二維超聲振動(dòng)輔助線切割機(jī)理與試驗(yàn)研究

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(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

二維超聲振動(dòng)輔助線切割機(jī)理與試驗(yàn)研究

李偉,夏鑫杰，郭東訓(xùn)

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

為了提高線切割加工的效率與效果，提出了二維超聲振動(dòng)線切割技術(shù)，從理論上對該技術(shù)加工機(jī)理與工藝進(jìn)行探討，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真，對二維超聲振動(dòng)線切割中單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析研究，從理論上證明二維超聲振動(dòng)線切割優(yōu)于普通線切割和一維超聲振動(dòng)線切割.并利用自行研制的多線切割機(jī)模擬機(jī)進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，對比這三種切割方式，研究不同加工工藝參數(shù)對切割效率與加工表面質(zhì)量的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相同加工條件下，一維超聲振動(dòng)線切割相對于普通線切割，切割效率和表面質(zhì)量都有明顯提升，二維超聲振動(dòng)線切割相對于一維超聲振動(dòng)，大大提高了加工表面質(zhì)量，切割效率有小幅提升.

超聲振動(dòng)；線切割；加工效率；表面質(zhì)量

近年來硬脆材料，尤其是非金屬、非導(dǎo)電材料以及半導(dǎo)體等材料，例如玻璃、各種石材、寶石和硅晶體等，它們的硬度、脆性、耐磨性、抗蝕性和抗氧化性等都比較高，由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，這些特殊材料在軍用及民用工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的對加工要求也越來越高[1-2].因此，如何提高切割硬脆材料的切割效率、質(zhì)量和精度，已經(jīng)成為急需解決的問題.目前，工業(yè)上對于大直徑的硬脆材料切片，普遍采用的是往復(fù)式游離磨料線切割技術(shù).但是這種技術(shù)存在鋸絲使用壽命短，走線速度低，磨漿的處理和回收成本較高，切割大尺寸坯料時(shí)磨料難以進(jìn)入到長而深的切縫中等問題[3-4].因此，提出了采用固結(jié)磨料的電鍍金剛石線鋸來代替游離磨料線鋸，可以很好地解決磨漿污染和硅晶片直徑尺寸日益增大等問題.固結(jié)磨料線切割技術(shù)相對比于游離磨料線切割技術(shù)，具有效率高、切片薄、省材料和加工表面損傷小等優(yōu)點(diǎn).這種線鋸結(jié)構(gòu)簡單，對提高加工硬脆材料技術(shù)有重要的意義.除此之外，日本等國家已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用超聲振動(dòng)切割硬脆材料，相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)指出，施加超聲振動(dòng)切割的效率是不加振動(dòng)切割的2～3倍左右，并且可減小切削力，提高切割精度和工具壽命[5-6].因此，筆者提出了一種新型的基于二維超聲振動(dòng)輔助下的電鍍金剛石線切割技術(shù)，并從理論上分析了二維超聲振動(dòng)電鍍金剛石線切割加工機(jī)理，通過比較一維超聲振動(dòng)線切割，二維超聲振動(dòng)線切割，以及普通線切割等3種多線鋸加工方式的對比實(shí)驗(yàn)，證明了二維超聲振動(dòng)電鍍金剛石線切割加工具有良好的切割加工效率與加工表面質(zhì)量.

1 二維超聲振動(dòng)線切割機(jī)理

二維超聲振動(dòng)線切割是指在工件上加上一個(gè)與工件垂直的徑向振動(dòng)和一個(gè)平行于線速度方向的切向振動(dòng).為了便于分析，建立如圖1所示二維超聲振動(dòng)平面切削工件時(shí)的單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)示意圖.圖1中v為線速度，u為金剛石線鋸的進(jìn)給速度，f1，f2分別代表沿X，Z軸的超聲振動(dòng)(頻率為f,振幅分別為A，B).

