硬脆材料加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研制與應(yīng)用

王艷，宋李興，劉建國，錢煒，趙博成

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院的《機(jī)械制造技術(shù)B》是上海市課程思政改革的專業(yè)核心示范課程，也是入選2020年上海市重點(diǎn)課程建設(shè)的重要課程。該課程除了講解傳統(tǒng)的金屬切削加工方法外，還涉及到一些先進(jìn)特種加工方法的介紹。對(duì)于難加工材料比如單晶硅、碳化硅、工程陶瓷、光學(xué)玻璃等硬脆材料，其廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、航空航天、精密光學(xué)儀器等尖端儀器裝備中[1]。這一類材料具有較低的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，較高的抗壓強(qiáng)度，以及極低的斷裂韌性，特殊的力學(xué)性能會(huì)導(dǎo)致硬脆材料在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)特別容易發(fā)生脆性破碎[2]；同時(shí)，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(jī)械加工中的難題。目前，我國高校的機(jī)械制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多采用各類傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備，如磨床、車床、銑床等[3]，此類傳統(tǒng)的加工機(jī)床只適用于傳統(tǒng)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(fā)展的“新工科”實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jié)磨料鋸絲兩種。諸多學(xué)者的研究表明，相比使用游離磨料鋸絲切割，使用固結(jié)鋸絲切割具有加工效率高、鋸絲使用壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。為了進(jìn)一步提高線鋸的切割效率與降低工件表面粗糙度，有學(xué)者提出了將超聲振動(dòng)加工工藝與線鋸切割工藝相結(jié)合的超聲振動(dòng)輔助金剛石線鋸切割技術(shù)，即在線鋸鋸絲上施加垂直于鋸絲軸線方向的超聲振動(dòng)。大量實(shí)驗(yàn)表明，相比于傳統(tǒng)的線鋸切割，超聲振動(dòng)輔助線鋸切割具有高效、高精度、高質(zhì)量的加工特點(diǎn)，是對(duì)硬脆材料進(jìn)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(bǔ)硬脆材料加工與超聲振動(dòng)加工在“機(jī)械制造技術(shù)”與“精密加工技術(shù)”等機(jī)械制造類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的空白，本文提出了一種超聲振動(dòng)輔助線鋸切割硬脆材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)靈活地將線鋸切割加工與超聲振動(dòng)加工相結(jié)合，整體結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作簡便安全、環(huán)境污染小、噪聲小、易于檢修與維護(hù)，工件材料可以使用玻璃陶瓷、大理石等低成本實(shí)驗(yàn)材料，十分適合應(yīng)用于面向硬脆材料加工的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示。該平臺(tái)能加深相關(guān)專業(yè)學(xué)生對(duì)硬脆材料加工和超聲振動(dòng)加工的認(rèn)識(shí)與理解，促進(jìn)其對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的理解，使得機(jī)械制造類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程更加符合“工程教育”的培養(yǎng)目標(biāo)，推動(dòng)機(jī)械制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)裝備技術(shù)發(fā)展，為“新工科”背景下高等工程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)提供硬件升級(jí)[9-11]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

固結(jié)磨粒線鋸切割機(jī)理示意圖如圖1 所示[12]。磨粒被固結(jié)在鋸絲表面并在鋸絲的帶動(dòng)下直接劃擦工件實(shí)現(xiàn)材料的去除。超聲振動(dòng)輔助線鋸切割硬脆材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)示意圖如圖2 所示。絲筒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋸絲運(yùn)動(dòng)以提供鋸絲的線速度Vs，機(jī)床帶動(dòng)導(dǎo)輪與鋸絲靠近與遠(yuǎn)離工件提供鋸絲的進(jìn)給速度Vw，載料盤帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)或靜止以提供工件的旋轉(zhuǎn)速度nw，張緊輪提供鋸絲的張緊力。

圖1 固結(jié)磨粒線鋸切割機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of fixed abrasive wire sawing

圖2 超聲振動(dòng)輔助線鋸切割硬脆材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental teaching platform of ultrasonic-vibration-assisted wire sawing hard and brittle materials

根據(jù)超聲輔助線鋸切割工藝的加工特點(diǎn)，本文中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠很好、可控地通過改變加工參數(shù)，將工件表面形貌的變化在教學(xué)過程中展現(xiàn)出來。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要包括線鋸機(jī)床與超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)2 部分：線鋸機(jī)床為國產(chǎn)的機(jī)床產(chǎn)品，可以設(shè)置不同的Vs，Vw，nw；超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)的裝置，可以設(shè)置不同的超聲振動(dòng)的頻率f 與振幅A，主要包括超聲發(fā)生器、超聲換能器、變幅桿、微調(diào)裝置、導(dǎo)輪等；超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。微調(diào)裝置通過型材支架與線鋸機(jī)床相固定，通過微調(diào)裝置可以調(diào)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(fā)生器的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊駝?dòng)的頻率f、振幅A 信號(hào)，再通過導(dǎo)輪將超聲振動(dòng)施加到線鋸鋸絲上，機(jī)床的三爪卡盤夾緊載料盤并由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，工件粘結(jié)在載料盤上。

圖3 超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic-vibration-assistance system

2 超聲振動(dòng)輔助線鋸切割試驗(yàn)

