金剛石線鋸成形切割工程陶瓷圓弧試驗研究

王亞帥，王燕青，楊勝強

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

隨著高端裝備制造、先進制造和智能制造技術的發展以及航空航天、航海、通信、激光等技術的興起，對機械零部件的材料提出了更高的要求，從而促進了高頻絕緣陶瓷、壓電陶瓷、磁性材料、氧化鋁、氧化鋯、碳化硅等硬脆材料的應用日益廣泛，由文獻［1］可知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、有良好的自潤滑性等優點。在國防領域中，為滿足裝備發展的需求，其中的先進陶瓷材料發揮了關鍵作用，主要應用在軍用發動機、導彈和軍用衛星、超高溫陶瓷材料及陶瓷裝甲、航空航天領域等方面［1］，對于氧化鋁、氧化鋯、陶瓷玻璃等工程陶瓷其圓形零件的成形加工目前主要是燒結成形工藝，還沒有學者對金剛石線鋸成形加工硬脆材料（線鋸走曲線切割軌跡）進行研究，與電火花線切割機床利用數控編程驅使X、Y工作臺做多段線圓周運動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工作臺做圓周運動成形加工圓形零件時由于其線弓存在的原因，最終切割不了圓形，而且會把上下導絲輪磨損導致其失效，這種加工硬脆材料圓形零件的方法不可取。

金剛石線鋸切割［2］是一種新型加工硬脆材料的切割技術，具有切割效率高、表面質量好、切割線使用壽命長、環境污染小等優點，因而受到廣泛重視。國內外學者都在研究陶瓷材料的金剛石線鋸加工技術，但絕大多數研究都集中在其直線軌跡切片上［3］，很少有人研究硬脆材料的曲線軌跡等圓弧成形加工。文獻［4-5］主要研究了金剛石線鋸切割碳纖維復合材料的鋸切工藝及其直線切縫軌跡；文獻［6］研究了金剛石線鋸切割硅片過程中的線速度對金剛石線鋸的磨損情況以及硅片表面質量的影響；文獻［7］利用環形電鍍金剛石線鋸對硬脆材料單晶硅、LT55陶瓷進行切割，研究了鋸切力、材料加工表面質量及鋸絲的磨損；文獻［8］為探究線鋸鋸切工藝參數對多晶硅切片表面特性的影響規律，揭示電鍍金剛石鋸絲的磨損機理，開展了光伏多晶硅的電鍍金剛石線鋸切片試驗。

由文獻［1］可以知道傳統工程陶瓷的圓形零件成形加工方法有：（1）電鍍金剛石薄壁鉆，其缺點是噪音大、表面粗糙度差、切縫大、浪費材料等［8］，且易出現崩裂現象，難以應用于加工大直徑陶瓷件；（2）水射流切割，其缺點是水射流直徑大，切口寬度大，易發生切割面上緣塌肩，且切割面傾斜、切割面粗糙度大、有缺口；（3）激光加工，其缺點是加工成本高，激光器維護耗損大，主機耗電量大，不能切割大厚度陶瓷工件；（4）超聲加工，其缺點是加工速度慢、加工效率低。

金剛石線鋸加工作為一種新的硬脆材料成形加工方法，探索其曲線加工軌跡，并進行其圓形零件加工工藝試驗研究［9］，拓展該加工方法的應用范圍和加工能力具有重要意義。為此，基于由中走絲電火花線切割機床改裝而成的單線往復式金剛石線鋸切割機床對硬脆材料剛玉進行圓形工件切割加工，開展單因素工藝試驗，探究金剛石線鋸切割線速度、C軸轉臺轉速、金剛石線鋸的張緊力對金剛石線鋸切割的剛玉圓弧面影響規律。

2 加工試驗及條件

試驗在江蘇泰州冬慶數控機床有限公司生產的DQE系列中的型號為DK7740Z中走絲電火花線切割機床改裝而來的金剛石線鋸切割數控中走絲線切割機床上進行，試驗平臺，如圖1所示。圖1的機床上集成了C軸轉臺裝置，轉臺采用渦輪蝸桿進行減速，并采用100W富士伺服電機驅動，電機額定轉速3000r∕min；工作臺有效負載5kg，重復定位精度±0.003°，定位精度0.01°，端面跳動15μm。

圖1 金剛石線鋸切割剛玉圓弧面試驗裝置Fig.1 Experimental Device for Cutting Corundum Arc Surface with Diamond Wire Saw

切割的工件形狀精度用日本基恩士公司生產的LK-G85高速、高精度激光位移傳感器測量，并可通過對應的LK-Navigator軟件對測量數據進行顯示和保存，激光位移傳感器安裝于2維微動臺上用于調整測量點位置。

