金剛石線鋸成形加工硬脆材料圓弧的正交試驗(yàn)研究

王亞帥,王燕青,楊勝強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 太原 030024；2.太原理工大學(xué), 精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030024)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，硬脆材料在精密機(jī)械零件中的應(yīng)用越來越廣泛。由文獻(xiàn)[1]可知：硬脆材料主要有工程陶瓷、硅晶體、釹鐵硼等，這些硬脆材料具有硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損以及自身重量輕和良好的自潤滑性等性能。其中的工程陶瓷是指應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備和其他工業(yè)領(lǐng)域的陶瓷，主要有氧化鋁、氧化鋯、氮化硅、碳化硅、陶瓷玻璃等，在電子、機(jī)械、航空航天、裝甲車、航母等國防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如西方發(fā)達(dá)國家把工程陶瓷材料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，主要產(chǎn)品有陶瓷轉(zhuǎn)子、陶瓷活塞銷、陶瓷挺柱、陶瓷電熱塞等。陶瓷轉(zhuǎn)子主要用于裝甲車發(fā)動(dòng)機(jī)中，其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、成本低、慣性小、加速響應(yīng)性能改善，可以減少煙霧和微粒排放等。工程陶瓷在軸承中的應(yīng)用主要是陶瓷軸承，由于具有高耐磨性，從而顯著提高了其極限轉(zhuǎn)速，且因其具有電絕緣性而被應(yīng)用于航空航天飛行器主電動(dòng)機(jī)中，可避免常規(guī)主電動(dòng)機(jī)用軸承的電蝕損傷，提高其使用壽命，并降低噪聲，適應(yīng)復(fù)雜多變的飛行環(huán)境[1]。

傳統(tǒng)工程陶瓷的圓形零件成形加工方法有[1]：(1)電鍍金剛石薄壁鉆，其缺點(diǎn)是噪音大、表面粗糙度差、切縫大、材料浪費(fèi)等[2]，且易出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象，難以用來加工大直徑陶瓷件；(2)水射流切割，其缺點(diǎn)是水射流直徑大，切口寬度大，易發(fā)生切割面上緣塌肩，且切割面傾斜、切割面粗糙度大、有缺口等；(3)激光加工，其缺點(diǎn)是加工成本高，激光器維護(hù)耗損大，主機(jī)耗電量大，不能切割大厚度陶瓷工件；(4)超聲加工，其缺點(diǎn)是加工速度慢、加工效率低。因此，非常需要一種新的加工方法來加工硬脆材料圓形零件。目前還沒有學(xué)者對(duì)金剛石線鋸成形加工硬脆材料(線鋸走曲線切割軌跡)進(jìn)行研究，與電火花線切割機(jī)床利用數(shù)控編程驅(qū)使X、Y工作臺(tái)做圓周運(yùn)動(dòng)成形加工圓形零件不同的是，電火花線切割是非接觸式加工，而金剛石線鋸是接觸式加工，在利用X、Y工作臺(tái)做圓周運(yùn)動(dòng)成形加工圓形零件時(shí)由于其線弓的存在，最終切割不了圓形，而且會(huì)把上下導(dǎo)絲輪磨損導(dǎo)致其失效，這種加工硬脆材料圓形零件的方法不可取，所以研究金剛石線鋸成形加工硬脆材料具有非常重要的意義。硬脆材料圓形零件的金剛石線鋸切割就是一種新型的加工方法，具有切割工件表面粗糙度小、切縫小、節(jié)約貴重硬脆材料、環(huán)保無污染、加工過程噪音小、切割圓度好等優(yōu)點(diǎn)[3]。

張遼遠(yuǎn)等[4-5]研究了金剛石線鋸切割碳纖維復(fù)合材料的鋸切工藝，結(jié)果表明:適當(dāng)降低線鋸進(jìn)給速度和提高線鋸線速度時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的切縫軌跡更加理想。李淑娟等[6]對(duì)SiC單晶片加工過程中的切割力進(jìn)行分析與建模，結(jié)果表明：切割力理論模型可以對(duì)SiC單晶片在同等線鋸切割環(huán)境下的切割力進(jìn)行有效預(yù)測,為切削力的優(yōu)化控制提供了理論依據(jù)。孟劍峰等[7]利用環(huán)形電鍍金剛石線鋸對(duì)硬脆材料單晶硅、LT55陶瓷進(jìn)行切割試驗(yàn),研究了鋸切力、材料加工表面質(zhì)量及鋸絲的磨損等；龐繼偉等[8]為探究線鋸鋸切工藝參數(shù)對(duì)多晶硅切片表面特性的影響,揭示電鍍金剛石鋸絲的磨損機(jī)理,開展了光伏多晶硅的電鍍金剛石線鋸切片試驗(yàn)。

