環(huán)線金剛石線鋸機旋轉(zhuǎn)切割的研究①

彭少波,李東平,陳超

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004)

環(huán)線金剛石線鋸機旋轉(zhuǎn)切割的研究①

彭少波,李東平,陳超

(中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林541004)

對藍寶石、晶體硅等貴重硬脆晶體加工的要求越來越高,如切割效率和表面加工質(zhì)量,而且工件的尺寸也逐漸增大,需要設(shè)計一種高效的切割設(shè)備并探索新的切割方式。本研究建立了一種旋轉(zhuǎn)切割模型,通過旋轉(zhuǎn)工件進行切割,保持一種單點接觸式的切割,提高環(huán)線金剛石線鋸機的切割效率。利用自制的環(huán)形金剛石線鋸機做切割實驗,結(jié)果表明,相對于常規(guī)固定式的切割法,切割效率至少提高了50%,并且提高了表面加工質(zhì)量。

金剛石線鋸機;旋轉(zhuǎn)切割;點接觸

隨著藍寶石、晶體硅等貴重硬脆晶體的應(yīng)用日益廣泛。金剛石線鋸切割具有能切割大尺寸薄片、加工表面質(zhì)量高、鋸縫損失少、撓曲變形小、切割效率高等優(yōu)點,從而在切割硬脆材料方面被廣泛應(yīng)用[1]。但是眾所周知,金剛石線鋸機的金剛石線的直徑一般在0.2mm～1mm之間,如此細的金剛石線在承受一定的張力和彎曲應(yīng)力的條件下,工件的切割進給速度不能太快,這就制約了切割的效率[2]。因為金剛石線鋸機切割對象都是貴重晶體,為了不浪費材料,所以金剛石線不能加粗,進給速度以及切割效率很難再提高。本文提出了一種新型切割方式,通過旋轉(zhuǎn)式切割,切割時工件與金剛石線總是保持點接觸,利用這種單點接觸式切割方式,可以提高切割的效率,并且還能提高切割的表面質(zhì)量。

1 點接觸式旋轉(zhuǎn)切割模型

1.1 線鋸機工作臺組成

工作時,環(huán)線金剛石線鋸機由三個運動合成,如圖1所示。第一個,金剛石線在導(dǎo)輪的傳動下高速運動,金剛石線的線速度為V1;第二個,X軸的進給運動V2;第三個,基于X軸之上的繞Y軸旋轉(zhuǎn)運動Vr。

1.2 建立點接觸切割模型

圖1 點接觸切割模型簡圖Fig 1 Diagram of point contact cutting model

圖2 彎曲切割模型簡圖Fig.2 Diagram of bend cutting model

從微觀上說,金剛石線切割是一種擠壓去除材料的切割方式,通過金剛石線上堅硬的金剛石壓入工件表面,工件表面會產(chǎn)生局部裂紋,在金剛石線和工件相對運動的耕犁作用下,裂紋擴大,最終脫落,因而達到了切割效果。金剛石線上的金剛石需要一定壓力才能擠壓進入工件表面,如此金剛石線與工件接觸就有一定的長度L1,只要滿足上述第一個條件,就可以把它簡化成點接觸。

滿足了第一個條件,其次要確定線速度V1、進給速度V2和旋轉(zhuǎn)速度Vr之間的關(guān)系,單位時間內(nèi)金剛石線的切割量要大于等于工件的進給量,才能保持一種點接觸式切割。切削時,金剛石線的切割量與材料受力、有效參加磨粒數(shù)、線速度V1、進給速度V2以及旋轉(zhuǎn)速度V r的矢量和有關(guān)[3]。

圖3 磨粒簡化模型Fig3 Simplified model of diamond particles

如圖3所示,張遼遠[3]建立了一種兩端是圓錐形的金剛石磨粒模型,他假設(shè)在整個切削過程中,單顆磨粒切除的材料體積可近似為三棱錐體積。單位時間內(nèi),單顆磨粒去除材料的體積為V:

其中,C為最低點處的橫向裂紋長度;h為Lambropoulos給出的橫向裂紋產(chǎn)生深度[4],l為單顆磨粒劃過的距離。

式中:ε為比例系數(shù);k為綜合考慮彈性應(yīng)力場和殘余應(yīng)力場共同作用下的修正系數(shù);E為彈性模量(GPa);ψ為磨粒的銳度角(°);H為硬度(GPa);K1c為材料的靜態(tài)斷裂韌性;Fn為材料所承受的法向載荷。

單位時間內(nèi),參加切割的金剛石磨粒數(shù)為Ns[5];

其中λs為金剛石線上顆粒分布密度;As為單位時間內(nèi)有效接觸面積:

式中,k1為與磨粒形狀、修整條件有關(guān)的系數(shù);?g為金剛石粒度;dg為磨粒的平均直徑。

根據(jù)昌寧縣畜牧養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)狀以及目前存在的問題，需要采取有效的解決措施，促進昌寧縣畜牧業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

因此,聯(lián)合式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6),確定切割量Q與工藝參數(shù)、材料特性、載荷、線速度V1、進給速度V2以及旋轉(zhuǎn)速度V r有關(guān):

單位時間內(nèi),工件的進給量P:

式中,D為工件直徑,d為金剛石線直徑。

當(dāng)Q≥P時,切割模型為點接觸式,如圖1所示;當(dāng)Q

以上模型并未考慮金剛石線的磨損,隨著切割的進行,金剛石線上的金剛石磨粒會逐漸磨損,有的甚至脫落,會影響到金剛石磨粒的銳度角以及顆粒分布密度等。計算準(zhǔn)確的切割量,影響的因素太多也太復(fù)雜,難以由理論計算出來。只能用實驗的方法統(tǒng)計金剛石線的切割量,對于不同的材料,單位時間內(nèi)的切割量不一樣。

