二維超聲振動輔助線切割機理與試驗研究

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(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

二維超聲振動輔助線切割機理與試驗研究

李偉,夏鑫杰，郭東訓

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

為了提高線切割加工的效率與效果，提出了二維超聲振動線切割技術，從理論上對該技術加工機理與工藝進行探討，利用Matlab軟件進行仿真，對二維超聲振動線切割中單顆磨粒的運動軌跡進行分析研究，從理論上證明二維超聲振動線切割優于普通線切割和一維超聲振動線切割.并利用自行研制的多線切割機模擬機進行切割實驗，對比這三種切割方式，研究不同加工工藝參數對切割效率與加工表面質量的影響.實驗結果表明:相同加工條件下，一維超聲振動線切割相對于普通線切割，切割效率和表面質量都有明顯提升，二維超聲振動線切割相對于一維超聲振動，大大提高了加工表面質量，切割效率有小幅提升.

超聲振動；線切割；加工效率；表面質量

近年來硬脆材料，尤其是非金屬、非導電材料以及半導體等材料，例如玻璃、各種石材、寶石和硅晶體等，它們的硬度、脆性、耐磨性、抗蝕性和抗氧化性等都比較高，由于這些獨特的性質，這些特殊材料在軍用及民用工業等領域應用越來越廣泛，相應的對加工要求也越來越高[1-2].因此，如何提高切割硬脆材料的切割效率、質量和精度，已經成為急需解決的問題.目前，工業上對于大直徑的硬脆材料切片，普遍采用的是往復式游離磨料線切割技術.但是這種技術存在鋸絲使用壽命短，走線速度低，磨漿的處理和回收成本較高，切割大尺寸坯料時磨料難以進入到長而深的切縫中等問題[3-4].因此，提出了采用固結磨料的電鍍金剛石線鋸來代替游離磨料線鋸，可以很好地解決磨漿污染和硅晶片直徑尺寸日益增大等問題.固結磨料線切割技術相對比于游離磨料線切割技術，具有效率高、切片薄、省材料和加工表面損傷小等優點.這種線鋸結構簡單，對提高加工硬脆材料技術有重要的意義.除此之外，日本等國家已經實際應用超聲振動切割硬脆材料，相關的研究和實驗指出，施加超聲振動切割的效率是不加振動切割的2～3倍左右，并且可減小切削力，提高切割精度和工具壽命[5-6].因此，筆者提出了一種新型的基于二維超聲振動輔助下的電鍍金剛石線切割技術，并從理論上分析了二維超聲振動電鍍金剛石線切割加工機理，通過比較一維超聲振動線切割，二維超聲振動線切割，以及普通線切割等3種多線鋸加工方式的對比實驗，證明了二維超聲振動電鍍金剛石線切割加工具有良好的切割加工效率與加工表面質量.

1 二維超聲振動線切割機理

二維超聲振動線切割是指在工件上加上一個與工件垂直的徑向振動和一個平行于線速度方向的切向振動.為了便于分析，建立如圖1所示二維超聲振動平面切削工件時的單顆磨粒的運動示意圖.圖1中v為線速度，u為金剛石線鋸的進給速度，f1，f2分別代表沿X，Z軸的超聲振動(頻率為f,振幅分別為A，B).

圖1 單顆磨粒的運動示意圖Fig.1 The motion diagram of single abrasive grain

可以得出二維超聲振動線切割中單顆金剛石磨粒的運動軌跡方程為

(1)

式中：φ為兩個超聲振動的相位差；t為運動時間.根據以上運動方程，為了從微觀上能清晰地看出軌跡，假設：線速度僅為進給速度的10倍，v=10 μm/s，u=1 μm/s，A=B=10 μm，t=8 s，φ=0.5π，f=20 000 Hz，通過Matlab軟件進行仿真分析，得出二維超聲振動時單顆磨粒的運動軌跡為螺旋線，如圖2所示.

圖2 三種切割方式單顆磨粒運動軌跡Fig.2 The motion trajectory of three cutting ways of single abrasive grains

從圖2可得：二維超聲振動磨粒運動軌跡長度>一維超聲振動磨粒運動軌跡長度>不加振動磨粒運動軌跡長度.說明二維超聲振動切割效率最大，一維超聲振動次之，不加振動切割效率最低，且二維超聲振動運動軌跡之間存在相互干涉，有利于提高切割效率和表面質量.

