超聲波振動沖擊對鋸切過程中鋸片自銳性的影響研究

沈劍云，向 鑫，徐西鵬

（華僑大學機電及自動化學院，福建廈門 361021）

超聲波振動沖擊對鋸切過程中鋸片自銳性的影響研究

沈劍云，向 鑫，徐西鵬

（華僑大學機電及自動化學院，福建廈門 361021）

超聲波振動輔助加工是一種很好的加工硬脆材料的方法，而且超聲波振動沖擊能夠對金剛石磨具進行修銳。通過觀察氧化鋁陶瓷材料超聲波振動輔助鋸切過程中金剛石鋸片表面磨粒和結合劑形貌變化、測試分析鋸切力及力比的變化特征，研究超聲波振動沖擊對鋸切過程中金剛石鋸片自銳性的影響。在超聲振動輔助鋸切過程中鋸片結合劑可被連續地去除使得其工作表面不斷有新的磨粒出露，而且金剛石磨粒保持著合適的出刃高度和容屑空間，磨粒表面還可以被微破碎形成微切削刃，因此，保持金剛石鋸片工作面得以保持著穩定的銳利性，這也使得在鋸切過程中的鋸切力和力比不隨鋸切行程的累積而明顯增大。

超聲波振動；鋸切；自銳性；金剛石鋸片

工程陶瓷、光學玻璃及半導體材料等硬脆性材料由于具有優越性能得以廣泛應用。在硬脆性材料加工過程中往往需要經過鋸切、磨削、精密研磨和拋光等工藝，金剛石圓鋸片鋸切加工技術在鋸切加工中占有重要地位。但由于這些硬脆材料具有高強度、高硬度、高脆性的特性，若利用傳統鋸切工藝，鋸片易鈍化、堵塞，鈍化的磨粒難以脫落，新的磨粒難以出刃而喪失切削性能，導致鋸切力急劇上升、熱損傷和振動加劇，嚴重影響加工質量及效率［1－2］，因此保持鋸切過程中磨粒鋒利性至關重要。為此各國學者為解決磨粒鋒利性問題開展一系列超硬磨料工具修銳技術的研究［3－4］，主要包括傳統的油石等固結磨料的修銳、激光修銳、在線電解修整和在線電火花放電修銳、超聲波振動修銳等技術。油石修銳法操作簡便、費用少、修銳效果好，但是修銳效率低；另外幾種修銳方法，修銳效率高、磨料工具損耗小，但都需要專門的設備、費用高，存在一定局限性。如果在鋸切加工過程中，金剛石鋸片具有良好的自銳性，則可以減少修銳這道工序，大大節省時間并且有利于工件高質量的連續加工。超聲振動輔助加工已被證實能夠有效的加工硬脆性材料，并且Nik等［5－6］在研究超聲振動輔助磨削加工中，都有提到磨粒始終能夠保持較好的鋒利性，但是針對超聲振動輔助加工過程中金剛石工具產生自銳過程和形成機制研究還有待于進一步探索。通過在超聲波振動輔助鋸切過程中振動沖擊對金剛石鋸片自銳作用理論分析和實驗，分析超聲振動沖擊對金屬結合劑金剛石鋸片自銳性的影響。

1 超聲波振動沖擊對鋸切過程中鋸片自銳機理分析

超聲波振動輔助加工工藝是一種利用超聲波高頻率、高能量振動沖擊特性，實現硬脆材料良好去除的方法。超聲波振動輔助鋸切加工是利用傳統的鋸切加工與超聲波加工復合而成的加工方法。相比于普通鋸切過程，超聲波振動輔助鋸切過程中鋸片與工件界面相互作用機理要更為復雜（見圖1）。在超聲振動鋸切過程中界面存在的主要幾種相互作用分別為工件振動沖擊作用、切屑振動沖擊作用和金剛石機械磨削作用。正是由于界面中這幾種主要作用形式，使得超聲波振動沖擊對鋸切過程中鋸片自銳作用有以下幾種表現形式。

圖1 超聲波振動輔助鋸切界面相互作用模型圖Fig．1 Ultrasonic vibration assisted sawing interfacial interactionmodel diagram

