硬脆材料加工實驗教學平臺研制與應用

王艷，宋李興，劉建國，錢煒，趙博成

（200093 上海市 上海理工大學 機械工程學院）

0 引言

上海理工大學機械學院的《機械制造技術B》是上海市課程思政改革的專業核心示范課程，也是入選2020年上海市重點課程建設的重要課程。該課程除了講解傳統的金屬切削加工方法外，還涉及到一些先進特種加工方法的介紹。對于難加工材料比如單晶硅、碳化硅、工程陶瓷、光學玻璃等硬脆材料，其廣泛應用于半導體制造、航空航天、精密光學儀器等尖端儀器裝備中[1]。這一類材料具有較低的抗拉強度和抗剪強度，較高的抗壓強度，以及極低的斷裂韌性，特殊的力學性能會導致硬脆材料在進行機械加工時特別容易發生脆性破碎[2]；同時，高硬度特性也使得其在加工中的材料去除率很低，加工效率低。因此，硬脆材料的加工一直是機械加工中的難題。目前，我國高校的機械制造實驗設備大多采用各類傳統機械加工設備，如磨床、車床、銑床等[3]，此類傳統的加工機床只適用于傳統的金屬材料的加工，不適用于硬脆材料的加工，越來越難以滿足快速發展的“新工科”實驗教學的需求。

線鋸切割工藝是一種適用于硬脆材料加工的工藝，常用的鋸絲主要有游離磨料鋸絲與固結磨料鋸絲兩種。諸多學者的研究表明，相比使用游離磨料鋸絲切割，使用固結鋸絲切割具有加工效率高、鋸絲使用壽命長、環境污染小等優點[4-6]。為了進一步提高線鋸的切割效率與降低工件表面粗糙度，有學者提出了將超聲振動加工工藝與線鋸切割工藝相結合的超聲振動輔助金剛石線鋸切割技術，即在線鋸鋸絲上施加垂直于鋸絲軸線方向的超聲振動。大量實驗表明，相比于傳統的線鋸切割，超聲振動輔助線鋸切割具有高效、高精度、高質量的加工特點，是對硬脆材料進行高精度高效率切割加工的理想工藝[7-8]。

為了更好地填補硬脆材料加工與超聲振動加工在“機械制造技術”與“精密加工技術”等機械制造類課程實驗教學中的空白，本文提出了一種超聲振動輔助線鋸切割硬脆材料實驗教學平臺。該實驗臺靈活地將線鋸切割加工與超聲振動加工相結合，整體結構簡單、成本低、操作簡便安全、環境污染小、噪聲小、易于檢修與維護，工件材料可以使用玻璃陶瓷、大理石等低成本實驗材料，十分適合應用于面向硬脆材料加工的實驗教學演示。該平臺能加深相關專業學生對硬脆材料加工和超聲振動加工的認識與理解，促進其對機械制造領域復雜工程問題的理解，使得機械制造類課程實驗教學過程更加符合“工程教育”的培養目標，推動機械制造專業實驗裝備技術發展，為“新工科”背景下高等工程教育的實驗教學建設提供硬件升級[9-11]。

1 實驗平臺設計

固結磨粒線鋸切割機理示意圖如圖1 所示[12]。磨粒被固結在鋸絲表面并在鋸絲的帶動下直接劃擦工件實現材料的去除。超聲振動輔助線鋸切割硬脆材料實驗教學平臺示意圖如圖2 所示。絲筒旋轉帶動鋸絲運動以提供鋸絲的線速度Vs，機床帶動導輪與鋸絲靠近與遠離工件提供鋸絲的進給速度Vw，載料盤帶動工件旋轉或靜止以提供工件的旋轉速度nw，張緊輪提供鋸絲的張緊力。

圖1 固結磨粒線鋸切割機理示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed abrasive wire sawing

圖2 超聲振動輔助線鋸切割硬脆材料實驗教學平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental teaching platform of ultrasonic-vibration-assisted wire sawing hard and brittle materials

根據超聲輔助線鋸切割工藝的加工特點，本文中的實驗教學平臺能夠很好、可控地通過改變加工參數，將工件表面形貌的變化在教學過程中展現出來。實驗教學平臺主要包括線鋸機床與超聲振動輔助系統2 部分：線鋸機床為國產的機床產品，可以設置不同的Vs，Vw，nw；超聲振動輔助系統為自主設計的裝置，可以設置不同的超聲振動的頻率f 與振幅A，主要包括超聲發生器、超聲換能器、變幅桿、微調裝置、導輪等；超聲振動輔助系統的結構示意圖如圖3 所示。微調裝置通過型材支架與線鋸機床相固定，通過微調裝置可以調整變幅桿與鋸絲之間的距離，超聲換能器與變幅桿將接收到的超聲發生器的電信號轉變為超聲振動的頻率f、振幅A 信號，再通過導輪將超聲振動施加到線鋸鋸絲上，機床的三爪卡盤夾緊載料盤并由電機帶動旋轉，工件粘結在載料盤上。

圖3 超聲振動輔助系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic-vibration-assistance system

2 超聲振動輔助線鋸切割試驗

利用工件表面形貌的變化驗證超聲振動輔助線鋸切割可以作為一種新型的線鋸切割硬脆材料的手段，施加超聲振動能夠改善工件粗糙度。為了研究單個因素對試驗結果的影響，控制實驗變量，采用單因素實驗法進行試驗。為了使實驗結果根據說明性，減少實驗的偶然性，進行多組試驗。