由于施加徑向振動，使磨粒的最大切削深度增加，周期性地改變了磨粒的切削深度，致使磨粒和工件之間發生周期性分離現象.因此，磨粒將會對工件產生沖擊、錘擊和空化等作用，致使橫向裂紋進一步擴展，加速了材料的去除，這是切割效率增大的主要原因.

由于施加切向振動，當切向振動與線速度方向相反的時候，即由于切向振動的存在，金剛石顆粒與工件將在同一質點位置進行重復切削，隨著超聲振動的周期性變化這樣的切削現象也會重復出現，即金剛石顆粒在切削區內進行了多次“光磨”，對已加工表面進行了多次的熨壓作用，稱之為超聲振動的“一次切削多次光磨”作用[7-8].很明顯這種切割方式與磨粒只是單純的切入切出的普通切割相比，對于提高加工表面質量具有非常重要的意義，不僅可以減輕表面變質層，而且能夠降低切削表面粗糙度，很大程度地提高切削表面的質量.此外，由于金剛石顆粒數次光磨的微量切削作用，也會在一定程度上增大材料去除率.當切向振動與線速度方向相同的時候，會使金剛石顆粒提早切離切削區，縮短了相對的切削作用時間，有利于降低切削表面損傷，能提高工件表面的加工質量.

二維超聲振動線切割技術，在工件上加上一個徑向振動和切向振動，使磨粒和工件周期性分離，并兼具“一次切削多次光磨”的特點.在二維超聲振動線切割過程中，由于超聲振動頻率高達20 kHz左右，引入二維超聲振動，大大提高了單位時間內金剛石顆粒的加載卸載頻率，增大了單顆金剛石磨粒相對切削區域，同時動態有效的磨粒數大大增多.微觀上金剛石顆粒與工件一直處于接觸、切削和分離的高頻循環加工狀態.這樣瞬間作用力會使工件材料產生微塑性變形，并且在比較高的脈沖切削力作用下，在塑性區形成許多不同層次分布的微小橫向裂紋，所受的高頻沖擊作用越強，則工件材料產生的微裂紋也越多，形成切屑的尺寸也越小，材料去除率越高.因此，二維超聲振動多線切割可以增加材料去除率，提高表面質量.

2 實驗裝置與實驗條件

2.1 實驗裝置

本次實驗實驗裝置主要包括自制多線切割機模擬機，20 kHz超聲波發生器，自行研制的超聲波振動臺，換能器，變幅桿，Mitutoyo SJ-412型粗糙度測量儀，基恩士VW系列高速攝像機等.該裝置采用單線走絲模式，避免多線走絲過程中斷線問題，便于實驗研究.切割線采用的是線徑0.25 mm的電鍍金剛石線.實驗裝置如圖3所示.

1—超聲波電源；2—線切割機；3—超聲波振動臺；4—切向換能器、變幅桿；5—軸向換能器、變幅桿圖3 實驗設備Fig.3 Experimental equipment

2.2 實驗條件

工件的表面粗糙度采用Mitutoyo SJ-412型粗糙度測量儀進行測量，取5次測量值的平均值，切割效率采用高速攝像機進行測量，通過高速攝像機放大功能，測量出單位時間內切削的厚度[9-10].切割加工試件為K9光學玻璃(50 mm×50 mm×10 mm)，加工參數如表1所示.

表1 鋸切條件和加工參數Table 1 Cutting conditions and processing parameters

3 實驗結果與分析

3.1 進給速度對表面粗糙度和切割效率的影響

當走線速度為2.2 m/s，超聲波功率比例為100%時，在其他實驗參數及條件相同的情況下，分別在不同的進給速度下對工件進行切割，探究進給速度和表面粗糙度的關系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實驗結果，如圖4所示.

圖4 進給速度與粗糙度的關系Fig.4 Relationship of feed rate and surface roughness

從圖4可知：在其他加工條件相同的情況下，隨著進給速度的增大，不加振動、加一維振動和加二維振動等三種情況表面粗糙度的變化趨勢基本相同，且都是隨著進給速度的增大而增大，但是當進給速度大于1 mm/min時，開始呈現下降趨勢.整體上加一維振動粗糙度要比不加振動低15%～36%左右,加二維振動要比加一維振動低22%～39%左右.其原因可能是工件對鋸絲的壓力隨著進給速度的增大而增大，同時金剛石磨粒作用在工件表面的力也隨之增大，使金剛石磨粒嵌入工件的切削深度增加，增大了磨粒的機械去除作用，粗糙度隨之增大.但是隨著進給速度增大到達一定值時，鋸絲與工件之間的作用力逐漸增大，鋸絲變形程度也隨之加大，減小了振動，提高了表面質量，降低了表面粗糙度.

