陳勇彪, 張松輝, 張曉紅, 尉遲廣智, 段 佳, 蔣如意, 周瑩英
(1. 湖南科美達(dá)電氣股份有限公司, 湖南 岳陽(yáng) 414022)
(2. 湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)
工程陶瓷具有輕質(zhì)、抗腐蝕、耐高溫、耐磨損、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震能力強(qiáng)和摩擦系數(shù)低等優(yōu)異性能,已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。碳化硅陶瓷就是工程陶瓷家族中綜合性能較優(yōu)良的材料之一。目前,碳化硅陶瓷主要用于航空航天、建筑建材、國(guó)防軍工等工業(yè)領(lǐng)域。但是,碳化硅陶瓷具有與其他工程陶瓷材料一樣的高硬度和高脆性,該特性使碳化硅陶瓷在加工時(shí)的材料去除率很低,且易出現(xiàn)表面損傷,同時(shí)加工成本很高[1]。
近年來(lái),切割技術(shù)廣泛用于工程陶瓷的切割加工中,但碳化硅陶瓷的莫氏硬度高達(dá)9.2~9.3,僅次于超硬材料金剛石的,使用傳統(tǒng)切割方式對(duì)其切割難度較大,且難以獲得好的加工表面[2-3]。金剛石線鋸切割技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)用于硬脆性材料切割加工的新技術(shù),其特點(diǎn)是切割效率高、材料表面損傷小、節(jié)能環(huán)保等,因而在碳化硅陶瓷切割時(shí)應(yīng)用該技術(shù),有利于提高碳化硅陶瓷的切割效率、降低其表面損傷等[4-5]。然而,工件鋸切所形成的表面形貌和表面粗糙度等直接決定材料的加工質(zhì)量。因此,如何優(yōu)化金剛石線鋸切割工藝,以獲得高精度的切割表面,對(duì)工件的精密鋸切研究具有重要意義[6-8]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金剛石線鋸切割技術(shù)進(jìn)行了較廣泛的研究。WISNIEWSKA[9]研究了應(yīng)用金剛石線鋸切割鎂合金的可能性,結(jié)果表明:金剛石線鋸能夠有效切割鎂合金,金剛石線鋸只輕微磨損,切割后的工件表面粗糙度值維持在0.7 μm。蔡二輝[10]探討了進(jìn)給速度對(duì)金剛石線鋸切割的硅片表面質(zhì)量的影響,結(jié)果表明進(jìn)給速度對(duì)硅片表面質(zhì)量影響顯著。郭俊文等[11]運(yùn)用有限元分析軟件建立了金剛石線鋸切割單晶硅的二維模型,通過(guò)改變線速度,分析了單晶硅材料在切割過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、切削力及其對(duì)硅片表面質(zhì)量的影響,并得出線速度為1 600 m/min時(shí)的硅片表面質(zhì)量最差。安蓓等[12]開(kāi)展了硬脆材料切割過(guò)程中基于線速度的切割力自適應(yīng)控制研究,建立了線速度與切割力的自適應(yīng)模型,并對(duì)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:工件表面形貌良好,其表面粗糙度值降低約30%。但該研究?jī)H針對(duì)線速度對(duì)工件表面質(zhì)量的影響為優(yōu)化目標(biāo),忽略了進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。COSTA等[13]研究了線速度、進(jìn)給速度和線張力工藝參數(shù)對(duì)金剛石線鋸切割單晶硅表面質(zhì)量的影響,而對(duì)于線速度與進(jìn)給速度比值的影響研究沒(méi)有涉及。
