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斜向超音波振動輔助車削石英之研究

摘要"

本研究探討的是以斜向超音波振動輔助車削石英環的加工應用。利用斜向超音波振動裝置,在切削時產生一XY方向斜向超音波前往復運動,進行石英盤面的精加工。本研究先測試出能加工石英的刀片材質,搭配實驗室前一代的斜向超音波振動輔助車削刀把進行加工驗證,後續輔以理論進行探討,最後再以新一代的斜向超音波振動輔助車削刀把進行車削實驗。實驗以立式車床進行車削實驗,振動頻率為48.5KHz、振幅為6µm、石英盤直徑為220mm、切削深度為20µm、切削長度為30mm、切削線速度為50m/min、切削進給速度為0.02mm/rev。實驗結果顯示,由於斜向超音波振動的施加,提升工件表面品質、減少刀具加工磨損。

關鍵詞:斜向超音波振動、車削石英

前言

利用超音波振動輔助車削來進行硬化鋼材與硬脆性材料的車削,已被證實可以在切削速度、切削品質與刀具壽命上獲得大幅的提升。超音波振動輔助車削的關鍵特性為間歇性切削,也就是切削過程中刀具與工件之間須有週期性分離,Kim等人[2]在1997年對超音波振動輔助車削有詳細介紹其切削過程,如圖1所示。
切削方向以頻率f來回振動,此時的週期為T、單邊振福為a、切削速度為V。當刀具由0點開始振動,以切削速度V前進,在A點接觸工件開始切削,在B點刀具對工件加工產生切屑;在C點時刀具往回移動,刀具此時與切屑分離;在D點刀具再次接觸工件切削產生切屑。
Moriwaki等人[3]在2004年對雙軸向(橢圓)超音波振動輔助切削進行模型建構,與單軸向超音波振動輔助車削相同都有刀具往復振動的效果,區別在於雙軸向超音波振動輔助切削能在兩個軸向上進行振動(如圖2所示)。雙軸向超音波振動輔助切削前刀面以能與切屑分離,再加上後刀面與工件分離,如此一來,切削液就能夠有效進入切削區域,充分潤滑與冷卻刀具,減少刀具磨損,如圖2-2a所示。一開始切削時y方向的刀具速度較切屑排出之速度慢,因此前刀面與切屑之間的摩擦力與單軸向超音波振動輔助切削相同,摩擦力會阻礙切屑排出;當刀具y方向的速度上升並大於切屑排出之速度,如圖2-2c所示,當前刀面與切屑之間的磨擦力方向與切屑排出的方向相同時,摩擦力反而幫助切屑排出,前刀面的平均切削力就會大幅下降。
Moriwaki等人利用此橢圓超音波振動刀具對鈉鈣玻璃進行實驗,切深為2µm、進給量為5µm/rev、切削速度為1.4-4.0m/min;切削結果如圖3所示,由於切削力減小,發生在玻璃上的脆性破裂變小,使得臨界切深增加,對玻璃之臨界切深比傳統切削加工多了7倍,表面粗糙度亦可以達到0.03µm Rmax的程度。
Moriwaki等人也比較雙軸向超音波振動切削、單軸向超音波振動切削、傳統切削的差異性,他們利用高速鋼刀具加工無氧銅,切深5µm、切削速度5m/min,實驗結果發現採用雙軸向超音波振動切削比單軸向超音波振動切削或傳統切削較佳,如圖4所示,其切屑厚度明顯減少、切削力明顯減少、毛邊相對少、表面粗糙度相對小、幾何形狀精度更好。
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