（1）金剛石磨粒磨耗磨損和宏觀破碎減少

普通鋸切過程中隨工具旋轉的金剛石磨粒在靜載荷的作用下擠壓磨削工件材料，即圖1中的金剛石機械磨削作用，由于受到較大擠壓、摩擦從而造成金剛石磨粒宏觀破碎和磨耗磨損［7］。金剛石因磨損失去切削刃而鈍化和因發生宏觀破碎失去切削作用，進而嚴重影響切削效果。超聲振動輔助鋸切過程中，工件表面受到磨粒和切屑高頻、高速的振動沖擊作用，在被加工表面產生了很大局部單位面積壓力，促使加工表面形成大量鱗狀微裂紋以及促使其擴展，減小材料去除過程中切削力。有研究表明，工件超聲振動降低了其本身硬度，改善了自身可加工性而減小了鋸切力；超聲振動也降低了磨粒與工件間摩擦系數，減小了摩擦磨損［8］。由于超聲振動引入產生的上述效應從而減小了磨粒的磨耗磨損和宏觀破碎，使得金剛石磨粒有效切削時間更長，提高了金剛石的有效利用率。

（2）金剛石磨粒微破碎

在超聲振動作用下，工件表面以很高的速度和加速度不斷沖擊工具表面上的金剛石磨粒。磨粒與工件表面作用的加速度可達重力加速度的幾千甚至幾萬倍，高頻高速的撞擊作用于磨粒表面，促使磨粒表面產生微破碎，重新形成一批更多的新的微切削刃（見圖1中A磨粒），有利于切削。

（3）金剛石出刃高度增大和露出新的磨粒

工件與工具之間存在超聲振動，迫使鋸切區內的切屑在工作液中以很大的速度和加速度高頻間斷性沖擊結合劑；切屑也在工具高速旋轉帶動下滑擦鋸片結合劑表面，導致結合劑材料的快速去除。另一方面，由于超聲振動作用在加工區域內的空化、超壓效應也促使了結合劑的去除［9］。隨結合劑的逐漸去除，鋸片基體中金剛石磨粒的出刃高度逐漸增大（見圖1中C磨粒），同時容屑空間體積也相應增大，減少了切屑堵塞、鋸片磨損和工件燒傷，使材料獲得更好的加工質量。新的磨粒也隨結合劑去除量增大而及時出刃（見圖1中B磨粒），補充因出刃高度過大而脫落的磨粒，維持鋸切過程中磨粒數的相對穩定性，使切削過程更加平穩。

在超聲振動輔助鋸切過程中，從單顆磨粒工作的整體狀態來看，超聲振動沖擊作用使磨粒逐漸變為有效磨粒（保持一定出刃高度、較少磨粒表面磨損、磨粒表面微破碎形成鋒利磨刃），在完成一定鋸切體積后破碎或脫落，所有的磨粒均可以順次成為有效磨粒參與鋸切過程。這一現象即為超聲振動輔助鋸切條件下金剛石鋸片的自銳效應。

2 實驗方案

為了驗證超聲振動沖擊對鋸切過程中鋸片自銳機理分析，擬開展氧化鋁陶瓷鋸切實驗。研究普通鋸切和超聲振動輔助鋸切條件下，1 500次鋸切行程中鋸片表面形貌和鋸切力、力比的變化。實驗在立式銑削加工中心上進行，實驗裝置見圖2，主軸轉速n繞Z方向旋轉，工件進給速度vw沿Y方向往復運動，切削深度ap沿X方向進給，工件沿X方向作超聲縱向振動。超聲振動系統采用自行設計裝置，振動頻率28 kHz，最大輸出功率150 W；采用KISTLER 9257B型三向壓電晶體測力儀測量鋸切力。采用KH－8700超景深顯微鏡對鋸片表面形貌進行跟蹤觀察。鋸切試驗原理圖（見圖3）。試驗過程中，打開超聲波發生器為超聲振動輔助鋸切，關閉超聲波發生器則為普通鋸切。

試驗分兩組進行，分別研究普通鋸切與超聲振動輔助鋸切實驗中隨總鋸切量的增加鋸片表面形貌的變化和對鋸切力的影響。試驗中，階段性的對鋸片標記的鋸切面上20個區域磨粒狀態進行跟蹤觀察；測量鋸切實驗前后鋸片徑向磨損值。試驗方案見表1。

圖2 鋸切實驗裝置Fig．2 Sawing experiment device

圖3 鋸切實驗原理圖Fig．3 Sawing experimentschematic

表1 鋸切試驗方案表Tab.1 Conditions of saw ing experiments

3 實驗結果與分析

3.1 超聲波振動沖擊對鋸片表面形貌的影響

鋸切過程中，鋸片的切削能力因磨損而下降。理想的加工工藝系統應使金剛石磨粒的磨損速度與結合劑磨損速度相匹配，從而實現鋸片良好自銳性［10］。鋸切過程是分布于鋸切面上眾多單顆磨粒進行切削的綜合效果，對表面磨粒狀態進行跟蹤分析是研究鋸切過程的有效方法之一。