基于此,開(kāi)展金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的試驗(yàn)研究。在碳化硅陶瓷切割過(guò)程中,改變線速度、進(jìn)給速度、進(jìn)給速度與線速度比值等主要加工工藝參數(shù),通過(guò)對(duì)切割后的工件表面形貌及表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比,分析工藝參數(shù)變化對(duì)碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響,以獲得其最佳加工工藝參數(shù)。
金剛石線鋸切割設(shè)備選用沈陽(yáng)科晶自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的STX-202A小型金剛石線切割機(jī)。該設(shè)備是單線循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式的金剛石線切割機(jī),機(jī)上安裝的2個(gè)張緊輪可緊固金剛石線,2個(gè)導(dǎo)向輪用來(lái)保證工件切割的精度和端面形狀;工作時(shí)工件能根據(jù)設(shè)置好的切割程序連續(xù)自動(dòng)進(jìn)給,同時(shí)切割的工件尺寸精度在10 μm內(nèi)。切割機(jī)實(shí)物如圖1所示,其參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)用電鍍金剛石線性能參數(shù)如表2所示。
表2 金剛石線性能參數(shù)
圖1 STX-202A型金剛石線切割機(jī)
表1 STX-202A型金剛石線切割機(jī)參數(shù)
工件切割完成后用超聲波清洗,使用基恩士(中國(guó))有限公司的VHX-5000超景深三維顯微鏡對(duì)切割后的工件幾何中心附近的表面形貌進(jìn)行觀察,觀察時(shí)顯微鏡的放大倍數(shù)為500倍。工件表面粗糙度Ra則使用上海泰明光學(xué)儀器有限公司的JB-5C精密粗糙度輪廓儀進(jìn)行測(cè)量,Ra測(cè)量范圍為0.01~10.00 μm,取樣長(zhǎng)度為8 mm。
碳化硅陶瓷工件由氣壓燒結(jié)制成,其性能參數(shù)如表3所示。試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。金剛石線切割示意圖如圖2所示。
表3 碳化硅陶瓷性能參數(shù)
圖2 金剛石線切割示意圖
碳化硅陶瓷工件依靠夾具固定在工作臺(tái),金剛石線切割機(jī)的控制系統(tǒng)以預(yù)定的速度驅(qū)動(dòng)碳化硅陶瓷沿垂直于金剛石線運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)給,完成碳化硅陶瓷工件材料的切割。在鋸切過(guò)程中,切割專(zhuān)用油連續(xù)噴灑到加工區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑、冷卻和排屑。金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的原理如圖3所示。
圖3 金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷原理圖
金剛石線切割機(jī)的線速度、工件進(jìn)給速度是影響碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的主要工藝參數(shù),為了分析以上參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響,將工件進(jìn)給速度vf、線速度vs設(shè)置為單獨(dú)的變量,進(jìn)行2組鋸切試驗(yàn)(試驗(yàn)1、試驗(yàn)2),試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。
