超聲輔助金剛石線鋸切割硬脆材料的研究

袁日燦，單　翔，金亦富

(揚州大學 機械工程學院，江蘇　揚州　225127)

0　引言

硬脆材料由于具有脆性大、硬度高、耐高溫等優良特性，使得它在許多領域能夠代替金屬材料而有效應用，但同時也存在明顯的缺點，即在對其進行切割加工時，隨著材料所受剪切力變化而易破碎，在已加工表面形成裂紋和凹坑，嚴重影響工件表面質量和性能，因此對硬脆材料加工理論和方法的研究就顯得尤其重要[1-2]。金剛石線鋸超聲復合切割加工是近幾年發展起來的一種高效加工方法，與普通切割不同之處在于通過添加超聲發射裝置給線鋸施加一定的高頻振動，使得線鋸上的金剛石磨粒在多種運動復合作用下進行切割加工，提高了硬脆材料的加工效率[3]。目前，根據超聲添加方式的不同主要將金剛石線鋸超聲輔助切割分為兩種類型:一種是縱向超聲激勵下的振動切割；另一種是橫向超聲激勵下的振動切割。兩種加工方式基本原理相同，但由于激勵后線鋸振動方向不同，導致最終加工機理有所差異。本文主要針對金剛石線鋸的兩種超聲加工方式，對超聲系統構造及切割加工機理進行對比分析研究，建立單顆金剛石磨粒去除模型，分析鋸絲切削運動的狀態變化過程。

1　金剛石線鋸超聲復合加工系統的組成

金剛石線鋸超聲加工系統主要由控制中心、機床本體、超聲裝置及其他輔助部件組合而成，其具體組成框圖如圖1所示。

圖1　金剛石線鋸超聲復合加工系統組成框圖

要實現線鋸對硬脆材料的往復切割加工，必須使得刀具與工件之間形成相對運動，因此線鋸、工作臺及相關運動機構的作用影響最為直接。整個加工過程中主要包括了:①線鋸的X向移動；②線鋸的Y向移動；③工作臺的Z向移動；④線鋸的超聲振動；⑤工件的自身轉動[4]。其中前3個運動是最基本的加工運動，第4個包含了縱向與橫向兩種超聲激勵方式，最后一個則需根據工況與工件具體要求而有所取舍。

在線鋸往復運動的基礎上添加超聲裝置，使得鋸絲連續不斷地高頻振動，更加有利于刀具與工件間的相對運動，提高切削效率，其具體加工原理如圖2所示。

1-金剛石線鋸；2-工作臺；3-數據采集系統；4-測力儀；5-夾具；6-工件；7-超聲發射器；8-超聲換能器；9-變幅桿；10-上導輪；11-冷卻液；12-下導輪

2　超聲激勵下金剛石線鋸切割加工方式

整個超聲裝置由超聲電源、超聲換能器和變幅桿組成。超聲電源即為超聲發射器，開啟后產生震蕩電壓波，通過換能器將電壓波的電能轉化為超聲頻率的機械振動，再經由變幅桿放大產生滿足切割加工所需的超聲振幅。考慮到鋸絲存在往復直線運動，變幅桿直接與鋸絲相連會造成嚴重的磨損，且非固定的連接會產生超聲傳播的損耗，因此一般將超聲間接施加在上導輪，再由導輪將超聲傳給鋸絲[5]。根據超聲裝置所添加位置的不同，可具體分為縱向與橫向兩種振動激勵方式，如圖2所示，當超聲裝置位于A處時產生橫向振動，而位于B處時則產生縱向振動。兩種加工方式的基本原理相同，但加工機理存在一定的差異。

2.1　橫向超聲輔助切割

在橫向超聲激勵下，金剛石線鋸的運動方式類似于橫波的傳播，即線鋸振動方向與振動傳播方向相垂直。一般情況下，超聲振動的振幅只有0.02 mm，而頻率達到20 kHz～80 kHz，使得單顆金剛石磨粒的振動速度遠大于鋸絲0 m/s～3 m/s的往復直線速度，因此在一個振動周期內，鋸絲上所有位置的磨粒都可視為勻速切割。在橫向超聲激勵下線鋸切割點處的受迫振動為一簡諧振動[6]，振動方程可設為：

y(t)=Asinωt.

