超声振动对光学玻璃加工的锯切力特征研究∗

王江全　沈剑云　李政材　徐西鹏

（华侨大学机电及自动化学院厦门361021）

超声振动对光学玻璃加工的锯切力特征研究∗

王江全†沈剑云李政材徐西鹏

（华侨大学机电及自动化学院厦门361021）

超声振动辅助方法已在各种硬脆性材料的加工工艺中得以应用，其优异的加工能力和效果已得到广泛证明。本研究中通过采集有无超声振动条件下锯切光学玻璃的平均锯切力的力学信号，对不同工艺条件下的平均锯切力进行分析。同时通过扫描电镜观察对应力信号下工件与工具加工后表面形貌，进一步通过超声振动下材料去除机理解释超声振动对锯切力影响。结果表明：与传统锯切工艺相比，超声振动改变普通锯切下材料的去除方式；同时可使工具保持良好的锯切状态，降低光学玻璃材料的锯切力比，改善其可加工性。

超声振动，锯切，锯切力，光学玻璃

1　引言

随着光学玻璃、蓝宝石以及晶体材料等各种硬脆性材料的广泛应用，实现其高效精密加工已成为制造工程领域的重要课题。相关研究表明，将超声引入到硬脆性材料的加工中可以降低切削力并维持一个较低值［1-2］，且可提高加工效率，已成为硬脆性材料高效精密加工的有效方法［3-5］。锯切加工是硬脆材料零件制备流程中的第一道工序，其加工效率和质量对后续加工工艺及零件的总体制造成本有着重要影响。本研究中将利用超声振动辅助方式进行光学玻璃的锯切加工，综合分析超声波辅助锯切玻璃过程中对锯切力的影响特征，结合超声波下锯切材料去除方式，分析超声振动对锯切力影响机理。目的在于提高光学玻璃的切割分离过程中的效率以及调高切割后质量，探索一种适合工业生产的高效高质量的光学玻璃切割加工方式。

2　锯切理论分析

2.1锯切平均锯切力分析

锯切弧区内磨粒与工件的相互作用产生总锯切力为弧区内所有接触加工单颗磨粒受力总和［6］。单颗磨粒所受载荷的变化直接反应到总平均锯切力的变化趋势中。本研究采用测力仪直接测量平稳锯切下逆切锯切力信号平均值作为总平均锯切力，如图1所示。由于锯片的直径远大于锯切深度，故测量水平力Fx、竖直力Fy视为法向力Fn、切向力Ft［7］。影响各个方向总平均锯切力大小的直接原因是弧区内单颗磨粒受载荷大小。

图1　锯切力模型Fig.1 Cutting force model

2.2超声下锯切弧区磨粒运动轨迹

超声锯切是普通锯切与超声振动复合而成的综合加工方法，锯片上单颗磨粒在锯切区运动方程［8］：

式（1）∼（2）中，vw为工作台进给速度，ds为锯片直径，f为超声振动频率，A为超声振幅，φo为锯片超声振动初相位。

超声辅助下，经Matlab仿真得到磨粒运动轨迹，如图2所示。假设a、b、c为三颗有效磨粒在超声下先后切入工件轨迹；d、f、g为普通方式下三颗磨粒平稳切入工件轨迹。弧区内，D为第一颗磨粒a磨粒经过一个超声周期界限，b、c在a经过一个超声周期时，接触工件部分为包络B、C阴影部分轨迹，其余为空切，属于间歇性切削。超声改变磨粒切入工件工作方式，也造成在不同参数下对平均锯切力的影响趋势与普通条件下不同。

3　试验装置与试验条件

锯切光学玻璃试验在立式加工中心进行；超声系统安装在机床工作台上，实验装置如图3所示。锯切力采用三向压电晶体测力仪Kistler9257B进行检测，通过DEWE-2010动态信号分析仪实时显示数据进行采集和分析，其示意图如图4，采集的原始信号通过虚拟数字滤波器进行了滤波处理；超声频率和振幅采用激光位移传感器进行测量，工件表面形貌采用Phenom扫描电镜观察。