在普通鋸切中，鋸片因磨損而喪失切削性能，表現形態主要是金剛石的磨耗磨損以及宏觀破碎（見圖4和圖5）。從圖4（a）中可以看出，磨粒經過500次鋸切行程時，圖上標示的a處表面出現了明顯的滑擦痕跡。在1 500次鋸切行程時磨粒出現較大的磨平區域。從圖5（a）中可以發現鋸切前磨粒形狀完好，在經過500次鋸切行程時發生了宏觀破碎（見圖4（b））。

圖4 磨耗磨損Fig．4 Abrasion wear

圖5 宏觀破碎Fig．5 Macro-crushing

超聲波振動輔助鋸切過程中，鋸片受到超聲波振動沖擊作用，相對于普通鋸切，表面形貌變化相差各異。從跟蹤觀察的二十個區域中磨粒變化特征可得，磨粒磨平與宏觀破碎現象明顯減少，磨粒典型變化特征主要表現出為另外的三種表現形式：① 從圖6在1 000次鋸切行程中，從直觀上看圖上標示的b，c和d三顆磨粒相對于鋸切前出刃高度明顯增大（露出結合劑表面部分）；②從圖7中可知磨粒e從1 000次鋸切行程開始到1 500次鋸切行程結束，裸露體積明顯增大，e磨粒下方產生了一個新的磨粒f，露出結合劑表面；③磨粒表面微破碎，如圖8所示在500～1 000次鋸切行程中，磨粒g上表面發生了微破碎（方框標記區域），形成了新的切削刃。

圖6 磨粒出刃高度增大（三維立體圖）Fig．6 Increasing height of protrusion of diamond grains

上述鋸片表面形貌變化代表了兩種不同鋸切過程中金剛石磨粒典型的變化特征。通過對金剛石磨粒的變化過程跟蹤觀察可以歸納出：普通鋸切時，磨粒發生明顯的磨耗磨損和宏觀破碎，結合劑去除緩慢，磨粒出刃高度增大程度很小，致使磨損的磨粒難以脫落，新的磨粒難以出刃；而超聲振動輔助鋸切時，受到超聲波振動沖擊作用鋸片表面磨粒磨損和宏觀破碎明顯減少，磨粒發生微小破碎并產生新的切刃，結合劑去除速率較快，磨粒出刃高度和裸露體積增大，新磨粒及時出刃，形成了超聲波振動輔助鋸切時鋸片良好的自銳過程。以上鋸切實驗過程中鋸片磨粒形貌的變化特征直觀性的驗證了超聲波振動沖擊對鋸切過程中鋸片自銳機理分析。

圖7 磨粒裸露體積增大和露出新的磨粒Fig．7 Increasing bare volume of diamond abrasive and exposing new abrasive