當走線速度為2.2 m/s，超聲波功率比例為100%時，在其他實驗參數及條件相同的情況下，分別在不同的進給速度下對工件進行切割，探究進給速度和切割效率的關系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實驗結果，如圖5所示.

圖5 進給速度與切割效率的關系Fig.5 Relationship of feed rate and cutting efficiency

從圖5可知：在其他加工條件相同的情況下，不加振動、加一維振動和加二維振動的切割效率都隨著進給速度的增大而增大，但是當進給速度增大到一定值后，切割效率趨于平穩.整體上加一維振動比不加振動效率高36%～51%，當進給速度低于0.4 mm/min時，加二維振動和加一維振動效率持平，當進給速度大于0.4 mm/min時，加二維振動比加一維振動效率提高10%左右.主要原因是:金剛石磨粒的切削深度隨著進給速度的增大而增大，使單位時間材料去除率提高，切割效率隨之提高，但是當進給速度增大到一定值后，切削深度達到臨界深度后基本不變，所以切割效率也基本不變.

3.2 走線速度對表面粗糙度和切割效率的影響

當進給速度0.8 mm/min時，超聲波功率比例為100%時，在其他實驗參數及條件相同的情況下，探究走線速度與粗糙度的關系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實驗結果，如圖6所示.

圖6 走線速度與粗糙度的關系Fig.6 Relationship of wire rate and surface roughness

從圖6可知：在其他加工條件相同的情況下，隨著走線速度的增大，不加振動、加一維振動和加二維振動的粗糙度隨之下降，不加振動的下降幅度大，而加上一維振動和二維振動后，粗糙度的變化趨勢比較平緩，但是走線速度超過2.6 m/s后，不加振動的粗糙度突然開始上升，而加一維振動和二維振動的粗糙度基本不變.總體而言，加一維振動比不加振動低26%～42%.加二維振動比加一維振動低16%～29%.其主要原因是金剛石磨粒切削厚度隨著走線速度的增大而減小，使粗糙度減小.當速度超過2.6 m/s后，粗糙度開始增加，可能是走線速度增加使鋸絲與工件沖擊力增大，產生共振，整個系統振動加劇，破壞了相對的切割位置.而加上超聲振動輔助，系統振動影響減小，所以粗糙度基本不變.

當進給速度0.8 mm/min時，超聲波功率比例為100%時，在其他實驗參數及條件相同的情況下，探究走線速度與切割效率的關系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實驗結果如圖7所示.

圖7 走線速度與切割效率的關系Fig.7 Relationship of wire rate and cutting efficiency

從圖7可知：在其他加工條件相同的情況下，隨著走線速度的增大，不加振動、加一維振動和加二維振動的切割效率隨之增大，當走線速度達到一定值后，切割效率趨于平穩.加一維振動比不加振動切割效率高36%～58%.加二維振動比加一維振動切割效率高5%～10%.主要原因是隨著走線速度的提高，單位時間內參與切割的金剛石磨粒數增加，可見提高走線速度能增加切割效率.但是過高的鋸絲速度會引起系統和鋸絲的振動，使切割效率提升不明顯，甚至出現不增反降的現象，可能是鋸絲上金剛石顆粒受到的沖擊作用增強，從而加劇了金剛石顆粒的磨損，使切割效率下降.

3.3 超聲波功率對表面粗糙度和切削效率的影響

當進給速度為0.8 mm/min，走線速度為2.2 m/s時，在其他實驗參數及條件相同的情況下，探究超聲波功率比例與粗糙度的關系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實驗結果，如圖8所示.

圖8 超聲波功率與粗糙度的關系Fig.8 Relationship of ultrasonic power and surface roughness

從圖8中可知：其他條件相同的條件下，隨著超聲波功率比例增加，粗糙度呈現下降趨勢，當超聲波功率比例為60%時，粗糙度最低，比不加振動降低63%左右，當超聲波功率比例超過60%后，粗糙度開始增加.其主要原因是:隨著超聲波功率比例增加，超聲振動振幅增大，超聲輔助作用增強，粗糙度迅速下降，之后由于超聲振幅過大，導致切削深度過大，粗糙度開始增大.

當進給速度為0.8 mm/min，走線速度為2.2 m/s時，在其他實驗參數及條件相同的情況下，探究超聲波功率比例與粗糙度的關系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實驗結果，如圖9所示.