本研究中采用青铜结合剂金刚石薄锯片进行锯切实验，粒度600#，浓度25%，规格为50 mm ×0.3 mm×25.4 mm；工件材料为Na2SiO3光学玻璃，尺寸为10 mm×10 mm×2.5 mm；锯切过程中，工件直接粘接在变幅杆前端工件夹具上，使用切削液。超声频率为28 kHz，振幅为4µm。

图3　锯切实验装置图Fig.3 Sawing experiment device

图4　锯切力采集装置示意图Fig.4 The sawing force acquisition device

4　试验结果与分析

4.1超声振动对平均锯切力的影响

在锯片转速为7000 r/min和工作台进给速度为900 mm/min条件下，锯切深度在有无超声辅助两种方式下对平均锯切力影响如图5所示。可以看出超声锯切对平均锯切力影响有很大程度上的改善。从整体上看来，两种方式锯切下锯切力随着锯切深度增加，符合锯切加工的一般规律。当锯切深度在15∼60µm范围时，超声振动使法向平均锯切力降低约26.2%∼46.4%，切向平均锯切力下降约16.7%∼25%，由此可知超声振动可以缓解普通锯切下锯切力大所带来的加工问题，也改善锯切深度增加带来的锯切力增大趋势，使其递增趋势趋向平缓。

图6表示锯片转速为7000 r/min和锯切深度为30µm时，锯切工作台的进给速度在两种方式下对平均锯切力影响。当工作台的进给速度在600∼1500 mm/min变化时，普通方式下锯切法向平均力增加比例54.8%；超声锯切法向平均力增加比例38.7%，但是在平均切向力上，超声锯切其递增趋势影响不大明显。可见超声振动一定程度上降低法向平均锯切力随进给速度增加而递增趋势。

图5　不同切深与总平均锯切力关系Fig.5 Relationship of different cutting depth and average cutting force

图6　不同进给与总平均锯切力关系Fig.6 Relationship of different feed and average cutting force

在图7中，锯切深度30µm和锯切工作台进给速度900 mm/min条件下，锯片的转速在两种方式下锯切对平均锯切力的影响。锯片转速的提高，对法向平均力影响最大，但在5000 r/min后，切向平均力趋于平稳有稍微上升趋势，可能由于实验数据采集问题或者材料去除方式发生改变造成的。但超声振动使平均锯切力总是小于普通平均锯切力，法向平均锯切力降低比例达25.7%∼40%，但对切向平均锯切力减少影响不明显。

选择转速7000 r/min和锯切工作台进给速度900 mm/min条件下，切深分别为15µm、30µm、45µm、60µm四组数据计算力比，如图8所示。

图7　不同转速与总平均锯切力关系Fig.7Relationship of different rotational speed and average cutting force

图8　有无超声辅助对锯切力比影响Fig.8The effect of sawing force ratio with or without ultrasound assisted

超声振动整体上降低锯切力比值，可能是超声辅助改善了锯切过程中对材料性能影响或者去除方式等。不同的锯切用量对力比值的大小影响不同，且在不同的锯切深度下，超声对力比的降低程度也不同。但基本可说明超声振动可大大降低磨粒切入工件的难度，改善了硬脆性材料的可加工性。

4.2超声振动对锯切沟槽底部形貌的影响

当锯切深度15µm，工作台进给速度900 mm/min与锯切转速7000 r/min时，有无超声锯切后沟槽底部形貌如图9∼10所示。图9中，1处平滑拖痕与2处破碎的凹坑说明材料存在着延性去除与脆性去除两种方式。但磨粒与工件在平滑的拖痕处，不利于切削液润滑与排屑，会产生高速摩擦，易使温度急剧升高导致锯片磨粒磨损和石墨化而失去锯切能力。增大了磨粒载荷，引起了锯切力的增大。因此，图7中锯片转速提高到5000 r/min后，普通平均锯切力降低不再明显。