圖1 單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1 The motion diagram of single abrasive grain

可以得出二維超聲振動(dòng)線切割中單顆金剛石磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(1)

式中：φ為兩個(gè)超聲振動(dòng)的相位差；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間.根據(jù)以上運(yùn)動(dòng)方程，為了從微觀上能清晰地看出軌跡，假設(shè)：線速度僅為進(jìn)給速度的10倍，v=10 μm/s，u=1 μm/s，A=B=10 μm，t=8 s，φ=0.5π，f=20 000 Hz，通過Matlab軟件進(jìn)行仿真分析，得出二維超聲振動(dòng)時(shí)單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線，如圖2所示.

圖2 三種切割方式單顆磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 The motion trajectory of three cutting ways of single abrasive grains

從圖2可得：二維超聲振動(dòng)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡長度>一維超聲振動(dòng)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡長度>不加振動(dòng)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡長度.說明二維超聲振動(dòng)切割效率最大，一維超聲振動(dòng)次之，不加振動(dòng)切割效率最低，且二維超聲振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡之間存在相互干涉，有利于提高切割效率和表面質(zhì)量.

由于施加徑向振動(dòng)，使磨粒的最大切削深度增加，周期性地改變了磨粒的切削深度，致使磨粒和工件之間發(fā)生周期性分離現(xiàn)象.因此，磨粒將會對工件產(chǎn)生沖擊、錘擊和空化等作用，致使橫向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，加速了材料的去除，這是切割效率增大的主要原因.

由于施加切向振動(dòng)，當(dāng)切向振動(dòng)與線速度方向相反的時(shí)候，即由于切向振動(dòng)的存在，金剛石顆粒與工件將在同一質(zhì)點(diǎn)位置進(jìn)行重復(fù)切削，隨著超聲振動(dòng)的周期性變化這樣的切削現(xiàn)象也會重復(fù)出現(xiàn)，即金剛石顆粒在切削區(qū)內(nèi)進(jìn)行了多次“光磨”，對已加工表面進(jìn)行了多次的熨壓作用，稱之為超聲振動(dòng)的“一次切削多次光磨”作用[7-8].很明顯這種切割方式與磨粒只是單純的切入切出的普通切割相比，對于提高加工表面質(zhì)量具有非常重要的意義，不僅可以減輕表面變質(zhì)層，而且能夠降低切削表面粗糙度，很大程度地提高切削表面的質(zhì)量.此外，由于金剛石顆粒數(shù)次光磨的微量切削作用，也會在一定程度上增大材料去除率.當(dāng)切向振動(dòng)與線速度方向相同的時(shí)候，會使金剛石顆粒提早切離切削區(qū)，縮短了相對的切削作用時(shí)間，有利于降低切削表面損傷，能提高工件表面的加工質(zhì)量.

二維超聲振動(dòng)線切割技術(shù)，在工件上加上一個(gè)徑向振動(dòng)和切向振動(dòng)，使磨粒和工件周期性分離，并兼具“一次切削多次光磨”的特點(diǎn).在二維超聲振動(dòng)線切割過程中，由于超聲振動(dòng)頻率高達(dá)20 kHz左右，引入二維超聲振動(dòng)，大大提高了單位時(shí)間內(nèi)金剛石顆粒的加載卸載頻率，增大了單顆金剛石磨粒相對切削區(qū)域，同時(shí)動(dòng)態(tài)有效的磨粒數(shù)大大增多.微觀上金剛石顆粒與工件一直處于接觸、切削和分離的高頻循環(huán)加工狀態(tài).這樣瞬間作用力會使工件材料產(chǎn)生微塑性變形，并且在比較高的脈沖切削力作用下，在塑性區(qū)形成許多不同層次分布的微小橫向裂紋，所受的高頻沖擊作用越強(qiáng)，則工件材料產(chǎn)生的微裂紋也越多，形成切屑的尺寸也越小，材料去除率越高.因此，二維超聲振動(dòng)多線切割可以增加材料去除率，提高表面質(zhì)量.