圖8 微破碎Fig．8 Micro-broken

結合劑的快速去除，必然影響鋸片徑向磨損量的增大，圖9表示在鋸切前和1 500次鋸切行程后普通鋸切和超聲振動輔助鋸切鋸片徑向磨損量的對比。

從圖9可知超聲振動輔助鋸切工藝，鋸片徑向磨損量要明顯大于普通鋸切，從而反過來證明了超聲振動沖擊加快了結合劑的去除速率。

圖9 鋸片徑向磨損量對比圖Fig．9 Radial blade wear comparison chart

圖10 鋸切行程對鋸切力和力比影響Fig．10 Effect of sawing passes on sawing forces and ratio

鋸切過程中良好的自銳性可以有效避免磨粒磨損、宏觀破碎失效而導致鋸切力上升，從而獲得更加穩定的鋸切過程。

3.2 自銳性對鋸切力的影響

按表1所示試驗方案對氧化鋁陶瓷材料進行試驗，得到普通鋸切與超聲振動輔助鋸切隨鋸切量增加，對鋸切力、力比影響規律曲線（見圖10）。

從圖10（a）中可知法向鋸切力在兩種鋸切方式下隨鋸切行程次數增加的變化趨勢。普通鋸切時，法向鋸切力隨鋸切次數的增加一直處于遞增的趨勢。而超聲振動輔助鋸切下，法向力遞增極其緩慢，并且呈現一定周期性波動，其原因在于在超聲振動輔助鋸切過程中，一方面磨粒磨損使得鋸切力增大，另一方面磨損磨粒脫落、磨粒微破碎和新磨粒切削刃產生使得鋸切力減小，它們彼此相互制約，形成了鋸切力較小幅度的波動，大體上保持相對的穩定。鋸切力比與鋸片的銳利程度和工件材料的硬度有關。鋸片鋒利性越好，鋸切力比就越小；料越硬越脆，鋸切力比愈大。從圖10（b）可知，輔加超聲振動后，鋸切力比降低，可見超聲振動降低了磨粒切入工件的難易程度，從而減小了磨粒磨損。兩種鋸切方式下隨鋸切次數的增加，普通鋸切力比上升的趨勢更明顯。這是因為普通鋸切時，磨粒隨鋸切行程的增加，越來越鈍；而超聲振動輔助鋸切良好自銳性使磨粒一直保持較好的鋒利性。

通過以上分析兩種鋸切方式鋸切力與力比隨鋸切量的累積變化趨勢，從另一角度證明了超聲振動沖擊作用對鋸切過程中鋸片具有良好的自銳性。

超聲振動輔助鋸切相比于普通鋸切，金剛石鋸片之所以能夠保持良好的自銳效果，其原因關鍵在于結合劑的快速去除，致使磨粒的裸露體積增大，出刃高度增加，新的磨粒及時出刃，保持了鋸片上磨粒的鋒利性和磨粒數量的動態穩定性。同時因結合劑的快速去除也就必然導致鋸片徑向磨損量一定程度增大。換句話而言，正是因為超聲鋸切過程中結合劑的快速去除，磨損的加大，才會致使超聲鋸切過程中鋸片保持良好的自銳性。雖然普通鋸切過程中鋸片徑向磨損量小于超聲鋸切，但是由于普通鋸切過程中較差的自銳性，導致一定鋸切行程后磨粒切削能力下降，鋸切力明顯增加。為了使普通鋸切切削效果恢復到初始狀態，就必須鋸切一定行程后定期進行人為修銳（例如油石修銳），這不僅會增加加工時間，影響工件連續加工質量，而且也會因為修銳增大鋸片徑向磨損量。因此，相對于普通鋸切而言，超聲鋸切過程中，鋸片相對大的徑向磨損量對于工件整體加工成本和質量而言，可以忽略。

4 結 論

（1）超聲波輔助鋸切過程中存在磨粒良好的自銳作用，其自銳性表現為：鋸切過程中磨粒磨損和宏觀破碎明顯減少；發生微破碎產生新切削刃；結合劑去除速率增大，磨粒出刃高度增大，容屑體積增大，磨鈍磨粒能及時脫落和產生新的磨粒，保持鋸片鋒利性。

（2）超聲波振動沖擊增大結合劑去除速率，導致超聲波輔助鋸切鋸片徑向磨損量大于普通鋸切。

（3）超聲波輔助鋸切具有良好鋸切性能，隨著鋸切總量的增加，鋸切力、力比上升幅度小，保持相對穩定，從而使得鋸切過程平穩，有利于材料獲得更好加工效果。

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Influence of ultrasonic vibration on self-sharpening of diamond saw-blade during saw ing process

SHEN Jian-yun，XIANG Xin，XU Xi-peng
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，361021，China）

Ultrasonic vibration assisted machining is a widely used method formachining of brittlematerials．The ultrasonic vibration also can dress the diamond grinding tool during themachining process．In the study，the influence of ultrasonic vibration on the self-sharpening of diamond saw-blade was investigated by observing saw-blade surface topography and analyzing cutting force during the process of ultrasonic vibration assisted sawing of alumina ceramic．The bond material of diamond saw-blade is continually removed and leads to new diamond protrusions on the blade surface under the shock of ultrasonic vibration．The diamond abrasives can keep always properly protrusive with enough chip space．Moreover，the shock of ultrasonic vibration can also break the diamond grits to produce micro cutting edges．Therefore，the saw-blade work surface steadily keeps sharp during ultrasonic vibration assisted sawing，and the sawing force and force ratio does not increase with the increasing of cumulative sawing paths．

ultrasonic vibration；sawing；self-sharpening；diamond saw-blade

TG580．6

A

10．13465／j．cnki．jvs．2015．12．009

國家自然科學基金（51275181）；教育部長江學者與創新團隊發展計劃（IRT1063）；福建省自然科學基金（2012301215）

2014－01－08 修改稿收到日期：2014－04－30

沈劍云 男，博士，研究員，1972年生