表4 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)
此外,理論研究發(fā)現(xiàn)[14]:金剛石線鋸切時(shí),金剛石線表面的磨粒切削深度與工件進(jìn)給速度和線鋸線速度的比值R有關(guān)。當(dāng)工件進(jìn)給速度和金剛石線速度不同但兩者的比值R相同時(shí),金剛石線鋸表面的磨粒切削深度基本相同。因此,固定比值R為2×10-5,其具體試驗(yàn)參數(shù)如表5所示,表5中共有試驗(yàn)3~試驗(yàn)6的4組參數(shù)組合。
表5 R值相同時(shí)的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)
表面形貌是評(píng)價(jià)碳化硅陶瓷切割后表面質(zhì)量的重要指標(biāo),金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的表面形貌可以直接反映材料的去除方式和表面形成機(jī)理[15-17]。試驗(yàn)中觀察碳化硅陶瓷表面形貌的超景深三維顯微鏡的微觀觀察點(diǎn)應(yīng)選擇在陶瓷切面的幾何中心附近,原因在于此位置是在鋸切穩(wěn)定階段形成的。而對(duì)不同工藝參數(shù)下的碳化硅陶瓷表面形貌,應(yīng)基本在同一位置觀察,以確保鋸切表面形貌比較的有效性。
2.1.1 工件塑性區(qū)的表面形貌特性
圖4為表4中vf=18 μm/s,vs=0.7 m/s和vf=18 μm/s,vs=1.0 m/s參數(shù)下碳化硅陶瓷切割后的表面塑性區(qū)形貌。如圖4中方框所示:觀察到平行于金剛石線運(yùn)動(dòng)方向的塑性條紋,其表面表現(xiàn)為平行劃痕,幾乎沒(méi)有因剝落而產(chǎn)生的表面微坑。但圖4a中的劃痕較連續(xù),部分劃痕邊緣還會(huì)隆起呈不規(guī)則的脊?fàn)睿蚴墙饎偸チ5奈⑶邢髯饔?,使極小部分切屑隨著金剛石線的移動(dòng)而在材料表面固結(jié);圖4b中的劃痕也是連續(xù)的,但邊緣的脊?fàn)蠲黠@減少,這是由于線速度增大影響了切割專(zhuān)用油的切削參與度,使得切削區(qū)的潤(rùn)滑冷卻效果、排屑能力發(fā)生變化,對(duì)切屑與線鋸之間的摩擦及線鋸磨損產(chǎn)生了影響,進(jìn)而影響了線鋸的切割狀態(tài),最終改變了塑性區(qū)的形貌。
2.1.2 工件脆性區(qū)的表面形貌特性
圖5為表4中vf=18 μm/s,vs=0.4 m/s參數(shù)下碳化硅陶瓷切割后的表面脆性區(qū)及微區(qū)放大形貌,其材料去除形式由塑性去除轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詣兟浞蛛x。由于試驗(yàn)所用的金剛石線表面的金剛石磨粒平均尺寸在40~50 μm,磨粒在金剛石線表面固定后的凸出高度和面積存在差異[18],因而在切割過(guò)程中不同磨粒的切削深度和寬度不同;同時(shí),金剛石線受線速度與進(jìn)給速度的影響將隨機(jī)產(chǎn)生橫、縱向振動(dòng),使得磨粒的壓入深度有差異,從而導(dǎo)致碳化硅陶瓷表面的脆性去除區(qū)出現(xiàn)少量尺寸和深度均較大的脆性剝落微坑[19],如圖5a所示。由于材料的脆性剝落去除具有差異性,因而碳化硅陶瓷表面的脆性剝落坑分布及形狀不同,圖5b即為其中一種微坑放大后的表面形貌圖。
圖4、圖5的結(jié)果表明:碳化硅陶瓷的被加工表面是材料在塑性和脆性去除共同作用下形成的。因此,金剛石線鋸對(duì)碳化硅陶瓷的切割去除方式主要是塑性變形去除,部分區(qū)域則是脆性剝落去除。