金剛石線為蘇珀新材料有限公司生產的直徑φ0.18mm電鍍金剛石線，通過測試最大張緊力拉斷試驗可知金剛石線的最大張緊力為35N；工作液為自來水；試驗工件為（60×33×6）mm的剛玉長方體，其切割加工出圓弧半徑為65mm的六分之一圓弧。

初始加工時，通過搖動機床工作臺的手輪調整鋸絲位置，用激光位移傳感器發出的激光點保持鋸絲與轉臺圓心在一條直線上，切割時線鋸絲處于豎直狀態不動，轉動轉臺使其形成切圓；隨著加工的進行線弓逐漸形成，并最終形成穩定線弓，工件的切割速度與轉臺進給速度匹配，實現穩定加工。

3 試驗設計

在前期的研究中我們發現，在金剛石線切割圓弧工件過程中，影響其形狀精度的因素主要有張緊力、線速度、C軸轉臺的轉速。因此，開展單因素試驗，研究3個工藝參數對工件切割表面輪廓形狀、加工效率、線弓角度、表面粗糙度、表面形貌的影響［10］。加工試驗參數，如表1所示。

表1 加工試驗參數Tab.1 Processing Test Parameters

3.1 工件輪廓形狀測量

徑向跳動由激光位移傳感器測量數據點所得，測量時，激光位移傳感器采集并記錄1萬多個位置點的距離值，其輪廓測量原理，如圖2所示。首先測量初始加工面，并設置初始加工面位置為0，然后轉動轉臺依次采集加工面數據。依據控制器參數設置情況，當激光位移傳感器數據小于0時，表示所測位置的直徑小于初始加工位置處的直徑；反之，當激光位移傳感器測量數據大于0時，意味著所測位置處的半徑大于初始加工位置的半徑。因此，激光位移傳感器所采集的數據信息可用于反映工件的輪廓形狀及其精度。工件輪廓形狀測量示意圖，如圖2所示。

圖2 加工輪廓測量示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Profile Measurement

3.2 線弓角測量

線弓角度測量方法，如圖3所示。測量線弓方法為：當切割加工終止時，瞬時停止轉臺轉動，線鋸絲恢復豎直狀態，移動金剛石線至工件上的終止加工位置，采用線切割機床工作臺的手輪分別記錄移動前后機床的坐標位置（手輪上自帶刻度每圈4mm，刻度盤上分400格，每格位移為0.01mm），坐標位置差即為線弓在X、Y方向的偏移距離。然后，依據上下導輪間距Z（由刻度尺測量出其距離）分別計算X、Y方向的線弓角：

圖3 金剛石線鋸切割剛玉圓弧面原理圖Fig.3 Schematic Diagram of Diamond Wire Saw Cutting Corundum Arc Surface

式中：θX—X方向線弓角度；θY—Y方向線弓角度；GX—金剛砂線在X方向的偏移距離；GY—金剛砂線在Y方向的偏移距離；Z—上下導絲輪的間距。

3.3 切割效率

切割效率為每秒內的切割面積，采用秒表測量初始加工到切割完成所用時間t，切割面積是半徑r為65mm的六分之一圓弧面的面積，通過測量可知n=60°，h=6mm，可以用圓弧面積公式計算得出l=(nπr)∕180=(65∕3)π，S=l×h=130π=408mm2，所以切割效率可由公式η=S∕t計算得出。

3.4 表面粗糙度測量及表面形貌觀察

表面粗糙度采用德國馬爾PS1粗糙度測量儀進行測量，多次測量取平均值；表面形貌采用SEM 掃描電子顯微鏡進行掃描觀測拍攝照片。

4 試驗結果與分析

4.1 金剛石線線速度的影響

在表1 條件下，保證轉臺轉速為1r∕h，金剛石線張力為15N時，改變金剛石線切割的線速度，進行剛玉工件圓弧切割試驗，激光位移傳感器所采集的數據，如圖4所示。不同線速度下的徑向跳動極差值，如圖5所示。從圖5可以看出：當線速度越大時，工件加工面的直徑變化范圍越小。當絲速最小為1.12m∕s時，加工面的直徑徑向跳動極差值為2.30mm，加工精度較差；而當絲速最大為11.2m∕s時，加工圓弧面的直徑徑向跳動極差值為0.10mm，精度得以改善和提高。因此，在本試驗條件范圍內，線速度越大陶瓷圓弧圓度越好。

圖4 不同線速度下切割表面的徑向跳動Fig.4 Radial Runout of Cutting Surface at Different Wire Speeds