金剛石線鋸切割作為一種新的硬脆材料成形加工圓形零件方法，探索其加工曲線軌跡，并進(jìn)行金剛石線鋸切割圓形零件工藝試驗(yàn)研究，對(duì)拓展該加工方法的應(yīng)用范圍和加工能力具有重要意義[9]。為此，本文基于中走絲電火花線切割機(jī)床改裝而成的單線往復(fù)式金剛石線鋸切割機(jī)床，對(duì)硬脆剛玉材料進(jìn)行圓形工件切割加工，研究金剛石線鋸切割線速度、W軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速、金剛石線鋸的張緊力對(duì)金剛石線鋸切割的剛玉圓弧面影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用設(shè)備是由中走絲電火花線切割機(jī)床改裝而成的單線往復(fù)式金剛石線鋸切割機(jī)床，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。圖1中的金剛石線鋸線速度由三相異步電機(jī)控制，在該機(jī)床基礎(chǔ)上增加一個(gè)數(shù)控主軸轉(zhuǎn)臺(tái)W軸轉(zhuǎn)臺(tái)，其控制系統(tǒng)采用FPGA發(fā)射脈沖信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)臺(tái)W軸的轉(zhuǎn)速。

圖1 金剛石線切割剛玉圓弧面試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Test platform of diamond wire cutting brown corundum round arc surface

金剛石線鋸選用直徑為φ0.18 mm的電鍍金剛石線，通過最大絲張緊力拉斷試驗(yàn)測試出金剛石線的最大張緊力為35 N。試驗(yàn)時(shí)切削液為水，試驗(yàn)工件為60 mm×33 mm×6 mm的長方體剛玉塊，用金剛石線對(duì)其切割出半徑為65 mm的六分之一圓弧。

1.2 圓弧面質(zhì)量檢測指標(biāo)

圓弧面的質(zhì)量指標(biāo)主要有圓度、線弓角度、切割效率以及表面粗糙度等[10]。

切割的剛玉圓弧面的圓度采用基恩士LK-G3001V高速、高精度CCD激光位移傳感器測量。測量時(shí)，激光位移傳感器采集并記錄1萬多個(gè)點(diǎn)的位置值，用采集數(shù)據(jù)的極差來分析圓弧面的圓度。用圓弧面的徑向跳動(dòng)來反映圓度的好壞程度，并用日本基恩士公司的LK-G85高速、高精度激光位移傳感器來測量。

初始加工時(shí)，金剛石線鋸絲處于豎直狀態(tài)；隨著加工的進(jìn)行，線弓逐漸形成，當(dāng)工件的切割速度與轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)給速度匹配時(shí)，最終形成穩(wěn)定線弓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。測量線弓角度方法為：當(dāng)切割加工終止時(shí)，瞬時(shí)停止轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，線鋸絲恢復(fù)豎直狀態(tài)，移動(dòng)金剛石線至工件上的終止加工位置，采用線切割機(jī)床工作臺(tái)的手輪分別記錄金剛石線移動(dòng)前后機(jī)床的坐標(biāo)位置(手輪上自帶刻度，每圈4 mm，刻度盤上分400格，每格位移為0.01 mm)，坐標(biāo)位置差即為線弓在水平面內(nèi)的投影長度，并分別記為GX、GY；然后，依據(jù)上下導(dǎo)輪間距Z(由刻度尺測量其距離)分別計(jì)算X、Y方向的線弓角：

α=arctan(GX/Z)

(1)

β=arctan(GY/Z)

(2)

切割效率定義為每秒內(nèi)的切割面積。采用秒表測量初始加工到切割完成所用的時(shí)間t，切割面積是半徑R為65 mm的六分之一圓弧面的面積S(可用圓弧面積公式計(jì)算得出)，所以切割效率為η=S/t。

