愈来愈多高性能硬脆性材料应用到工程领域当中,如大量的光学晶体广泛应用在航空航天领域、仪表仪器行业、电子光学以及高端民用工业中,但因其本身高的硬度以及脆性导致了加工困难,使其使用受到制约。这些光学玻璃等硬脆性材料在应用的过程中需要经历切断以及划槽等加工工艺,但在加工过程中因为其高硬度和脆性导致容易出现崩边、裂纹等限制了其应用推广。超声振动是一种有效加工硬脆性材料的方法,可以提高加工效率与加工质量。为解决硬脆性材料在锯切以及划槽过程中出现缺陷,发挥超声波辅助锯切加工在硬脆性材料的应用上的优异性能,要求在超薄金刚石锯片径向上施加超声振动并锯切硬脆性材料。本文将采用传统的锯切加工与超声振动复合工艺方法,设计研制一套以传统切割片实现径向超声振动进行锯切的切割装置,并对不同的典型硬脆性材料中的光学玻璃如石英玻璃、K9玻璃进行锯切。为了更进一步研究径向超声振动对硬脆性材料锯切过程中的影响,更加优化径向超声振动的加工效果,对锯切过程中的锯切力与力比、能量变化、锯切形貌、锯切后粗糙度以及崩边形貌特征变化进行了分析,探讨锯片径向超声振动锯切对不同光学玻璃的锯切过程中加工机理的影响。论文的主要研究如下:(1)从声学角度出发,采用解析法对一级变幅杆、二级工具变幅杆的尺寸进行了初步的计算,采用Pro E/ANSYS软件对一级变幅杆与二级工具变幅杆进行模态与谐响应等方面仿真分析,并进行了相关尺寸和结构的优化,选择了最佳的过渡圆弧半径以及法兰的设计位置。最终完成了一级变幅杆、二级工具变幅杆的制造以及锯片的装配,并进行了测试。(2)对工具径向超声振动辅助锯切装置的整体结构进行设计,完成BT40刀柄初始尺寸设以及工具径向超声振动辅助锯切装置超声信号换向装置、支撑轴承、套筒压板的选用以及各部分装配。对实验材料K9玻璃与石英玻璃的硬度、断裂韧性以及临界切削深度进行实验测试和计算。对超声振动系统的锯片进行整形和修锐,对锯切系统在机床上运行时谐振频率跟踪测量,保证了整个锯切系统在实验过程中超声振动的稳定性。(3)锯片径向超声振动使两种材料的锯切力均有降低,在一定程度上对断裂韧性小的材料的锯切力影响较大。径向超声振动降低了两种材料的锯切力比,但径向超声振动辅助锯切使得K9玻璃的锯切力比下降程度大于石英玻璃的。在锯切用量变化时,径向超声振动也大大降低了两种材料的锯切比能,但对K9玻璃的锯切比能影响更大。径向超声振动改变单颗磨粒切入工件的方式,影响了磨粒的切削厚度,改变了普通锯切过程中比能随单颗磨粒变化中的尺寸效应,大幅度降低了锯切过程中比能。(4)径向超声振动的高频冲击作用对于石英玻璃的表面形貌细化以及脆塑性转变影响不大,均为脆性去除;但对K9玻璃表面形貌细化以及脆塑性转变影响较大,使K9玻璃由塑性转变为脆性微破碎去除。径向超声振动降低两种光学玻璃材料锯切后沟槽底部算术平均粗糙度Pa与峰谷值Pv值,对K9玻璃锯切表面算术平均粗糙度Pa与峰谷值Pv影响较大。通过表面刻划实验,验证了径向超声振动影响了两种材料的材料去除方式,但对石英玻璃去除方式影响不大;对K9玻璃的去除方式影响则比较大。径向超声振动很大程度上抑制了光学玻璃锯切过程中崩边情况,降低了两种材料的崩边尺寸,但是对K9玻璃影响最大,对石英玻璃影响次之。