圖9 超聲波功率與切割效率的關系Fig.9 Relationship of ultrasonic power and cutting efficiency

從圖9可知：其他條件相同的條件下，隨著超聲波功率比例增加，切割效率呈現上升的趨勢，當超聲波功率比例大于80%后，切割效率增加不明顯.其原因主要是隨著超聲波功率比例增加，超聲振動振幅增大，超聲輔助作用增強，切削深度增加，切割效率增大，當超聲波功率比例達到80%后，切削深度基本達到臨界切削深度，切割效率增大不明顯.

4 結 論

通過線切割實驗研究普通線切割以及超聲波輔助線切割工藝參數變化對切割效率、表面粗糙度的影響，獲得以下實驗結論：其他條件相同的情況下，加一維振動粗糙度要比不加振動低15%～63%,加二維振動的表面粗糙度要比加一維振動低16%～39%；加一維振動切割效率比不加振動高36%～58%，而加二維振動切割效率比加一維振動高5%～10%；粗糙度隨著進給速度的增大而增大，隨著走線速度增大而下降，當走線速度超過2.6 m/s后，不加振動的粗糙度開始急劇上升，而加超聲振動的粗糙度基本不變.切割效率隨著進給速度的增大而增大，當進給速度超過1 mm/min后，切割效率基本不變；加工表面粗糙度隨著走線速度的增大而下降，不加振動的下降幅度較大，而加上一維振動和二維振動后，粗糙度的變化趨勢比較平緩.切割效率隨著走線速度的增大而增大，當走線速度超過2.2 m/s后，切割效率變化趨于平穩；加工表面粗糙度隨著超聲波功率比例增加而下降，當超聲波功率比例為60%左右，粗糙度達到最佳，之后開始上升.切割效率隨著超聲波功率比例增加而上升，當超聲波功率超過80%后開始趨于平穩.

[1] 李偉，戴杰.BCB砂輪ELID磨削單晶硅工藝實驗研究[J].浙江工業大學學報，2016，44(3):275-279.

[2] 蔡二輝.晶體硅的金剛石線鋸切割性能研究[D].南昌：南昌大學，2011.

[3] 岳偉棟，劉志東.固結磨料金剛石線切割技術的現狀與發展[J].金剛石與磨料磨具工程,2014,34(6):69-76.

[4] 史越.游離磨料線切割硅片表面粗糙度的理論分析及實驗研究[D].廣州：廣東工業大學，2014.

[5] CHEN Kexun， LIU Yunyu， WANG Xusheng， et al. Novel texturing process for diamond-wire-sawn single-crystalline silicon solar cell[J]. Solar energy materials & solar cells,2015，133(1)：148-155.

[6] 張遼遠，韓東澤.電鍍金剛石線鋸超聲振動切割多晶硅材料工藝研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2003,33(1):65-70.

[7] 閆艷燕.納米復相陶瓷二維超聲振動輔助磨削機理及其表面質量研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[8] 楊揚，左敦穩，孫玉利，等.金剛石線鋸鋸切微晶玻璃正交試驗研究[J].金剛石與磨料磨具工程,2012,32(1):4-8.

[9] 許敏界.面向多線鋸超聲振動臺研制及其超聲加工機理研究[D].杭州：浙江工業大學，2015.

[10] 李言，王肖燁，李淑娟，等.超聲輔助線鋸切割SIC單晶實驗研究[J].人工晶體學報,2012,41(4):76-82.

Experimentalstudyontwo-dimensionalultrasonicvibrationaidedwiresawcuttingprocessmechanism

LI Wei, XIA Xinjie, GUO Dongxun

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

In order to improve the efficiency of wire saw cutting process, the two-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting technology was proposed. In this paper, the mechanism of this technique are studied by analyzing of the motion trajectories of single abrasive grains cutting process with 2D ultrasonic vibration and simulated by a software of Matlab, it’s theoretically proved that the two-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process is superior to ordinary wire saw cutting and one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process. And the cutting experiments were carried out by an analog multi-wire saw cutting machine. Compare three cutting method results with the different processing parameters in the cutting process, the experimental results showed that, compared to ordinary wire cutting process the machining efficiency and surface quality of the one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process have been improved significantly. And the two-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process have the more superior machined surface quality and cutting efficiency relative to the one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process.

ultrasonic vibration; wire saw cutting; machining efficiency; surface quality

2016-12-15

國家自然科學基金資助項目(50775207)

李 偉(1961—)，男，吉林梅河口人，教授，研究方向為超精密加工技術，E-mail：weilihz@163.com.

TH161+.1

A

1006-4303(2017)06-0639-05

(責任編輯：陳石平)