多層鍺矩形長條鋸切夾具設計

張　斌

(泰州職業技術學院,江蘇 泰州 225300)

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多層鍺矩形長條鋸切夾具設計

張斌

(泰州職業技術學院,江蘇 泰州 225300)

針對多層鍺矩形長條鋸切過程中分層的原因進行了分析，提出了工件在整體受壓下利用金剛石線鋸進行鋸切加工的解決方法，有效地消除了加工中的分層現象。設計了結構簡單的鋸切夾具，同時介紹了夾具結構及工作過程。

多層鍺; 夾具; 分層

圖1所示是某研究所委托加工的直徑75mm的多層鍺圓毛坯。該毛坯由20片厚度0.4mm左右的圓形單晶鍺片壓制而成，層與層之間用錫進行粘接，毛坯總厚度為8mm。其切割示意圖如圖2所示，按缺口所示的方向進行定向切割，一個毛坯上切割出5個長50mm，寬10mm，厚8mm的多層鍺矩形長條。要求切割出的工件無破碎，層與層之間結合可靠，切割后不產生分層。

1　加工方案的確定及分層原因分析

1.1加工方案的確定

針對該產品的加工，初步擬訂了3種加工方案：

第一種加工方案是采用外圓金剛石鋸片進行鋸切。但試切時發現，由于鍺為硬脆材料，在鋸片的振動及切入時的沖擊作用下，鍺片呈大面積的破碎，同時分層現象嚴重，導致生產無法繼續。另外受鋸片寬度的限制，鋸縫過寬，無法在同一個鍺圓上有效地鋸切出5個矩形長條。

第二種加工方案是采用WEDM技術對鍺圓進行電火花線切割。電火花線切割的鋸縫窄，無切割力，能有效地減少鋸切過程中的破碎。但在試切過程中發現由于半導體鍺(Ge)放電加工中的表面鈍化效應[1]，隨著加工時間的變長，加工電流變的越來越小，甚至使加工不能繼續進行。且加工后的鍺表面條紋明顯，表面質量不高。

第三種加工方案是利用固結金剛石線鋸技術進行鋸切[2]。該方案切割的鋸縫窄，切割力小，試切后的工件表面光滑，但在鋸切工件時，分層現象仍時有發生。

對以上3種方案進行綜合考慮，確定采用金剛石線鋸技術進行多層鍺矩形長條的鋸切這一方案，但需解決分層問題。

1.2分層原因分析

利用金剛石線鋸技術對多層鍺圓進行試鋸切時，發現分層現象不僅在鋸切過程中會出現，在鋸絲回退過程中也會出現。經多次試切后分析，分層原因主要有以下幾個方面：

(1) 壓制不均勻。由于該工件毛坯是由多層圓形薄鍺片用錫粘接后壓制而成的，在壓制時，由于粘接劑的分布不均，導致部分區域粘接劑很少，層與層之間的結合力弱。這部分區域在受外部較小的力作用時易產生分層。

(2)受力不均勻。 鋸切過程中，鋸絲對加工區域處的工件材料施壓，加工區域外的工件不受力。同一層鍺片的受力不均勻使得層與層之間的作用力產生較大的波動而容易導致分層。

(3)鋸絲的振動撞擊。由于鋸絲的往復運動，鋸絲的空間位置并不是固定不變的。鋸絲空間位置的振動，會對已加工的表面產生撞擊，當撞擊產生的分離力大于層與層之間的結合力時，工件就會產生分層。

1.3解決措施

針對多層鍺矩形長條鋸切過程中產生分層的原因，采用專用夾具對多層鍺圓進行軸向整體均勻加壓。這一措施一方面使得在鋸切過程中層與層之間的作用力保持不變，削除了由于作用力波動導致的分層；另一方面加強了層間的結合力，消除了壓制不均勻及鋸絲的振動對層間的作用力的影響。

同時，鍺在受壓狀態下加工時其裂紋擴展規律發生改變[3]，表面不易出現裂紋，減少了鋸切過程中材料破碎的幾率。

2　夾具設計

2.1夾具結構

該多層鍺矩形長條鋸切夾具的結構如圖3所示，主要由夾具主體、樹脂壓板、內六角螺釘組成。夾具主體部分由一塊厚60mm的45鋼塊用線切割分兩次切割而成，切割過程中需保證夾具底面與側面的垂直度；鍺圓由3塊樹脂壓板及8個內六角螺釘施壓夾緊。

2.2夾具工作過程

將已經修平毛邊的多層鍺圓如圖3所示裝壓到夾具中，逐一擰緊內六角螺釘，保證3塊樹脂壓板對工件的施壓均勻。然后，將夾具如圖4所示安裝在線切割工作臺的橫梁上，用壓板壓緊，一次裝夾完成長度方向2條切縫的切割。加工完成后取下夾具，將兩側的小樹脂壓板及切割下的邊緣鍺料取下。最后將夾具旋轉90°如圖5所示裝夾，完成寬度方向6條切縫的切割。

2.3加工效果

采用該夾具裝夾加工的工件，由于處于整體軸向均勻受壓狀態，加工過程中未出現分層現象。圖6所示的加工后的工件表面光潔，無肉眼可見的破碎崩邊，尺寸精度和幾何形狀精度都完全滿足產品的要求。

2.4裝夾時注意的問題

鍺片硬脆且薄，裝夾時稍有不慎易被壓碎。因此在鍺圓與金屬夾具體之間加1mm厚的橡膠墊片進行柔性裝夾。裝夾時需保證螺釘的施力均勻，防止產生偏壓。裝夾力不能太大，否則橡膠墊片對鍺片的吸附力加大，會增加從夾具中取下工件的難度。

3　結語

該鋸切夾具結構緊湊，拆裝方便，制造簡單，加工出的工件完全滿足產品加工要求，解決了加工分層的難題。同時，該夾具結構也為同類型硬脆材料工件的加工提供了借鑒。

[1]吳春艷,陸亦工,高長水，等.半導體鍺(Ge)放電加工中的表面鈍化研究[J]. 中國儀器儀表，2015(2)：60-64.

[2]張云電,張宇,嚴明，等.硬脆材料加工技術[M].北京：科學技術出版社，2011.

[3]田欣利,徐西鵬,袁巨龍,等．工程陶瓷先進加工與質量控制技術[M]．北京: 國防工業出版社，2014．

[4]濮良貴，紀名剛．機械設計[M]．8版.北京: 高等教育出版社，2005．

[5]李偉，譚豫之．機械制造工程學[M]．2版.北京: 機械工業出版社，2013．

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Design of multilayer germanium rectangular bar sawing fixture

ZHANG Bin

(TaizhouPolytechnicCollege,Taizhou225300,CHN)

Analysisofthereasonsofthedelaminationintheprocessofmultilayergermaniumrectangularbarsawing,themethodusingdiamondwiresawcuttingtheoverallcompressionworkpiecehasbeenproposed,effectivelyeliminatesthephenomenonofdelamination.Simplestructuresawingfixtureisdesigned,thestructureandworkingprocessofthefixtureareintroducedatthesametime.

multilayergermanium;fixture;delamination

TH122

B

張斌，男，1975年生，工學碩士，副教授，研究方向為硬脆材料的特種加工技術，已發表論文10 余篇。

(編輯李靜)(2015-09-08)

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