電鍍金剛石線切割YAG晶體的失效機理研究

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)

電鍍金剛石線切割YAG晶體的失效機理研究

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)

采用高強度鋼絲作為基體,表層電鍍鎳,同時固結(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上,對YAG晶體進行不同參數(shù)下的切割實驗,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)圓鋸片切割機和外圓鋸片切割機,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廢,已經(jīng)不能滿足日益增長的市場需求。相對YAG晶體傳統(tǒng)的加工方式,金剛石線鋸機具有切縫小、切割效率高等優(yōu)點[1]。金剛石線切割又分為往復式和環(huán)形,往復式金剛石線相對于傳統(tǒng)的鋸片切割更加細,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,往復式金剛石線的切割效率非常低,進刀速度低于0.5mm/min,相對于傳統(tǒng)加工沒有明顯的速度優(yōu)勢。由于進刀速度慢,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50m/s,金剛石線直徑為0.7mm,金剛石線總長為4000mm。相對于往復式,環(huán)形金剛石線的線速度是往復式的2～3倍,加上金剛石線的直徑大,可承受的拉力更大,進刀速度可以更快。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,都會有一定的剩余廢料,很難充分利用,所以較大的切縫不會影響它的成品率。理論上,高效率的磨削切割,同時意味著快速的磨損,金剛石線同樣很快就磨損直至金剛石磨粒被耗盡。實際切割時,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。本文主要針對金剛石線的斷裂行為進行研究,為提高金剛石線的壽命提供依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

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

1.2 切割實驗設(shè)備

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

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

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

1.3 切割實驗參數(shù)設(shè)計

工件為提拉法生長的YAG晶體,該YAG晶胚是一個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,線速度在20～30(m/s)之間,進給速度為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的受力模型

電鍍金剛石線切割YAG晶體時受到多個力的作用,有張緊力、進給壓力以及彎曲應力等,如圖(3)所示。圖中F1和F2是線鋸切割過程中鋸切點兩邊的拉力,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為線鋸受到工件進給運動而發(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)切割時的受力分析,可得出公式:

將公式(1)進行簡化,求得:

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

式中:σ1為金剛石線拉應力,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,本實驗中的金剛石線鋸機的導輪設(shè)計成相同尺寸,所以在計算金剛石線彎曲應力時,以工作輪為準,根據(jù)材料的彎曲應力公式,如下:

式中:σ2為金剛石線的彎曲應力,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,即為導輪半徑。

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

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

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

式中:σ為實際測量抗拉強度,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)計算得出,實際的抗拉強度為1528MPa。

圖4 拉伸試驗曲線圖Fig.4 curve chart of tensile test

文獻[4]針對環(huán)形電鍍金剛石線鋸,應力安全系數(shù)取1.1,在實驗測得的實際抗拉強度下,金剛石線所受的拉應力之和不得大于實際測量的抗拉強度,如下:

將式(3)和式(4)代入到式(6)中,得:

切割時,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[5],實際切割時,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,切割時控制在5°以內(nèi),式(7)簡化為[2]:

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

2.2 電鍍金剛石線的斷裂模式

經(jīng)過YAG晶體的切割實驗,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,導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間的切割中被磨損磨平或脫落,最終鍍層和基體被磨斷。實際切割過程中任何一種斷裂形式都會迫使切割進程的終止,影響工件切割質(zhì)量,甚至造成生產(chǎn)事故。因此,有必要對兩種斷裂形式發(fā)生的誘因和機理進行分析。

2.2.1 電鍍金剛石線的拉斷

切割過程中采用的是恒速進給方式,在單位時間內(nèi),當切割量小于工件的進給量時,金剛石線會逐漸彎曲[6],彎曲角度α和β也會逐漸增大。當增加到一定程度,超過金剛石線最大的允許強度,金剛石線就會被拉斷,而且斷裂處一般是最脆弱的焊接口處。本切割實驗,針對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)過試驗對比,采用冷卻油和乳化液冷卻時,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。對比之下,采用水冷,切割質(zhì)量和效率卻能達到預期效果,線鋸壽命較長。對實驗結(jié)果進行對比分析,前兩種(冷卻油和乳化液)冷卻方式的金剛石線,進行分析發(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,無法對工件進行磨削切割。然而,工件一直繼續(xù)進給,金剛石線無法切割進給的工件,彎曲角度α和β逐漸變大,最終被強行拉斷失效。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,機械性能下降,抗拉強度大大降低,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,進行正常的切割實驗。在相同的實驗條件下切割YAG晶體,一直到金剛石線拉斷為止。對拉斷的金剛石線斷口進行檢測分析,得知,金剛石線如此的斷裂,屬于正常失效模式。切割實驗參數(shù)設(shè)置如下,金剛石線的線速度為30m/s,進給速度分別為3mm/min、5mm/min和8mm/min,采用水冷。經(jīng)過多次切割試驗發(fā)現(xiàn),進給速度為3mm/min和5mm/min實驗結(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: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。進給速度為8mm/min時,金剛石線短時間內(nèi)就被拉斷,壽命遠小于正常值,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的受力模型,進行受力分析,結(jié)合多組參數(shù)和不同環(huán)境下的切割實驗,研究了電鍍金剛石線在切割YAG晶體時的斷裂失效模式,得出如下結(jié)論:

(1)YAG晶體切割實驗結(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。當切割參數(shù)設(shè)置不合理,或者選用的冷卻液具有強黏性時,導致切割率低于進給量,金剛石線受到的拉應力超出許用應力,而發(fā)生非正常拉斷;當切割參數(shù)和冷卻液都合理,金剛石線經(jīng)過長時間磨損,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,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。這兩個因素也是制備金剛石環(huán)線的重點和難點。

[1] 張夢駿,孫玉利,等.金剛石線鋸切技術(shù)研究進展[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,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,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(制動盤)是其至關(guān)重要的安全零件。隨著環(huán)境保護對汽車材料輕量化的需求,汽車零部件制造工藝在不斷更新,相應剎車盤對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,汽車剎車盤對兩端面表面的加工質(zhì)量要求很嚴:表面粗糙度為Ra1.6,兩制動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對形位公差車削加工的需求。

(中國刀具商務網(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)形金剛石線鋸機的切割機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晶體的失效機理研究[J].超硬材料工程,2015,27(5):13-17.