(1)

其中：A為金剛石磨粒的振幅；ω為超聲振動頻率。

圖3為單顆磨粒在橫向超聲激勵下的切割示意圖，t0時刻磨粒處于剛和工件接觸的位置，t1時刻則處于即將和工件分離的位置，t2和t3分別與t0和t1相同，因此在一個振動周期內，只有t0和t1之間的Δt處于有效切割區間，其最大切割深度為h[7]。由此可得出在一個振動周期T內單顆磨粒參與切割的凈切割時間為：

tq=T+t1-t2.

(2)

相對凈切割時間為：

(3)

圖3　橫向超聲激勵下單顆磨粒切割示意圖

2.2　縱向超聲輔助切割

縱向超聲激勵下，金剛石線鋸的運動方式類似于縱波的傳播，即線鋸振動方向與振動傳播方向平行。縱向超聲激勵下單顆磨粒運動示意圖如圖4所示。為研究方便，在一個振動周期內，將單顆磨粒縱向振動的傳播過程轉化成簡諧運動，得到與橫向振動相同的運動方程，如式(1)所示。

金剛石磨粒在t0時刻處于平衡位置，受迫振動后沿振動傳播方向來回振動，并且磨粒振動速度遠大于鋸絲直線速度，t1和t3時刻分別處于距平衡位置兩側的最遠處，因此在一個振動周期內，磨粒在與鋸絲運動方向相同的振動區間內為有效切割，一般為振動周期的一半，又因鋸絲是作往復式直線運動，則可得一個振動周期內單顆磨粒參與切割的凈切割時間為：

tq=t1+t3-t0-t2或tq=t3-t1.

(4)

相對凈切割時間為：

(5)

3　單顆金剛石磨粒去除模型

從宏觀上看，鋸切加工剛開始時線鋸與工件端部處于點接觸，隨著切入深度的增加，接觸位置逐漸由切割點到斷續的切割線逐漸變成一條加工曲線；而從微觀上看，其切割本質是金剛石磨粒對工件不斷的高頻振動撞擊和刮擦以實現材料的切割。金剛石顆粒是通過釬焊、粘結或電鍍等方法固結在鋼絲上的[8]，加工過程與磨削相似，但由于在鋸絲上添加了超聲振動，因此金剛石線鋸超聲切割的切割力可以分為切削變形力、摩擦力以及由超聲振動所引起的鋸切力[9]。為研究方便，將金剛石磨粒簡化成正八面體錐形“尖銳”壓頭，組成錐體的12條邊長Sa均相等，相對邊的半錐角β為45°[10]，如圖5所示，其加工過程中的具體受力如圖6所示。

圖4縱向超聲激勵下單顆圖5金剛石磨粒簡化模型

磨粒運動示意圖

磨削力主要是由切削變形力和摩擦力兩部分組成，則單顆金剛石磨粒的受力計算公式如下：

(6)

其中：F為磨削力，下標g代表單顆磨粒，n和t分別表示法向和切向，c和s則表示切削變形和摩擦。

圖6　單顆磨粒受力示意圖

4　結束語

金剛石線鋸超聲復合加工系統是在普通切割機床上添加超聲裝置而成，由添加方式的不同分為橫向與縱向兩類，但主要加工原理相同，都是將金剛石磨粒的單向連續往復式切割轉變成高頻接觸-分離振動式切割，對工件不停地撞擊與刮擦，既提高了切削效率，又避免磨粒與工件長時間接觸，達到了降低磨損的效果。不過，目前對于兩種激勵加工方式的對比研究不足，分析兩種方式各自的優缺點是今后研究的重要方向之一。

參考文獻：

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