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括自制多線切割機(jī)模擬機(jī)，20 kHz超聲波發(fā)生器，自行研制的超聲波振動(dòng)臺，換能器，變幅桿，Mitutoyo SJ-412型粗糙度測量儀，基恩士VW系列高速攝像機(jī)等.該裝置采用單線走絲模式，避免多線走絲過程中斷線問題，便于實(shí)驗(yàn)研究.切割線采用的是線徑0.25 mm的電鍍金剛石線.實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

1—超聲波電源；2—線切割機(jī)；3—超聲波振動(dòng)臺；4—切向換能器、變幅桿；5—軸向換能器、變幅桿圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Experimental equipment

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

工件的表面粗糙度采用Mitutoyo SJ-412型粗糙度測量儀進(jìn)行測量，取5次測量值的平均值，切割效率采用高速攝像機(jī)進(jìn)行測量，通過高速攝像機(jī)放大功能，測量出單位時(shí)間內(nèi)切削的厚度[9-10].切割加工試件為K9光學(xué)玻璃(50 mm×50 mm×10 mm)，加工參數(shù)如表1所示.

表1 鋸切條件和加工參數(shù)Table 1 Cutting conditions and processing parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)給速度對表面粗糙度和切割效率的影響

當(dāng)走線速度為2.2 m/s，超聲波功率比例為100%時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下，分別在不同的進(jìn)給速度下對工件進(jìn)行切割，探究進(jìn)給速度和表面粗糙度的關(guān)系，不加振動(dòng)，加一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示.

圖4 進(jìn)給速度與粗糙度的關(guān)系Fig.4 Relationship of feed rate and surface roughness

從圖4可知：在其他加工條件相同的情況下，隨著進(jìn)給速度的增大，不加振動(dòng)、加一維振動(dòng)和加二維振動(dòng)等三種情況表面粗糙度的變化趨勢基本相同，且都是隨著進(jìn)給速度的增大而增大，但是當(dāng)進(jìn)給速度大于1 mm/min時(shí)，開始呈現(xiàn)下降趨勢.整體上加一維振動(dòng)粗糙度要比不加振動(dòng)低15%～36%左右,加二維振動(dòng)要比加一維振動(dòng)低22%～39%左右.其原因可能是工件對鋸絲的壓力隨著進(jìn)給速度的增大而增大，同時(shí)金剛石磨粒作用在工件表面的力也隨之增大，使金剛石磨粒嵌入工件的切削深度增加，增大了磨粒的機(jī)械去除作用，粗糙度隨之增大.但是隨著進(jìn)給速度增大到達(dá)一定值時(shí)，鋸絲與工件之間的作用力逐漸增大，鋸絲變形程度也隨之加大，減小了振動(dòng)，提高了表面質(zhì)量，降低了表面粗糙度.

當(dāng)走線速度為2.2 m/s，超聲波功率比例為100%時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下，分別在不同的進(jìn)給速度下對工件進(jìn)行切割，探究進(jìn)給速度和切割效率的關(guān)系，不加振動(dòng)，加一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示.

圖5 進(jìn)給速度與切割效率的關(guān)系Fig.5 Relationship of feed rate and cutting efficiency

從圖5可知：在其他加工條件相同的情況下，不加振動(dòng)、加一維振動(dòng)和加二維振動(dòng)的切割效率都隨著進(jìn)給速度的增大而增大，但是當(dāng)進(jìn)給速度增大到一定值后，切割效率趨于平穩(wěn).整體上加一維振動(dòng)比不加振動(dòng)效率高36%～51%，當(dāng)進(jìn)給速度低于0.4 mm/min時(shí)，加二維振動(dòng)和加一維振動(dòng)效率持平，當(dāng)進(jìn)給速度大于0.4 mm/min時(shí)，加二維振動(dòng)比加一維振動(dòng)效率提高10%左右.主要原因是:金剛石磨粒的切削深度隨著進(jìn)給速度的增大而增大，使單位時(shí)間材料去除率提高，切割效率隨之提高，但是當(dāng)進(jìn)給速度增大到一定值后，切削深度達(dá)到臨界深度后基本不變，所以切割效率也基本不變.