2.1 試驗流程

試驗所用工件為高純度無摻雜圓柱形單晶硅（尺寸為Φ36 mm×100 mm），具有純度高、力學性能穩定的優點。實驗加工時，為了防止單晶硅因夾持力而破碎，采用高強度AB 膠將單晶硅工件粘接在機床的R 軸載料盤上。實驗平臺采用的線鋸機床為泰州市晨虹數控設備制造有限公司生產的數控單線金剛石線切割機床CHSX5630-XW，超聲振動輔助系統為自主設計的裝置，超聲振動輔助線鋸切割硬脆材料實驗教學平臺如圖4 所示。

本文選取7 組不同組合的工藝參數進行單因素試驗研究，并在每一種工況下，分別進行普通和超聲鋸切試驗以進行對比，共14 組試驗，切片厚度均為1 mm，線鋸試驗安排表如表1 所示。

表1 線鋸試驗安排表Tab.1 Experimental sawing parameters of wire sawing

2.2 試驗結果與分析

利用電子顯微鏡觀察工件表面凹坑情況，取I-6、II-6 兩組切割參數相同的試驗結果分析超聲振動的作用，工件表面SEM 照片如圖5 所示。利用粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度，分析各切割參數對線鋸工藝的影響，各組試驗得到的工件表面粗糙度結果如表2 所示。

圖5 工件表面形貌對比（Vs=4 m/s；Vw=1 mm/min；nw=5 r/min）Fig.5 Surface morphology comparison of workpiece（Vs=4 m/s；Vw=1 mm/min；nw=5 r/min）

表2 工件表面粗糙度值Tab.2 Surface roughness results of workpiece

由圖5 可以看出，普通鋸切的工件表面凹坑較大，凹坑邊緣清晰，說明工件材料發生了大塊的層狀剝落，而施加超聲振動后鋸切的工件表面凹坑更加細小，疏松，邊緣模糊，說明工件發生了微細剝落。分析其原因認為：在普通鋸切中，磨粒與工件持續接觸、擠壓，導致材料發生脆性斷裂時橫向裂紋擴展程度較大，部分橫向裂紋延伸到已加工工件表面，不同的橫向裂紋之間相互交叉，導致其包絡的部分材料發生了大塊的層狀剝落，因此形成了塊狀凹坑。在超聲振動輔助鋸切中，磨粒對工件材料作用力是間斷的高頻沖擊力，持續時間很短，材料發生脆性斷裂時，橫向裂紋擴展程度較小，但數量較多，因此形成了工件表面的大量點狀凹坑。

由表2 可以看出，在試驗范圍內，隨著Vs的增加，工件表面粗糙度值減小。這是因為隨著Vs增大，單位時間內磨過工件表面同一位置的磨粒數量增多，不同磨粒的劃痕相互重疊，互相削去彼此的輪廓尖峰，從而降低了工件表面粗糙度值；隨著Vw的增加，工件表面粗糙度值增大。這是因為隨著Vw增大，單位時間內磨過同一位置的磨粒數量減少，減弱了不同磨粒的劃痕重合作用，導致表面粗糙度值增加；隨著nw的增大，工件表面粗糙度值減小。這是因為隨著nw增大，單位時間內工件上同一位置接觸的磨粒增多，增強了磨粒對工件表面的反復研磨作用，降低了工件表面粗糙度值；當切割單晶硅的切割參數相同時，超聲振動輔助線鋸切割的工件的表面粗糙度變小。這是因為超聲振動使磨粒沿進給方向高頻劃擦工件的已加工表面，增加了磨粒對工件表面的反復研磨作用，進一步削去了工件表面的輪廓尖峰，從而降低了工件表面粗糙度值，當切割參數相同時，施加超聲振動后工件表面粗糙度值平均減小約20.85%。

在實際生產加工中，普通鋸切工件表面的凹坑體積較大，且邊緣很銳利，在后續的研磨和拋光工序中難以去除，而超聲振動輔助鋸切工件表面的疏松點狀凹坑可以在后續研磨和拋光工序中輕松去除，獲得表面質量更高的產品。由此可以看出，超聲振動輔助鋸切相對于普通鋸切的巨大優勢，不同的切割參數對工件表面粗糙度值有不同程度的影響，可以通過試驗得到滿足實際需求的切割參數組合。在實驗教學過程中，通過本實驗平臺的試驗能夠方便便捷地改變切割工況，通過對比不同工況下的工件的微觀照片與表面粗糙度值，能夠直觀看到不同切割參數與超聲振動對線鋸切割工藝的影響。

3 結論

針對現有的硬脆材料加工與超聲振動加工實驗教學設備的技術困境，本文基于超聲振動輔助線鋸切割工藝的優點設計了一種新型的超聲振動輔助線鋸切割硬脆材料實驗教學平臺。該平臺中的超聲振動輔助系統結構簡單、成本低廉。工件可以選用玻璃、陶瓷等廉價的硬脆材料，在切割實驗過程中，環境污染小、噪音小，設備安裝便捷、試驗過程操作簡單安全，適合作為實驗教學平臺。試驗結果表明：隨著線鋸鋸絲線速度Vs的增加，工件表面粗糙度值減??；隨著鋸絲進給速度Vw的增加，工件表面粗糙度值增大；隨著工件旋轉速度nw的增加，工件表面粗糙度值減小；相比傳統的線鋸切割，超聲振動輔助線鋸切割的工件表面粗糙度值平均減小了20.85%左右，這也與多數學者的研究相近。因此，整個試驗方法及試驗裝置具有很好的普適性和推廣價值，十分適合作為硬脆材料加工與超聲振動加工的實驗教學平臺進行普及與推廣，能夠為“機械制造技術B”和“精密加工技術”等機械專業制造類課程的實驗教學提供良好的硬件支持。