2.1.3 工件表面產(chǎn)生的劃痕
圖6為表4中vf=24 μm/s,vs=1.0 m/s參數(shù)下碳化硅陶瓷切割后的表面不同區(qū)域產(chǎn)生的2種不同劃痕形貌。在切割過(guò)程中由于存在強(qiáng)烈劃擦、碰撞和擠壓等機(jī)械作用,使金剛石線上的金剛石磨粒出現(xiàn)磨損、松動(dòng)甚至整顆磨粒脫落等情況,而在陶瓷表面產(chǎn)生劃痕。松動(dòng)的金剛石磨粒凸出高度遠(yuǎn)大于其平均出露高度:一方面減小了切削區(qū)的容屑空間,增加了線鋸與工件之間的摩擦等,且松動(dòng)磨粒的切削深度較深,從而在表面產(chǎn)生了如圖6a所示的劃痕;另一方面,當(dāng)松動(dòng)的磨粒因連續(xù)工作而整顆脫落后,脫落的磨粒在潤(rùn)滑排屑不及時(shí)等情況下,受金剛石線擠壓而在工件鋸切表面產(chǎn)生劃痕并嵌入工件表面,產(chǎn)生如圖6b所示的劃痕2。
2.1.4 線速度對(duì)表面形貌的影響
圖7為表4中試驗(yàn)1條件下,以不同線速度切割碳化硅后獲得的表面形貌。圖7的4組工件表面形貌均表明,形成的鋸切表面是塑性和脆性去除綜合作用的結(jié)果。由圖7可以看出:當(dāng)線速度從0.4 m/s增加到0.7 m/s時(shí),隨著線速度增加,脆性剝落區(qū)域占比減少,其中的條狀塑性區(qū)域從紋理紊亂到相對(duì)規(guī)則轉(zhuǎn)變,微坑數(shù)量也明顯減少(圖7a和圖7b)。當(dāng)線速度從0.7 m/s增加到1.0 m/s時(shí),對(duì)比圖7b、圖7c可觀察到表面的塑性光滑區(qū)域比例明顯增加,表面的脆性剝落區(qū)域則減小,剝落微坑尺寸明顯減小,表面形貌良好。在實(shí)際鋸切過(guò)程中,塑性光滑區(qū)域與脆性剝落區(qū)域所占比例的大小會(huì)直接影響碳化硅陶瓷的力學(xué)性能,其力學(xué)性能隨塑性光滑區(qū)域占比增加而提升[13]。但隨著線速度繼續(xù)增加,如圖7d所示,金剛石線鋸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨機(jī)產(chǎn)生的小幅度橫、縱向振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致鋸切過(guò)程中的碳化硅脆性坑數(shù)量略微增加。因此,在不引起線鋸振動(dòng)的情況下適當(dāng)提高線鋸線速度,能夠改善碳化硅陶瓷切割形成的表面形貌。
2.1.5 進(jìn)給速度對(duì)表面形貌的影響
圖8為表4中試驗(yàn)2條件下,不同工件進(jìn)給速度時(shí)得到的碳化硅陶瓷切割后的表面形貌。如圖8a、圖8b、圖8c所示:當(dāng)進(jìn)給速度從6 μm/s增加到18 μm/s時(shí),切割表面的塑性條紋區(qū)域開(kāi)始縮小, 脆性剝落區(qū)域慢慢變大,剝落微坑數(shù)量與尺寸明顯增加,工件表面形貌開(kāi)始由好變差,這表明工件進(jìn)給速度增加將會(huì)減少磨粒對(duì)工件材料的塑性去除;當(dāng)進(jìn)給速度進(jìn)一步提高到圖8d的24 m/s時(shí),碳化硅陶瓷鋸切表面的塑性條紋區(qū)明顯減少,其表面主要由剝落坑組成,這表明此時(shí)金剛石線上的磨粒對(duì)工件材料的塑性去除較少,碳化硅陶瓷鋸切表面的材料去除方式主要以脆性斷裂為主。
2.1.6 比值R相同時(shí)的工件表面形貌變化
當(dāng)工件的進(jìn)給速度和金剛石線鋸的線速度不同,但其比值R是常數(shù)時(shí),在表5條件下得到的碳化硅陶瓷表面形貌如圖9所示。
