電鍍金剛石線切割YAG晶體的失效機(jī)理研究

彭少波,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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004)

電鍍金剛石線切割YAG晶體的失效機(jī)理研究

彭少波,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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心,廣西桂林 541004)

采用高強(qiáng)度鋼絲作為基體,表層電鍍鎳,同時(shí)固結(jié)金剛石磨粒,制備出長度為4m,直徑為0.7mm的環(huán)形金剛石線,裝夾在自制的金剛石線鋸切割機(jī)上,對(duì)YAG晶體進(jìn)行不同參數(shù)下的切割實(shí)驗(yàn),觀察電鍍金剛石線的受力情況,斷裂口的形貌,分析電鍍金剛石線切割過程中的斷裂行為以及斷裂機(jī)理。研究結(jié)果表明,電鍍金剛石線的斷裂分為兩種:一種是非正常拉斷;另外一種是金剛石線的鍍層脫皮以致基體被磨斷。

電鍍金剛石線;YAG晶體;切割;斷裂模式

YAG晶體是目前綜合性能最為優(yōu)異的激光晶體,廣泛用于軍事、工業(yè)和醫(yī)療等行業(yè)。YAG晶體屬于硬脆性貴重材料,它的莫氏硬度為8～8.5,從圓柱狀的晶胚到用于激光上的器件,要經(jīng)過一系列的加工,第一步就是切割加工。傳統(tǒng)的加工設(shè)備為內(nèi)圓鋸片切割機(jī)和外圓鋸片切割機(jī),傳統(tǒng)加工方式切割效率低,容易炸刀使正在加工的晶胚或者半成品報(bào)廢,已經(jīng)不能滿足日益增長的市場(chǎng)需求。相對(duì)YAG晶體傳統(tǒng)的加工方式,金剛石線鋸機(jī)具有切縫小、切割效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。金剛石線切割又分為往復(fù)式和環(huán)形,往復(fù)式金剛石線相對(duì)于傳統(tǒng)的鋸片切割更加細(xì),直徑一般不超過0.3mm,切縫很小[2]。但是,用于切割高硬度的硬脆性材料,往復(fù)式金剛石線的切割效率非常低,進(jìn)刀速度低于0.5mm/min,相對(duì)于傳統(tǒng)加工沒有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。由于進(jìn)刀速度慢,也難以滿足YAG晶體加工的高效率要求,目前,工業(yè)上比較先進(jìn)的方式還是環(huán)形金剛石線切割。

電鍍環(huán)形線,它的線速度最高可達(dá)50m/s,金剛石線直徑為0.7mm,金剛石線總長為4000mm。相對(duì)于往復(fù)式,環(huán)形金剛石線的線速度是往復(fù)式的2～3倍,加上金剛石線的直徑大,可承受的拉力更大,進(jìn)刀速度可以更快。雖然切縫大(0.8mm～0.9mm之間),和傳統(tǒng)的鋸片切割機(jī)的切縫基本一樣,但是切割效率得到極大的提高。YAG晶體切割加工屬于成型前的粗加工,都會(huì)有一定的剩余廢料,很難充分利用,所以較大的切縫不會(huì)影響它的成品率。理論上,高效率的磨削切割,同時(shí)意味著快速的磨損,金剛石線同樣很快就磨損直至金剛石磨粒被耗盡。實(shí)際切割時(shí),金剛石線的失效形式有多種,大體可歸為金剛石磨損、脫落、非正常拉斷等。本文主要針對(duì)金剛石線的斷裂行為進(jìn)行研究,為提高金剛石線的壽命提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 電鍍金剛石線形貌Fig.1 morphology of electroplated diamond wire

1.1 電鍍金剛石線的制備

選用0.5mm的高強(qiáng)度琴鋼絲作為金剛石線的基體,長度為4000mm,兩個(gè)接頭進(jìn)行720°的扭轉(zhuǎn),再進(jìn)行焊接,加工成一個(gè)封閉的環(huán)線。經(jīng)過電鍍前的浸酸處理,再放入電鍍池中電鍍鎳,同時(shí)加上金剛石磨粒進(jìn)行上砂。成型之后,電鍍金剛石線的形貌如圖(1)所示。

1.2 切割實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本公司自制的電鍍金剛石線鋸機(jī)就是一種環(huán)形金剛石線鋸機(jī)。使用的金剛石線如1.1所述。本設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖(2)所示。

圖2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of structure

把金剛石線焊接起來,做成環(huán)形線,裝夾在導(dǎo)輪上,導(dǎo)輪分為主動(dòng)輪、張緊輪和工作導(dǎo)輪,張緊輪由一個(gè)重錘牽引,張緊輪為恒力張緊,工作導(dǎo)輪之間的距離(H)就是加工工件的最大尺寸。