利用工件表面形貌的變化驗(yàn)證超聲振動(dòng)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(dòng)能夠改善工件粗糙度。為了研究單個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，控制實(shí)驗(yàn)變量，采用單因素實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)說明性，減少實(shí)驗(yàn)的偶然性，進(jìn)行多組試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)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(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)加工時(shí)，為了防止單晶硅因夾持力而破碎，采用高強(qiáng)度AB 膠將單晶硅工件粘接在機(jī)床的R 軸載料盤上。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的線鋸機(jī)床為泰州市晨虹數(shù)控設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的數(shù)控單線金剛石線切割機(jī)床CHSX5630-XW，超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)的裝置，超聲振動(dòng)輔助線鋸切割硬脆材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)如圖4 所示。

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

表1 線鋸試驗(yàn)安排表Tab.1 Experimental sawing parameters of wire sawing

2.2 試驗(yàn)結(jié)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(shù)相同的試驗(yàn)結(jié)果分析超聲振動(dòng)的作用，工件表面SEM 照片如圖5 所示。利用粗糙度測(cè)量儀測(cè)量工件表面粗糙度，分析各切割參數(shù)對(duì)線鋸工藝的影響，各組試驗(yàn)得到的工件表面粗糙度結(jié)果如表2 所示。

圖5 工件表面形貌對(duì)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(fā)生了大塊的層狀剝落，而施加超聲振動(dòng)后鋸切的工件表面凹坑更加細(xì)小，疏松，邊緣模糊，說明工件發(fā)生了微細(xì)剝落。分析其原因認(rèn)為：在普通鋸切中，磨粒與工件持續(xù)接觸、擠壓，導(dǎo)致材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)橫向裂紋擴(kuò)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(dǎo)致其包絡(luò)的部分材料發(fā)生了大塊的層狀剝落，因此形成了塊狀凹坑。在超聲振動(dòng)輔助鋸切中，磨粒對(duì)工件材料作用力是間斷的高頻沖擊力，持續(xù)時(shí)間很短，材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)，橫向裂紋擴(kuò)展程度較小，但數(shù)量較多，因此形成了工件表面的大量點(diǎn)狀凹坑。

由表2 可以看出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著Vs的增加，工件表面粗糙度值減小。這是因?yàn)殡S著Vs增大，單位時(shí)間內(nèi)磨過工件表面同一位置的磨粒數(shù)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?yàn)殡S著Vw增大，單位時(shí)間內(nèi)磨過同一位置的磨粒數(shù)量減少，減弱了不同磨粒的劃痕重合作用，導(dǎo)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?yàn)殡S著nw增大，單位時(shí)間內(nèi)工件上同一位置接觸的磨粒增多，增強(qiáng)了磨粒對(duì)工件表面的反復(fù)研磨作用，降低了工件表面粗糙度值；當(dāng)切割單晶硅的切割參數(shù)相同時(shí)，超聲振動(dòng)輔助線鋸切割的工件的表面粗糙度變小。這是因?yàn)槌曊駝?dòng)使磨粒沿進(jìn)給方向高頻劃擦工件的已加工表面，增加了磨粒對(duì)工件表面的反復(fù)研磨作用，進(jìn)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(dāng)切割參數(shù)相同時(shí)，施加超聲振動(dòng)后工件表面粗糙度值平均減小約20.85%。

在實(shí)際生產(chǎn)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(xù)的研磨和拋光工序中難以去除，而超聲振動(dòng)輔助鋸切工件表面的疏松點(diǎn)狀凹坑可以在后續(xù)研磨和拋光工序中輕松去除，獲得表面質(zhì)量更高的產(chǎn)品。由此可以看出，超聲振動(dòng)輔助鋸切相對(duì)于普通鋸切的巨大優(yōu)勢(shì)，不同的切割參數(shù)對(duì)工件表面粗糙度值有不同程度的影響，可以通過試驗(yàn)得到滿足實(shí)際需求的切割參數(shù)組合。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)?zāi)軌蚍奖惚憬莸馗淖兦懈罟r，通過對(duì)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(shù)與超聲振動(dòng)對(duì)線鋸切割工藝的影響。

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的硬脆材料加工與超聲振動(dòng)加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的技術(shù)困境，本文基于超聲振動(dòng)輔助線鋸切割工藝的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型的超聲振動(dòng)輔助線鋸切割硬脆材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)中的超聲振動(dòng)輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。工件可以選用玻璃、陶瓷等廉價(jià)的硬脆材料，在切割實(shí)驗(yàn)過程中，環(huán)境污染小、噪音小，設(shè)備安裝便捷、試驗(yàn)過程操作簡單安全，適合作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)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小；隨著鋸絲進(jìn)給速度Vw的增加，工件表面粗糙度值增大；隨著工件旋轉(zhuǎn)速度nw的增加，工件表面粗糙度值減?。幌啾葌鹘y(tǒng)的線鋸切割，超聲振動(dòng)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(shù)學(xué)者的研究相近。因此，整個(gè)試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置具有很好的普適性和推廣價(jià)值，十分適合作為硬脆材料加工與超聲振動(dòng)加工的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行普及與推廣，能夠?yàn)椤皺C(jī)械制造技術(shù)B”和“精密加工技術(shù)”等機(jī)械專業(yè)制造類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供良好的硬件支持。