從圖9可知:當(dāng)工件的進(jìn)給速度與線鋸線速度成比例增加時(shí),碳化硅陶瓷的表面形貌先略微好轉(zhuǎn),塑性條紋區(qū)稍有增加,脆性剝落區(qū)域面積占整體切割表面面積的百分比減小,剝落微坑數(shù)量慢慢減少,如圖9a、圖9b、圖9c所示;而后雖然R值不變,但當(dāng)工件的進(jìn)給速度與線鋸線速度增加的數(shù)值超過(guò)其臨界點(diǎn)時(shí),工件表面形貌又出現(xiàn)略微變差的情況,表現(xiàn)為脆性剝落區(qū)域中的微坑數(shù)量稍有上升,塑性區(qū)與脆性區(qū)面積占比恢復(fù)到臨界點(diǎn)之前的狀態(tài)等(圖9d)。
表面粗糙度Ra值是評(píng)價(jià)碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的另一重要指標(biāo),可以反映碳化硅陶瓷切割后的表面塑性條紋光滑區(qū)和脆性剝落凹坑區(qū)的形態(tài)組成和比例。Ra值較大的表面往往是材料脆性去除形成的,且是表面凹坑面積和凹坑尺寸也較大的表面。在表4和表5條件下切割后的碳化硅陶瓷表面中選擇一個(gè)穩(wěn)定的切割區(qū)域,沿工件進(jìn)給方向和金剛石線鋸移動(dòng)方向隨機(jī)測(cè)量工件表面6次表面粗糙度值,取其平均值為最終結(jié)果,測(cè)量結(jié)果分別如圖10所示。
在表4中試驗(yàn)1下測(cè)量的表面粗糙度Ra如圖10a所示。從圖10a中可明顯看出:沿工件進(jìn)給方向的表面粗糙度Ra為0.505~0.634 μm,而沿線鋸移動(dòng)方向的表面粗糙度Ra為0.257~0.287 μm,前者的值大于后者的。即金剛石線鋸的線速度從0.4 m/s提高到1.3 m/s時(shí),進(jìn)給方向的表面粗糙度值下降了20.35%,線鋸方向的則下降了10.45%。原因是表面粗糙度受平行于線鋸方向的塑性條紋光滑區(qū)的影響。在同一條紋光滑區(qū),工件被加工表面所受的力的大小均勻、方向近似一致,切割后產(chǎn)生相似的形變;而不同條紋光滑區(qū)則受力不一致,形變也有差異,進(jìn)而導(dǎo)致不同條紋光滑區(qū)的粗糙度有差異。
由圖10a還可知:當(dāng)線速度從0.4 m/s增加到0.7 m/s時(shí),沿工件進(jìn)給方向和線鋸移動(dòng)方向的2個(gè)表面粗糙度Ra值都下降,原因是隨著線速度的增加,單位時(shí)間內(nèi)參與切割的有效磨粒數(shù)也將增加,單個(gè)磨粒承擔(dān)的法向力減少,磨粒切割深度減小,切割后形成的表面中塑性條紋光滑區(qū)的占比升高,而產(chǎn)生的凹坑深度和尺寸也隨之減小,工件表面質(zhì)量變好,Ra值降低;當(dāng)線速度進(jìn)一步增加到1.0 m/s,單位時(shí)間內(nèi)參與切割的有效磨粒數(shù)量繼續(xù)增加,表面脆性剝落區(qū)微坑進(jìn)一步減少,凹凸明顯減輕,切割面的表面質(zhì)量大幅提高,表面粗糙度Ra值加速下降;但線速度增加到1.3 m/s時(shí),線鋸振動(dòng)的趨勢(shì)也隨之增大,易在工件表面形成劃痕及凹坑等,造成加工表面損傷,進(jìn)而影響表面粗糙度值,所以在線速度增加過(guò)高的情況下粗糙度值下降幅度不明顯。
在表4中試驗(yàn)2下測(cè)量的表面粗糙度Ra如圖10b所示。由圖10b可看出:沿工件進(jìn)給方向表面粗糙度的變化范圍為0.489~0.548 μm,而沿線鋸方向的表面粗糙度則是0.281~0.292 μm,沿進(jìn)給方向的表面粗糙度大于沿線鋸移動(dòng)方向的,且2個(gè)方向的表面粗糙度值都基本上隨著工件進(jìn)給速度的增加而增大。即進(jìn)給速度從6 μm/s增加到24 μm/s時(shí),隨著進(jìn)給速度增大,進(jìn)給方向與線鋸方向的表面粗糙度值分別上升了12.07%和3.91%。