1.3 切割實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

工件為提拉法生長的YAG晶體,該YAG晶胚是一個(gè)兩端為圓錐狀的柱狀,直徑為55mm,長度為250mm,莫氏硬度在8～8.5之間。切割時(shí),線速度在20～30(m/s)之間,進(jìn)給速度為1～8(mm/min)之間,冷卻方式分別采用油冷、乳化液冷卻和水冷。

2 電鍍金剛石線的斷裂模式

2.1 電鍍金剛石線切割時(shí)的受力模型

電鍍金剛石線切割YAG晶體時(shí)受到多個(gè)力的作用,有張緊力、進(jìn)給壓力以及彎曲應(yīng)力等,如圖(3)所示。圖中F1和F2是線鋸切割過程中鋸切點(diǎn)兩邊的拉力,F t和F n分別為金剛石線受到來自工件的切向力和法向力,α和β為線鋸受到工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)而發(fā)生彎曲的彎曲角。

圖3 切割受力示意圖Fig.3 diagram of stress condition during cutting

根據(jù)切割時(shí)的受力分析,可得出公式:

將公式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化,求得:

根據(jù)文獻(xiàn)[3],在切割過程中金剛石線受到的應(yīng)力主要有拉力引起的拉應(yīng)力,金剛石線繞在導(dǎo)輪上的彎曲應(yīng)力以及金剛石線自身的離心力產(chǎn)生的應(yīng)力,金剛石線離心力產(chǎn)生的應(yīng)力與拉應(yīng)力及彎曲應(yīng)力相比,可以忽略不計(jì)。由公式(2)可以得知,金剛石線的拉力F2＞F1,只需計(jì)算拉力F2產(chǎn)生的拉應(yīng)力:

式中:σ1為金剛石線拉應(yīng)力,單位:MPa;

A為金剛石線的橫截面積,單位:m2。

為了滿足互換性要求,本實(shí)驗(yàn)中的金剛石線鋸機(jī)的導(dǎo)輪設(shè)計(jì)成相同尺寸,所以在計(jì)算金剛石線彎曲應(yīng)力時(shí),以工作輪為準(zhǔn),根據(jù)材料的彎曲應(yīng)力公式,如下:

式中:σ2為金剛石線的彎曲應(yīng)力,MPa;

E為金剛石線的彈性模量,GPa;

r為金剛石線的半徑,取平均值為0. 25mm;

ρ為曲率半徑,即為導(dǎo)輪半徑。

琴鋼絲屬于T8a鋼,它的彈性模量取211GPa,經(jīng)計(jì)算,彎曲應(yīng)力為263.75MPa。

施加在電鍍金剛石線的拉力,主要靠高強(qiáng)度的基體承受,基體經(jīng)過電鍍后,抗拉強(qiáng)度有適當(dāng)?shù)脑黾?但是電鍍的一層表面金屬鎳,抗拉性能較差,所以計(jì)算時(shí),按照電鍍前的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。此外,環(huán)形電鍍金剛石線都會(huì)有一個(gè)焊接口,此處的抗拉強(qiáng)度一定是最差的,利用拉伸試驗(yàn)機(jī),通過拉伸試驗(yàn),得出金剛石環(huán)線的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出它的實(shí)際抗拉強(qiáng)度。

如圖(4)所示,基體焊接處的抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定在300N拉力以上,以最小拉力300N拉力為極限,計(jì)算如下:

式中:σ為實(shí)際測(cè)量抗拉強(qiáng)度,單位:MPa;

Fmin為拉斷所需最小拉力,單位:N;

Amin為基體的截面積,單位:m2。

電鍍金剛石線的基體直徑取0.5mm,經(jīng)計(jì)算得出,實(shí)際的抗拉強(qiáng)度為1528MPa。

圖4 拉伸試驗(yàn)曲線圖Fig.4 curve chart of tensile test

文獻(xiàn)[4]針對(duì)環(huán)形電鍍金剛石線鋸,應(yīng)力安全系數(shù)取1.1,在實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際抗拉強(qiáng)度下,金剛石線所受的拉應(yīng)力之和不得大于實(shí)際測(cè)量的抗拉強(qiáng)度,如下:

將式(3)和式(4)代入到式(6)中,得:

切割時(shí),為防止金剛石線被拉斷,張緊輪提供的最大張緊力要小于220.96N。根據(jù)文獻(xiàn)[5],實(shí)際切割時(shí),Fn值一般為Ft的0.95倍,在根據(jù)公式(1),得:

彎曲角度α和β近似相等且較小,切割時(shí)控制在5°以內(nèi),式(7)簡(jiǎn)化為[2]:

因此,為了避免切割時(shí)金剛石線被拉斷,工件進(jìn)給時(shí)的最大進(jìn)給力不能大于38.34N。

2.2 電鍍金剛石線的斷裂模式

經(jīng)過YAG晶體的切割實(shí)驗(yàn),分析得出,電鍍金剛石線鋸的斷裂主要有兩種形式。一種是由于切割參數(shù)選擇不當(dāng),導(dǎo)致切割過程中金剛石線受到的載荷超過了其允許值而發(fā)生非正常拉斷;另一種是金剛石線上的金剛石磨粒在長時(shí)間的切割中被磨損磨平或脫落,最終鍍層和基體被磨斷。實(shí)際切割過程中任何一種斷裂形式都會(huì)迫使切割進(jìn)程的終止,影響工件切割質(zhì)量,甚至造成生產(chǎn)事故。因此,有必要對(duì)兩種斷裂形式發(fā)生的誘因和機(jī)理進(jìn)行分析。

2.2.1 電鍍金剛石線的拉斷

切割過程中采用的是恒速進(jìn)給方式,在單位時(shí)間內(nèi),當(dāng)切割量小于工件的進(jìn)給量時(shí),金剛石線會(huì)逐漸彎曲[6],彎曲角度α和β也會(huì)逐漸增大。當(dāng)增加到一定程度,超過金剛石線最大的允許強(qiáng)度,金剛石線就會(huì)被拉斷,而且斷裂處一般是最脆弱的焊接口處。本切割實(shí)驗(yàn),針對(duì)YAG晶體的切割參數(shù)設(shè)置如下,金剛石線的線速度為30m/s,進(jìn)給速度為2mm/min,冷卻液分別采用冷卻油、乳化液和水。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比,采用冷卻油和乳化液冷卻時(shí),切割的表面質(zhì)量較好,但是切割效率低,線鋸壽命短,金剛石線容易被拉斷。對(duì)比之下,采用水冷,切割質(zhì)量和效率卻能達(dá)到預(yù)期效果,線鋸壽命較長。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,前兩種(冷卻油和乳化液)冷卻方式的金剛石線,進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),首先這兩種冷卻液本身有一定的黏性,切割分離的YAG晶體切屑與冷卻液結(jié)合,然后形成一種黏性更強(qiáng)的結(jié)合體。從而,使切割YAG晶體分離出來的切割屑能夠利用冷卻液的黏性牢牢地黏住金剛石線,在切割過程中不斷的積累,最終,金剛石線上的金剛石磨粒被完全淹沒,無法對(duì)工件進(jìn)行磨削切割。然而,工件一直繼續(xù)進(jìn)給,金剛石線無法切割進(jìn)給的工件,彎曲角度α和β逐漸變大,最終被強(qiáng)行拉斷失效。圖(5)為金剛石線斷口處的形貌,斷裂面凹凸不平,斷面上有孔隙缺陷,看不到有塑性變形的頸縮現(xiàn)象,有明顯的焊接痕跡。焊接口內(nèi)部產(chǎn)生了孔隙缺陷,金相組織發(fā)生了不利的變化,機(jī)械性能下降,抗拉強(qiáng)度大大降低,相同條件下,相比于金剛石線其他處,在此處發(fā)生非正常拉斷的概率最大。

圖5 焊接處斷口形貌圖Fig 5 Morphology of fracture at the weld

2.2.2 電鍍金剛石線的疲勞斷裂

設(shè)置好切割參數(shù)后,冷卻液采用水,進(jìn)行正常的切割實(shí)驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下切割YAG晶體,一直到金剛石線拉斷為止。對(duì)拉斷的金剛石線斷口進(jìn)行檢測(cè)分析,得知,金剛石線如此的斷裂,屬于正常失效模式。切割實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下,金剛石線的線速度為30m/s,進(jìn)給速度分別為3mm/min、5mm/min和8mm/min,采用水冷。經(jīng)過多次切割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),進(jìn)給速度為3mm/min和5mm/min實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,切割面積相同,約為0.05平方米,但是斷口形貌有兩種形式,一種屬于拉斷;另外一種屬于磨斷,如圖(6)和圖(7)所示,并且伴有表面鍍層脫皮現(xiàn)象。經(jīng)過分析,脫皮的原因有兩個(gè):第一,金剛石磨粒脫落,鍍層與工件直接接觸,鍍層被磨損;第二,鍍層與基體結(jié)合力不夠,自主脫皮。進(jìn)給速度為8mm/min時(shí),金剛石線短時(shí)間內(nèi)就被拉斷,壽命遠(yuǎn)小于正常值,屬于非正常拉斷。

圖6 鍍層脫皮形貌圖Fig.6 Morphology of plating peeling

圖7 磨斷處斷口形貌圖Fig.7 Morphology of fracture in breaking point

3 結(jié)論

建立電鍍金剛石線切割時(shí)的受力模型,進(jìn)行受力分析,結(jié)合多組參數(shù)和不同環(huán)境下的切割實(shí)驗(yàn),研究了電鍍金剛石線在切割YAG晶體時(shí)的斷裂失效模式,得出如下結(jié)論:

(1)YAG晶體切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電鍍金剛石線的斷裂形式有兩種:非正常拉斷和疲勞斷裂。當(dāng)切割參數(shù)設(shè)置不合理,或者選用的冷卻液具有強(qiáng)黏性時(shí),導(dǎo)致切割率低于進(jìn)給量,金剛石線受到的拉應(yīng)力超出許用應(yīng)力,而發(fā)生非正常拉斷;當(dāng)切割參數(shù)和冷卻液都合理,金剛石線經(jīng)過長時(shí)間磨損,金剛石磨粒被磨損或脫落,鍍層逐漸脫皮,露出的基體被磨損,發(fā)生磨斷,屬于疲勞斷裂。

(2)切割時(shí),選擇好合適的切割參數(shù),選用黏性小的冷卻液,可以避免金剛石線的非正常拉斷,保證正常的使用壽命。

(3)金剛石線焊接處的質(zhì)量直接決定了金剛石線的抗拉強(qiáng)度,鍍層與集體的結(jié)合力直接影響了金剛石線的疲勞壽命。這兩個(gè)因素也是制備金剛石環(huán)線的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

[1] 張夢(mèng)駿,孫玉利,等.金剛石線鋸切技術(shù)研究進(jìn)展[J].金剛石與磨料磨具工程,2013,33(6):44-47.

[2] 張景濤.電鍍金剛石線鋸制造工藝及其性能的研究[D].青島,青島科技大學(xué),2013.

[3] 張國青,黃輝,徐西鵬.釬焊金剛石線鋸切割單晶硅材料時(shí)的斷裂行為研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2013,34(4):6-10.

[4] 高偉,竇百香.環(huán)形電鍍金剛石線鋸斷裂失效分析[J].工具技術(shù),2008,42(9):76-78.

[5] 孟劍峰.環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工技術(shù)及加工質(zhì)量研究[D].山東,山東大學(xué),2006.

[6] ZHANG Liao-yuan,LI Xin.Research on Cutting Force of Ultrasonic Diamond Wire Saw[J].JOURNAL OF CHINA ORDNANCE.2010,(02):114-118.

富耐克cBN刀具:加工汽車剎車盤的高效刀具

剎車盤性能是汽車安全行駛的有力保證,作為汽車零部件的核心部件,剎車盤(制動(dòng)盤)是其至關(guān)重要的安全零件。隨著環(huán)境保護(hù)對(duì)汽車材料輕量化的需求,汽車零部件制造工藝在不斷更新,相應(yīng)剎車盤對(duì)cBN刀具的精度、效率、壽命等方面也提出了更高要求。

相關(guān)專家表示,汽車剎車盤對(duì)兩端面表面的加工質(zhì)量要求很嚴(yán):表面粗糙度為Ra1.6,兩制動(dòng)面圓周厚薄差通常要求控制在0.009mm范圍以內(nèi),平行度則要求0.04mm以內(nèi),跳動(dòng)要求0.025mm的誤差范圍,且這些形位公差都要靠精加工保證。傳統(tǒng)的磨削工藝已難以滿足市場(chǎng)對(duì)形位公差車削加工的需求。

(中國刀具商務(wù)網(wǎng))

Study of Failure Mechanism of Electroplated Diamond Wire When Cutting YAG Crystal

PENG Shao-bo,CHEN Chao
(China Nonferrous Metal(Guilin)Geology And Mining Co.,Ltd,Guangxi Key Laboratory of superhard material, National Engineering Research Center for Special Mineral Material,Guilin,Guangxi,China 541004)

An endless electroplated diamond wire of a length of 4m and a diameter of 7mm has been produced using high-tensile steel wire as matrix with nickel plating surface,and diamond abrasive particles have been consolidated at the mean time.Then it has been clamped on a diamond wire saw cutting machine for YAG crystal cutting test under different parameters.The stress condition of the electroplated diamond wire and the morphology of the fracture have been observed and the fracture behaviour and fracture mechanism of the electroplated diamond wire during the cutting process have been analyzed.Result of the study shows that there are two kinds of fractures of electroplated diamond wire.One is abnormal snap,another one is the matrix breaking caused by plating peeling of the electroplated diamond wire.

Electroplated Diamond Wire;YAG Crystal;Cutting;Fracture Modes

TQ164;TG74

A

1673-1433(2015)05-0013-05

2015-08-18

彭少波(1989-),男,碩士研究生。研究方向:環(huán)形金剛石線鋸機(jī)的切割機(jī)理以及影響切割表面質(zhì)量的因素。

彭少波,陳超.電鍍金剛石線切割YAG晶體的失效機(jī)理研究[J].超硬材料工程,2015,27(5):13-17.