关关系。
5 结论
本文搭建出了二维超声振动开式砂带磨削实验平台，通过单因素优选法设计实验找出影响加工后的石英玻璃材料的表面粗糙度的各因素，并分别研究分析了其作用规律。得到吃刀深度和被加工工件进给速度值都与被加工表面粗糙度值呈正相关关系，并且在较大的和下，试件被加工表面会出现很多缺陷如裂缝与凹坑，适当减小吃刀深度或降低进给速度可以达到改善表面粗糙度的效果。
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本项目受到吉林省教育厅“十三五”科学技术研究规划项目资助（JJKH20170288KJ）
作者简介：吴庆玲（1984-），女，山东菏泽人，硕士，副教授，主要研究方向：精密加工方面。
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