圖5 不同線速度下徑向跳動的極差值Fig.5 Range Values of Radial Runout at Different Wire Speeds

表1的4種絲速條件下，依據加工時間分別計算的加工效率，如圖6所示。從圖6中可明顯看出：金剛石線絲速增大，切割加工效率增大，但絲速大于8.96m∕s 后切割效率增大增幅逐漸變緩。線速度越大時，單位時間內切割工件的金剛石顆粒數目越多，對工件材料的磨削去除量越多，因此加工效率越高。

圖6 不同線速度下的切割效率Fig.6 Cutting Efficiency at Different Wire Speeds

不同切割絲速條件下，線弓角度變化，如圖7所示。由圖7可知：隨著絲速增大，X、Y方向的線弓角先是快速減小，然后減速減緩。金剛石線切割中，在線張力一定的條件下，線弓角的大小決定了金剛石線與工件間正壓力的大小，正壓力越大切削深度越大，材料的去除量也越大。當金剛石線線速度較小時，材料切割速度慢，而轉臺的進給速度保持不變，材料的去除效率低于工件的進給速度，因而在X、Y方向的線弓角將增大，即轉臺進給速度一定的條件下線弓角度隨金剛石線的速度減小而增大。

圖7 不同線速度下的線弓角度Fig.7 Bow Angles at Different Wire Speeds

不同線速度下圓弧面的表面粗糙度值，如圖8所示。圖8中的線速度越大，圓弧表面粗糙度越低，表面質量越好。

圖8 不同線速度下的表面粗糙度Fig.8 Surface Roughness at Different Wire Speeds

不同線速度下的加工表面形貌，如圖9所示。

圖9 不同線速度下的加工表面形貌Fig.9 SEM Micrographs of Machined Surface Machined at Different Wire Speeds

從圖9可以看出：在絲速較小的條件下，加工表面產生的條紋較明顯，而絲速較快時條紋不明顯，加工表面質量也較好。當金剛石線往復換向切割時，工件持續進給，但換向時存在金剛石線速度變為0然后增大的過程，這一過程中的工件對金剛石線施加額外的力。條紋間距取決于絲速和絲筒上的絲長，在絲長保持不變的情況下，絲速越慢條紋間距越大；當絲速較高時，條紋間距變小，在加工表面上表現得越不明顯，加工表面質量相對較好［11］。

4.2 轉臺轉速的影響

保證表1 中的金剛石線張力為15N，金剛石線的線速度為11.2m∕s，僅改變轉臺轉速，激光位移傳感器采集的數據，如圖10所示。不同轉臺轉速下的徑向跳動極差值，如圖11所示。由圖10、圖11可看出：轉臺轉速越小，徑向跳動極差值越小，圓弧的圓度越好。

圖10 不同轉速下切割表面的徑向跳動Fig.10 Radial Runout of Cutting Surface at Different Rotating Speeds

圖11 不同轉速下切割表面的徑向跳動極差Fig.11 Radial Runout Range of Cutting Surface at Different Rotating Speeds

表1的4種轉臺轉速條件下，依據加工時間分別計算的加工效率，如圖12所示。從圖12中可以看出：隨著轉臺轉速的增大，切割加工效率逐漸增大。金剛石線線速度一定時，隨著轉臺轉速增大，穩定加工時形成的線弓逐漸增大，在金剛石線張力一定時，金剛石線與工件之間的正壓力增大，金剛石顆粒磨削深度增大，工件材料的磨削去除量越多，因此加工效率越高。

圖12 不同轉臺轉速下的切割效率Fig.12 Cutting Efficiency at Different Rotating Speeds of Rotary Table

4種轉臺轉速下的線弓角度，如圖13所示。圖13的線弓角度變化也表明：轉臺轉速增大，X、Y方向的線弓角逐漸增大。金剛石線切割中，線張力和線速度一定時，其對工件材料的去除能力是一定的；當轉臺轉速增大時，工件的進給速度大于材料的磨削速度，因此線弓角將會增大。線弓角度的大小決定了金剛石線與工件之間的正壓力，正壓力越大切削深度越大，材料的去除量也越大，進而使得材料去除速度增大，即線張力和線速度一定時，隨著轉臺轉速的增大線弓角度逐漸增大。

圖13 不同轉臺轉速下的線弓角度Fig.13 Wire Bow Angle at Different Rotating Speeds of Rotary Table

不同轉臺轉速下的表面粗糙度結果，如圖14所示。

圖14 不同轉臺轉速下的表面粗糙度Fig.14 Surface Roughness at Different Rotating Speeds of Rotary Table

由圖14可看出：在線速度、張緊力一定時，轉臺轉速越小，表面粗糙度越好［12］。

轉臺轉速對加工表面及加工條紋的影響，如圖15所示。從圖15可以看出：隨著轉臺轉速增大，加工表面產生的條紋越不明顯，加工表面質量越高，但是換向條紋間距越來越大。絲速和絲筒上繞絲長度一定時，金剛石線往復換向一次所需時間是固定的，當轉臺轉速較小時，條紋間距較小。