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗設(shè)備

使用自行研制的環(huán)形金剛石線鋸機實驗設(shè)備,工件可以同時進給與旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)了金剛石線鋸對藍寶石旋轉(zhuǎn)式切割。實驗裝置包括:(1)自制環(huán)形金剛石線鋸機;(2)三自由度工作臺;(3)自制夾具一套;(4)時代TR200手持式粗糙度測試儀。

采用的電鍍金剛石線是采用電鍍工藝將金剛石磨粒固著于鋼絲基體上制備而成的。

與工件固定式切割相比,切削效果更高,切割的表面質(zhì)量更好。

圖4 藍寶石切割實驗圖Fig.4 Sapphire cutting experiment

2.2 實驗方法及測量

實驗分為三組,組與組之間的切割對象不同,第一組為藍寶石;第二組為YAG晶體;第三組為普通的玻璃。各組的切割參數(shù)相同,但是切割方式不一樣,進給速度都設(shè)為1.5mm/min,線速度為20m/s,旋轉(zhuǎn)切割的旋轉(zhuǎn)速度為10r/min,擺動切割時的頻率為0.166Hz,擺動角度為10°,利用冷卻液進行濕切。試驗參數(shù)這樣設(shè)置,既可以進行各實驗組內(nèi)部的實驗對比,又可以進行小組之間的實驗對比。

對于加工后的工件,利用TR200手持式粗糙度測試儀進行表面質(zhì)量粗糙度的測量。以工件的圓心為起點,以90°為標(biāo)準(zhǔn)分成四等分,每等分沿半徑方向分八等分,分別進行數(shù)據(jù)測量,相同半徑的粗糙度進行多次測量,取平均值,最終各小組的測量結(jié)果如表1、表2所示。

2.3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果分析:第一組實驗,旋轉(zhuǎn)切割藍寶石的切割完成時間約為50min,金剛石線的壽命正常,切割表面質(zhì)量良好,表面粗糙度如表1所示。固定式切割藍寶石,切割線拉斷,經(jīng)過多次實驗,都無法正常完成切割。

第二組實驗,旋轉(zhuǎn)切割YAG晶體,切割效率相對最高,切割的表面質(zhì)量良好,固定切割方式完成切割的時間相對較長,表面質(zhì)量良好。金剛石線基本沒有磨損。

第三組實驗,擺動切割與固定式切割的進給速度一樣,加工完成的時間相同,表面的加工質(zhì)量差別較小,表面粗糙度在1μm～1.2μm內(nèi)波動,沒有明顯的切割缺陷,金剛石線基本沒有磨損。

表1 藍寶石表面粗糙度測量值Table.1 Surface roughness measurement of sapphire

表2 YAG表面粗糙度測量值Table 2 Surface roughness measurement of YAG

3 結(jié)論

點接觸式旋轉(zhuǎn)切割,與以往的固定式切割相比,切割效率得到大幅提高,表面加工質(zhì)量也提高了。相同切割條件下,硬度越高的材料,加工的表面粗糙度越小。

1、切割效率至少提高了50%,并且金剛石線的壽命得到保證,工件的加工尺寸也得到增大,固定式無法加工的大尺寸工件可以通過擺動或者旋轉(zhuǎn)來切割。

2、切割的表面質(zhì)量得到了改善,表面粗糙度在0.32～0.98μm之間,達到了以切代磨的效果。

3、不同硬度的材料,在相同的切割工藝參數(shù)條件下,切割的表面質(zhì)量不一樣,洛氏硬度越低的材料,切割的表面粗糙度值越大,表面質(zhì)量相對較差。

4、通過計算和試驗方法,搭配合適的線速度V 1、進給速度V 2以及旋轉(zhuǎn)速度Vr,金剛石線的壽命就可以得到保證,不會因為過度張緊而導(dǎo)致金剛石線被拉斷。

[1] 王美娟,王日初,彭超群,等.固結(jié)磨粒金剛石線鋸的研究進展[J].中國有色金屬學(xué)報,2013,23(5):1368-1379.

[2] 張遼遠,韓東澤.電鍍金剛石線鋸超聲振動切割多晶硅材料工藝研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2013,33(193):65-69.

[3] 張遼遠.電鍍金剛石線鋸超聲波切割實驗裝置的研制和加工機理的研究[H].長春:長春理工大學(xué).

[4] LAMBROPOULOS J C,JACOBS S D,RUNCHMAN J.Material removal mechanisms from grinding to polishing[J].ceramic Transactions,1999,102:113-128.

[5] 孟劍鋒.環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工技術(shù)及加工質(zhì)量研究[D].濟南:山東大學(xué).

Research on the Rotary Cutting of Loop Diamond Wire Saw Machine

PENG Shao-bo,LI Dong-ping,CHEN Chao
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd,Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials, National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin,Guangxi,China 541004)

As higher standard required for the processing of precious hard brittle crystal such as sapphire and crystal silicon,for excample,the cutting efficiency and surface processing quality as well as the increasing size of the workpiece,a cutting equipment of high efficiency must be designed and new cutting mechod should be developed.A rotary cutting model has been established by this research.Under this cutting technique,single point contact cutting has been kept through the rotation of the workpiece,hence the cutting efficiency of the diamond wire saw machine has been improved.A cutting experiment has been done for the self-made diamond wire saw machine.The result shows that the cutting efficiency has been improved by 50%compared to the conventional cutting method and the surface processing quality has also been improved.

Diamond wire saw machine;Rotary cutting;Point contact

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0037-04

2014-12-26

彭少波(1989-),男,研究生,機械工程專業(yè)。