圓弧面的表面粗糙度由M2粗糙度儀測量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響圓弧面圓度、切割效率、線弓角度以及表面粗糙度的因素主要有線速度、W軸轉(zhuǎn)速、張緊力等，本文設(shè)計(jì)3因素4水平正交試驗(yàn)。工藝參數(shù)各水平值的來源選擇，線速度各水平來源：試驗(yàn)所選的機(jī)床上包含絲速值1.12 m/s、3.36 m/s、4.48 m/s、6.72 m/s、8.96 m/s、10.08 m/s、11.2 m/s共七個(gè)值，由于1.12 m/s速度太小，在與最快的轉(zhuǎn)速組合時(shí)線弓產(chǎn)生會(huì)特別大會(huì)把絲拉斷，所以最小值選取3.36 m/s；由于4.48 m/s現(xiàn)象與3.36 m/s相差不大所以中間值選取6.72 m/s和8.96 m/s，最大值選擇11.2 m/s進(jìn)行試驗(yàn)。張緊力各水平參數(shù)選擇依據(jù)：由于在本機(jī)床允許范圍內(nèi)做最大張緊力切割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最大張緊力超過35 N時(shí)絲會(huì)發(fā)生斷裂，所以最大絲張緊力定為30 N，做最小絲張緊力試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)絲張緊力小于10 N時(shí)會(huì)出現(xiàn)壓絲脫絲現(xiàn)象，所以最小值取12 N，每個(gè)水平之間相差6 N，即12 N、18 N、24 N、30 N。W軸轉(zhuǎn)速各水平參數(shù)選擇依據(jù)：在做轉(zhuǎn)臺(tái)最快切割試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速大于1 r/h時(shí)在與最小絲速最小張緊力組合時(shí)會(huì)出現(xiàn)損害導(dǎo)絲輪的現(xiàn)象而且易發(fā)生斷絲，所以轉(zhuǎn)速最大值選擇1 r/h，依次按倍數(shù)減小選擇0.50 r/h、0.33 r/h、0.25 r/h，當(dāng)最慢轉(zhuǎn)速低于0.25 r/h時(shí)加工效率會(huì)特別低，不可取，依次確定轉(zhuǎn)速各水平值。選用L16(43)正交表。表1為金剛石線鋸切割剛玉圓弧面的鋸切工藝參數(shù)因素水平表。

表1 工藝參數(shù)因素及水平表Table 1 Process parameter factors and levels

1.4 試驗(yàn)過程

工件裝夾后，選取表1的特定工藝參數(shù)組合對(duì)工件進(jìn)行加工。金剛石線鋸切割剛玉圓弧加工示意圖如圖2所示，機(jī)床工作臺(tái)不動(dòng)，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，使裝夾工件的轉(zhuǎn)臺(tái)W軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)金剛石線鋸切割出剛玉圓弧面，并使用激光位移傳感器采集所切割的圓弧面數(shù)據(jù)。

圖2 金剛石線切割剛玉圓弧示意圖Fig.2 Schematic diagram of diamond wire cutting corundum arc

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果及極差分析結(jié)果

工藝參數(shù)正交試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果見表2，表2中的線弓角度只列出α的值。表3～表6為各試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果，表中的K1、K2、K3、K4分別表示各因素下1、2、3、4水平所對(duì)應(yīng)的切割剛玉圓弧面指標(biāo)測量值之和，L1、L2、L3、L4分別表示各因素下1、2、3、4水平所對(duì)應(yīng)的切割剛玉圓弧面指標(biāo)測量值的平均值。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 2 Orthogonal experimental design table

表3 徑向跳動(dòng)的極差分析結(jié)果Table 3 Range analysis results of radial runout

表4 線弓角度的極差分析結(jié)果Table 4 Range analysis results of pantograph angle

表5 切割效率的極差分析結(jié)果Table 5 Range analysis results of cutting efficiency

表6 表面粗糙度的極差分析結(jié)果Table 6 Range analysis results of surface roughness

表2中的正交試驗(yàn)1～8號(hào)和9～16號(hào)的數(shù)據(jù)采集分別如圖3和圖4所示。

圖3 正交試驗(yàn)1～8的數(shù)據(jù)采集圖Fig.3 Data acquisition diagram of orthogonal test 1～8

圖4 正交試驗(yàn)9～16的數(shù)據(jù)采集圖Fig.4 Data acquisition diagram of orthogonal test 9～16

從表3～表6的極差分析結(jié)果可看出：W軸轉(zhuǎn)速、張緊力、線速度3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)徑向跳動(dòng)、切割效率和表面粗糙度的影響次序相同，都為B>C>A,即W軸轉(zhuǎn)速的影響最大，張緊力的影響居中，線速度的影響最小。對(duì)線弓角度的影響次序?yàn)镃>A>B，即張緊力的影響最大，線速度的影響居中，W軸轉(zhuǎn)速的影響最小。

同時(shí)，從表3～表6的還可看出：金剛石線鋸切割剛玉圓弧徑向跳動(dòng)最小的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3B1C1,即線速度為8.96 m/s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為0.25 r/h，張緊力為12 N；線弓角度最小的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A4B1C4，即線速度為11.20 m/s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為0.25 r/h，張緊力為30 N；切割效率最大的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A4B4C3，即線速度為11.20 m/s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為1.00 r/h，張緊力為24 N；表面粗糙度最低的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B1C1，即線速度為3.36 m/s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為0.25 r/h，張緊力為12 N。