圖15 不同轉臺轉速下的加工表面的SEM顯微照片（放大倍數為14倍）Fig.15 SEM Micrographs of Machined Surface Machined at Different Rotaing Speeds of Rotary Table

4.3 金剛石線線張力的影響

在保證其他參數不變的情況下，改變金剛石線鋸的張緊力的值，可研究單因素條件下張緊力對切割剛玉圓弧面圓度的影響。當轉臺轉速為1r∕h，線速度為11.2m∕s時，分別取固定裝夾工件轉臺轉速為15N、20N、25N時，激光位移傳感器所采集的數據，如圖16所示。剛玉圓弧面的圓度隨轉臺轉速變化的曲線圖，如圖17所示。由圖17可知，隨著金剛石線鋸張緊力的增大，切割剛玉圓弧面的圓度呈現逐漸變好的趨勢。

圖16 不同張緊力下切割表面的徑向跳動Fig.16 Radial Runout of the Cutting Surface at Different Wire Tension

圖17 不同張緊力下切割表面的徑向跳動極差Fig.17 Radial Runout Range of the Cutting Surface at Different Wire Tension

依據加工時間分別計算加工效率，不同線張緊力條件下的加工效率，如圖18所示。

圖18 不同絲張緊力下的切割效率Fig.18 Cutting Efficiency at Different Wire Tension

從圖18中可以看出隨著張緊力的增大，切割加工效率逐漸增大。金剛石線線速度一定時，隨著張緊力增大，穩定加工時形成的線弓逐漸減小，在轉臺轉速一定時，金剛石線與工件之間的正壓力增大，金剛石顆粒磨削深度增大，工件材料的磨削去除量越多，因此加工效率越高。不同線張緊力條件下的粗糙度值，如圖19所示。

圖19 不同絲張緊力下的表面粗糙度Fig.19 Surface Roughness at Different Wire Tension

由圖19 可以看出，在本試驗參數范圍內，隨著張緊力的增大，表面粗糙度越好。

不同張緊力條件下線弓角度的變化，如圖20所示。從圖20可以看出隨著張緊力的增大，XY方向的線弓角逐漸減小。金剛石線切割中，轉臺轉速和線速度一定時，其對工件材料的去除能力是一定的，當張緊力增大時，金剛石線與工件之間的正壓力增大，正壓力越大切削深度越大，材料的去除量也越大，進而使得材料磨削去除速度增大，即轉臺轉速和線速度一定時，隨著張緊力的增大線弓角度逐漸增大［13］。

圖20 不同絲張緊力下的線弓角度Fig.20 Wire Bow Angle at Different Wire Tension

張緊力對加工表面及加工條紋的影響，如圖21所示。從圖21可以看出隨著張緊力的減小，加工表面產生的條紋越不明顯，加工表面質量越高，但是換向條紋間距越來越大。絲速和絲筒上繞絲長度一定時，金剛石線往復換向一次所需時間是固定的，當張緊力較大時，條紋間距較小。

圖21 不同張緊力下的加工表面的SEM顯微照片（放大倍數為14倍）Fig.21 SEM Micrographs of Machined Surface Machined at Different Wire Tension

5 結論

用金剛石線鋸成形切割剛玉陶瓷圓弧工件，開展金剛石線鋸切割線速度、機床C軸轉臺轉速、金剛石線鋸的張緊力3個參數的單因素工藝試驗，研究了3個工藝參數對工件成形切割圓弧表面輪廓形狀、工件的加工效率、金剛石線的線弓角度以及工件的表面粗糙度和表面形貌的影響，得出如下結論：

（1）在給定3個工藝參數范圍內，若只有線速度或張緊力變化，而其他2個參數固定，則線速度或張緊力越大，圓弧的徑向跳動極差值越小，其圓度越好、加工效率越高；金剛石線的線弓角度越小；工件的表面粗糙度越低，其表面質量越好。

（2）線速度、張緊力2個參數一定時，轉臺轉速越小圓弧面的徑向跳動極差值越小，其圓度越好、加工效率越低；金剛石線的線弓角度越小；工件的表面粗糙度越低、表面質量越好。

（3）在絲速較小的條件下，加工表面產生的條紋較明顯，而絲速較快時條紋不明顯，加工表面質量也較好；隨著轉臺轉速增大，加工表面產生的條紋越不明顯，加工表面質量越高，但是換向條紋間距越來越大；隨著張緊力的減小，加工表面產生的條紋越不明顯，加工表面質量越高，但是換向條紋間距越來越大。