图10中3与4处可见超声锯切下材料基本是脆性破碎去除，但破碎凹坑尺寸明显比普通方式下小，说明超声振动使材料更倾向于脆性微破碎去除。脆性去除减少磨粒与工件之间直接接触摩擦，有利于冷却液进入锯切区提高润滑与排屑，降低温度而抑制石墨化现象，碰撞也增加了磨粒切削刃，可进一步降低锯切力比与平均锯切力，并且不受转速影响。

图9　普通锯切沟槽底部形貌Fig.9 The trench bottom topography of ordinary sawing

图10　超声锯切沟槽底部形貌Fig.10 The trench bottom topography of ultrasonic aided cutting

5　结论

（1）对两种条件下锯切光学玻璃过程力信号分析可得到结论：超声振动可导致锯切过程中平均锯切力的整体降低。

（2）超声振动使普通锯切中磨粒平稳切入工件的运动轨迹变为间歇性的冲击切削。使普通锯切中以延性去除与脆性去除两种方式混合状态转变为基本上以脆性断裂导致微破碎而被去除。

（3）超声导致工件与磨粒间相互冲击作用，以致磨粒可维持良好的自锐效果，使锯切力比平均下降了大约17.8%，改善了硬脆性材料的可加工性，提高锯切效率。

［1］SPUR G，HOLL S E.Material removal mechanisms during ultrasonic assisted grinding［J］.Prod.Eng.，1997，12：9-14.

［2］EGASHIRA K，MIZUTANI K，NAGAO T.Ultrasonic vibration drilling of micro-holes in glass［J］.CIRP Ann. Manuf.Technol.，2002，51（1）：339-342.

［3］ISHIKAWA K，SUWABE H，NISHIDE T，et al.A study on combined vibration drilling by ultrasonic and lowfrequency vibrations for hard and brittle materials［J］.Precis.Eng.，1998，22（4）：196-205.

［4］EGASHIRA K，MASUZAWA T.Micro-ultrasonic machining by the application of work-piece vibration［J］. CIRP Ann.Manuf.Technol.，1999，48（1）：131-134.

［5］UHLMANN SPUR G E.Surface formation in creep feed grinding of advanced ceramics with and without ultrasonic assistance［J］.CIRP Ann.Manuf.Technol.，1998，47（1）：249-252.

［6］李伯民，赵波.现代磨削技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［7］赵民，孙红.金刚石锯片切割工程陶瓷的切削力影响因素分析.工具技术［J］.2000，34（5）：15-16. ZHAO Min，SUN Hong.Analysis of factors influencing cutting force in cutting engineering ceramics by diamond saw blades［J］.Tool Engineering，2000，34（5）：15-17.

［8］张洪丽.超声振动辅助磨削技术及机理研究［D］.济南：山东大学，2007.

Influence of ultrasonic vibration on sawing force characteristic of precision sawing optic glass

WANG JiangquanSHEN JianyunLI ZhengcaiXU Xipeng
（College of Mechanical Engineering&Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Ultrasonic vibration assisted machining has been widely applied on various machining methods of hard and brittle material，and its excellent machining capability has been proven.In this study，an average cutting force signal under condition of ultrasonic vibration or without it in optical glass cutting was collected，and the average cutting force characteristics under different conditions were analyzed.At the same time，the surface morphology of the corresponding force signal and tool work-piece after machining were observed by scanning electron microscope to further explain the mechanism of material removal under ultrasonic vibration and ultrasonic vibration effect on cutting force.The results show that ultrasonic vibration can change ordinary sawing way at removing material，keep a good cutting status of tool，reduce the cutting force ratio of the optical glass material and improve its workability.

Ultrasonic vibration，Sawing，Sawing force，Optic glass

TB559

A

1000-310X（2015）04-0339-05

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.04.008

2015-01-30收稿；2015-04-25定稿

∗国家自然科学基金项目（51275181）

王江全（1989-），男，广东湛江人，硕士研究生，研究方向：高效精密加工。†

E-mail：771509531@qq.com