進(jìn)一步對(duì)各工藝參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的極差分析結(jié)果影響進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)：A4、A3下對(duì)線弓角度和切割效率的影響不大，A3下的工件表明粗糙度較A1時(shí)的大，但A參數(shù)不是影響粗糙度的主要因素，因此綜合起來線速度選A3較合適；對(duì)W軸轉(zhuǎn)速B參數(shù)來說，其是影響徑向跳動(dòng)、切割效率和表面粗糙度的主要因素，B4比B1下切割效率差別大，但切割效率過大，會(huì)使金剛石線切割過快，金剛石消耗過快，進(jìn)而影響金剛石線的壽命等，且小W軸轉(zhuǎn)速下切割，較易控制切割過程及質(zhì)量，故W軸轉(zhuǎn)速B參數(shù)選B1較合適；同樣，對(duì)張緊力C參數(shù)來說，C1參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的綜合影響是最優(yōu)的。因此，綜合起來，得出氧化鋁陶瓷件圓弧切割的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3B1C1，即金剛石線鋸的線速度為8.96 m/s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為0.25 r/h，張緊力為12 N。

具體的各參數(shù)影響程度還可以對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，根據(jù)方差分析結(jié)果來優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，從而達(dá)到提高金剛石線鋸切割剛玉圓弧面的圓度質(zhì)量。

2.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析

通過方差分析中的F檢驗(yàn)法對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，對(duì)因素進(jìn)行F檢驗(yàn)時(shí)所依據(jù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)一般可以考慮4種情況：(1)若F>F0.01(f因，fe)，則該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有非常顯著的影響，記為**；(2)若F0.05(f因，fe)

表7～表10為表2中各試驗(yàn)結(jié)果的方差分析結(jié)果。由表7、表9和表10可以看出：各加工參數(shù)對(duì)圓弧面徑向跳動(dòng)、切割效率和表面粗糙度的影響主次順序?yàn)閃軸轉(zhuǎn)速、張緊力、線速度，這與表3、表5和表6的極差分析結(jié)果一致。由表8可見：各加工參數(shù)對(duì)線弓角度的影響主次順序?yàn)閺埦o力、鋸絲線速度、W軸轉(zhuǎn)速。

表7 徑向跳動(dòng)的方差分析Table 7 Variance analysis of radial runout

表8 線弓角度的方差分析Table 8 Variance analysis of pantograph angle

表9 切割效率的方差分析Table 9 Variance analysis of cutting efficiency

表10 表面粗糙度的方差分析Table 10 Variance analysis of surface roughness

總之，W軸轉(zhuǎn)速、張緊力、線速度3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)棕剛玉圓弧面切割的徑向跳動(dòng)、線弓角度、切割效率和表面粗糙度的極差分析結(jié)果與方差結(jié)果影響是一致的，表明這兩種方法都能作為判斷及優(yōu)化切割工藝參數(shù)的有效方法。

3 結(jié) 論

用電鍍金剛石線鋸在單線往復(fù)式中走絲線切割機(jī)床上，對(duì)剛玉塊進(jìn)行圓弧切割試驗(yàn)，并用正交試驗(yàn)方法對(duì)W軸轉(zhuǎn)速、張緊力、線速度3個(gè)切割工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)論如下：

(1)W軸轉(zhuǎn)速對(duì)圓弧的徑向跳動(dòng)、切割效率以及表面粗糙度影響最大，張緊力次之，線速度最小；降低W軸轉(zhuǎn)速有助于降低圓弧的徑向跳動(dòng)即優(yōu)化圓弧的圓度，降低表面粗糙度，但切割效率也會(huì)降低。

(2)張緊力對(duì)線弓角度的影響最大，線速度次之，W軸轉(zhuǎn)速最?。辉龃髲埦o力可以減小線弓角度，進(jìn)而優(yōu)化圓弧面的圓度。

(3)線速度對(duì)圓弧面的徑向跳動(dòng)、線弓角度、切割效率和表面粗糙度有一定影響，但是影響不太顯著。在本試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，通過綜合分析各工藝參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的影響，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3B1C1，即金剛石線鋸的線速度為8.96 m/s，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為0.25 r/h，張緊力為12 N。

(4)徑向跳動(dòng)、線弓角度、切割效率和表面粗糙度的極差分析結(jié)果與方差結(jié)果是一致的，這兩種方法都能作為判斷及優(yōu)化切割工藝參數(shù)的有效方法。