3.2 走線速度對表面粗糙度和切割效率的影響

當(dāng)進(jìn)給速度0.8 mm/min時(shí)，超聲波功率比例為100%時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下，探究走線速度與粗糙度的關(guān)系，不加振動(dòng)，加一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示.

圖6 走線速度與粗糙度的關(guān)系Fig.6 Relationship of wire rate and surface roughness

從圖6可知：在其他加工條件相同的情況下，隨著走線速度的增大，不加振動(dòng)、加一維振動(dòng)和加二維振動(dòng)的粗糙度隨之下降，不加振動(dòng)的下降幅度大，而加上一維振動(dòng)和二維振動(dòng)后，粗糙度的變化趨勢比較平緩，但是走線速度超過2.6 m/s后，不加振動(dòng)的粗糙度突然開始上升，而加一維振動(dòng)和二維振動(dòng)的粗糙度基本不變.總體而言，加一維振動(dòng)比不加振動(dòng)低26%～42%.加二維振動(dòng)比加一維振動(dòng)低16%～29%.其主要原因是金剛石磨粒切削厚度隨著走線速度的增大而減小，使粗糙度減小.當(dāng)速度超過2.6 m/s后，粗糙度開始增加，可能是走線速度增加使鋸絲與工件沖擊力增大，產(chǎn)生共振，整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)加劇，破壞了相對的切割位置.而加上超聲振動(dòng)輔助，系統(tǒng)振動(dòng)影響減小，所以粗糙度基本不變.

當(dāng)進(jìn)給速度0.8 mm/min時(shí)，超聲波功率比例為100%時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下，探究走線速度與切割效率的關(guān)系，不加振動(dòng)，加一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7 走線速度與切割效率的關(guān)系Fig.7 Relationship of wire rate and cutting efficiency

從圖7可知：在其他加工條件相同的情況下，隨著走線速度的增大，不加振動(dòng)、加一維振動(dòng)和加二維振動(dòng)的切割效率隨之增大，當(dāng)走線速度達(dá)到一定值后，切割效率趨于平穩(wěn).加一維振動(dòng)比不加振動(dòng)切割效率高36%～58%.加二維振動(dòng)比加一維振動(dòng)切割效率高5%～10%.主要原因是隨著走線速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)參與切割的金剛石磨粒數(shù)增加，可見提高走線速度能增加切割效率.但是過高的鋸絲速度會引起系統(tǒng)和鋸絲的振動(dòng)，使切割效率提升不明顯，甚至出現(xiàn)不增反降的現(xiàn)象，可能是鋸絲上金剛石顆粒受到的沖擊作用增強(qiáng)，從而加劇了金剛石顆粒的磨損，使切割效率下降.

3.3 超聲波功率對表面粗糙度和切削效率的影響

當(dāng)進(jìn)給速度為0.8 mm/min，走線速度為2.2 m/s時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下，探究超聲波功率比例與粗糙度的關(guān)系，不加振動(dòng)，加一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示.

圖8 超聲波功率與粗糙度的關(guān)系Fig.8 Relationship of ultrasonic power and surface roughness

從圖8中可知：其他條件相同的條件下，隨著超聲波功率比例增加，粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)超聲波功率比例為60%時(shí)，粗糙度最低，比不加振動(dòng)降低63%左右，當(dāng)超聲波功率比例超過60%后，粗糙度開始增加.其主要原因是:隨著超聲波功率比例增加，超聲振動(dòng)振幅增大，超聲輔助作用增強(qiáng)，粗糙度迅速下降，之后由于超聲振幅過大，導(dǎo)致切削深度過大，粗糙度開始增大.