工件進(jìn)給速度增加,單位時(shí)間工件的進(jìn)給量增大,從而加大了金剛石線的彈性變形,導(dǎo)致金剛石線鋸在鋸切時(shí)變形張角和張力變大,進(jìn)而增大了切割碳化硅陶瓷的法向和切向鋸切力[20-21];在工件進(jìn)給速度增加的同時(shí),金剛石線表面單顆金剛石磨料的法向載荷也隨著增加,這將增加磨料進(jìn)入工件表面的深度;當(dāng)磨粒在塑性區(qū)的切削深度超過(guò)脆性轉(zhuǎn)變的臨界切削深度時(shí),磨粒轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈郧邢?,被切割表面脆性區(qū)橫、縱向裂紋的尺寸受磨粒切削深度的影響而變大,進(jìn)而增加了微坑的深度等。此時(shí),碳化硅陶瓷工件不斷進(jìn)給,切割表面微坑的數(shù)量也隨之增加,從而導(dǎo)致脆性剝落區(qū)占比增多,粗糙度也將隨之上升。
按表5條件增加進(jìn)給速度與線速度,但固定其比值R時(shí),測(cè)量的表面粗糙度變化如圖10c所示。圖10c中:表面粗糙度沿工件進(jìn)給方向的變化范圍為0.519~0.528 μm,而沿線鋸移動(dòng)方向的則在0.265~0.271 μm范圍變化,且沿進(jìn)給方向的表面粗糙度大于沿線鋸移動(dòng)方向的。當(dāng)進(jìn)給速度和線速度分別從6 μm/s、0.3 m/s增加到18 μm/s、0.9 m/s時(shí),表面粗糙度略有降低,其原因是進(jìn)給速度和線速度同時(shí)增加時(shí),能及時(shí)加速切屑的排出,減少了加工表面劃痕的數(shù)量,同時(shí)增加了磨粒切割的接觸面積,切割形成的表面塑性光滑區(qū)比例稍有增加,從而使表面粗糙度略有降低;但隨著進(jìn)給速度與線速度進(jìn)一步增大到24 μm/s、1.2 m/s而超過(guò)其臨界點(diǎn)時(shí),工件表面粗糙度值稍有上升,但變化不大??傊?,進(jìn)給速度與線速度比值R一定,改變進(jìn)給速度與線速度數(shù)值,工件表面質(zhì)量基本維持在同一水平。
通過(guò)研究金剛石線鋸切割中的線速度、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)碳化硅陶瓷表面質(zhì)量的影響,并采用單因素試驗(yàn)法分析其表面形貌和表面粗糙度與線速度、進(jìn)給速度、進(jìn)給速度與線速度比值R的關(guān)系,得出以下結(jié)論:
(1)金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷時(shí),形成的表面形貌是材料塑性和脆性綜合去除的結(jié)果。
(2)在工件進(jìn)給速度相同,金剛石線鋸的線速度從0.4 m/s提高到1.3 m/s時(shí),碳化硅陶瓷表面的塑性條紋光滑區(qū)面積占比升高,脆性剝落區(qū)的則下降,微坑的尺寸和數(shù)量減少,凹凸感明顯減輕,有效改善了切割面的表面形貌,進(jìn)給方向的表面粗糙度值下降了20.35%,線鋸方向的則下降了10.45%。
(3)在金剛石線鋸線速度相同條件下,碳化硅陶瓷的表面質(zhì)量隨進(jìn)給速度從6 μm/s增加到24 μm/s而逐步降低,且工件材料脆性剝落產(chǎn)生的微坑數(shù)量及面積增大,塑性變形區(qū)面積占比逐漸減小,從而影響了工件表面形貌,導(dǎo)致進(jìn)給方向與線鋸方向的表面粗糙度值分別上升了12.07%和3.91%。
(4)當(dāng)進(jìn)給速度與線速度比值R為常數(shù)2×10-5,增大進(jìn)給速度與線速度時(shí),碳化硅陶瓷的表面形貌略微改善,工件表面粗糙度值略有降低;二者數(shù)值繼續(xù)增大超過(guò)其臨界點(diǎn)時(shí),工件表面粗糙度值略有上升,表面質(zhì)量略有下降。但總的來(lái)說(shuō),進(jìn)給速度與線速度比值R固定,改變進(jìn)給速度與線速度值,工件表面質(zhì)量基本維持在同一水平。