當(dāng)進(jìn)給速度為0.8 mm/min，走線速度為2.2 m/s時(shí)，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同的情況下，探究超聲波功率比例與粗糙度的關(guān)系，不加振動(dòng)，加一維超聲振動(dòng)和二維超聲振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖9所示.

圖9 超聲波功率與切割效率的關(guān)系Fig.9 Relationship of ultrasonic power and cutting efficiency

從圖9可知：其他條件相同的條件下，隨著超聲波功率比例增加，切割效率呈現(xiàn)上升的趨勢，當(dāng)超聲波功率比例大于80%后，切割效率增加不明顯.其原因主要是隨著超聲波功率比例增加，超聲振動(dòng)振幅增大，超聲輔助作用增強(qiáng)，切削深度增加，切割效率增大，當(dāng)超聲波功率比例達(dá)到80%后，切削深度基本達(dá)到臨界切削深度，切割效率增大不明顯.

4 結(jié) 論

通過線切割實(shí)驗(yàn)研究普通線切割以及超聲波輔助線切割工藝參數(shù)變化對切割效率、表面粗糙度的影響，獲得以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：其他條件相同的情況下，加一維振動(dòng)粗糙度要比不加振動(dòng)低15%～63%,加二維振動(dòng)的表面粗糙度要比加一維振動(dòng)低16%～39%；加一維振動(dòng)切割效率比不加振動(dòng)高36%～58%，而加二維振動(dòng)切割效率比加一維振動(dòng)高5%～10%；粗糙度隨著進(jìn)給速度的增大而增大，隨著走線速度增大而下降，當(dāng)走線速度超過2.6 m/s后，不加振動(dòng)的粗糙度開始急劇上升，而加超聲振動(dòng)的粗糙度基本不變.切割效率隨著進(jìn)給速度的增大而增大，當(dāng)進(jìn)給速度超過1 mm/min后，切割效率基本不變；加工表面粗糙度隨著走線速度的增大而下降，不加振動(dòng)的下降幅度較大，而加上一維振動(dòng)和二維振動(dòng)后，粗糙度的變化趨勢比較平緩.切割效率隨著走線速度的增大而增大，當(dāng)走線速度超過2.2 m/s后，切割效率變化趨于平穩(wěn)；加工表面粗糙度隨著超聲波功率比例增加而下降，當(dāng)超聲波功率比例為60%左右，粗糙度達(dá)到最佳，之后開始上升.切割效率隨著超聲波功率比例增加而上升，當(dāng)超聲波功率超過80%后開始趨于平穩(wěn).

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Experimentalstudyontwo-dimensionalultrasonicvibrationaidedwiresawcuttingprocessmechanism

LI Wei, XIA Xinjie, GUO Dongxun

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

In order to improve the efficiency of wire saw cutting process, the two-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting technology was proposed. In this paper, the mechanism of this technique are studied by analyzing of the motion trajectories of single abrasive grains cutting process with 2D ultrasonic vibration and simulated by a software of Matlab, it’s theoretically proved that the two-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process is superior to ordinary wire saw cutting and one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process. And the cutting experiments were carried out by an analog multi-wire saw cutting machine. Compare three cutting method results with the different processing parameters in the cutting process, the experimental results showed that, compared to ordinary wire cutting process the machining efficiency and surface quality of the one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process have been improved significantly. And the two-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process have the more superior machined surface quality and cutting efficiency relative to the one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process.

ultrasonic vibration; wire saw cutting; machining efficiency; surface quality

2016-12-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50775207)

李 偉(1961—)，男，吉林梅河口人，教授，研究方向?yàn)槌芗庸ぜ夹g(shù)，E-mail：weilihz@163.com.

TH161+.1

A

1006-4303(2017)06-0639-05

(責(zé)任編輯：陳石平)