摘要: 為了探(tan)尋一種切縫(feng)(feng)窄(zhai)、切縫(feng)(feng)輪廓平直的(de)(de)金(jin)剛石(shi)線鋸(ju)切割(ge)工藝，將(jiang)電火花線切割(ge)機床改裝為金(jin)剛石(shi)線鋸(ju)切割(ge)機 床，并進行了金(jin)剛石(shi)線鋸(ju)恒力進給(gei)切割(ge)陶瓷的(de)(de)實驗(yan)，探(tan)究了絲(si)速(su)和(he)配重對切縫(feng)(feng)寬(kuan)度(du)和(he)切縫(feng)(feng)輪廓平直度(du)的(de)(de)影(ying)響; 用光(guang)學顯微 鏡測量切縫(feng)(feng)寬(kuan)度(du)，并觀察切縫(feng)(feng)輪廓的(de)(de)平直度(du)。實驗(yan)結果表(biao)明: 隨著絲(si)速(su)的(de)(de)增(zeng)大(da)，切縫(feng)(feng)寬(kuan)度(du)變化不明顯，隨著配重的(de)(de)增(zeng)大(da)， 切縫(feng)(feng)寬(kuan)度(du)明顯減小; 隨著絲(si)速(su)的(de)(de)增(zeng)大(da)，切縫(feng)(feng)輪廓逐漸出現鋸(ju)齒狀，隨著配重的(de)(de)增(zeng)大(da)，切縫(feng)(feng)輪廓發生彎曲甚至崩碎。
0 前言
絕緣陶瓷機械強度好、硬度高、熔點高、電阻率 高、化學穩定性好，廣泛應用于電子元器件、航天航 空、發動機耐磨件、刀具等領域[1]。但是，絕緣陶瓷 材料的硬脆性和絕緣性，使其成為難加工材料。近些 年，金剛石線鋸切割加工方法得到了快速發展，并在 切割絕緣陶瓷方面顯示出巨大優勢[2]，國內外(wai)眾多學 者(zhe)開展了(le)相(xiang)關的研究工作。
CLARK W I 等人[3]利用電鍍金剛石線鋸切割木 材和泡沫陶瓷，研究了加工參數對切削力、力比及表 面粗糙度的影響，并對線鋸磨損和切屑進行了觀察。 實驗表明，電鍍金剛石線鋸切割能顯著提升泡沫陶瓷 的切割效率，但切割木材時的線鋸壽命較短。周銳[4]以碳化硅/氧化鋁陶瓷為實驗材料，使用環形電鍍金剛石 線鋸，探究鋸絲速度、進給壓力和切削液對切割效果 的影響。實驗發現，增大鋸絲速度和進給壓力有助于 增加切割效率，但對表面粗糙度有不利影響，切削液可有效提高表面質量。CHEN W 等人[5]通過對(dui)電鍍(du)金 剛(gang)石線(xian)鋸切割(ge)多晶硅(gui)表(biao)面(mian)后殘(can)留(liu)的(de)(de)兩種鋸切痕(hen)跡進行(xing) 研(yan)究，討論了材料(liao)的(de)(de)去(qu)除(chu)機制(zhi)。實(shi)驗證明，帶有周期 性的(de)(de)毫米(mi)級(ji)鋸痕(hen)是線(xian)鋸往復(fu)運絲造成的(de)(de)，而(er)(er)微米(mi)級(ji)溝 槽是由于金剛(gang)石顆粒鋒(feng)利的(de)(de)尖端磨(mo)削而(er)(er)形成。
綜上所述，對于電鍍金剛石線鋸切割工藝的研 究，其切割材料多為硅、碳化硅與二氧化硅及其它半 導體材料[6]，而對切割絕緣陶瓷的研究很少，研究內 容也局限于材料去除率、切面質量、鋸絲的磨損以及 材料的去除機制及模型等方面，針對切縫精度的研究 很少。然而，對于陶瓷零件的切割，鋸切時的切縫精 度直接決定著切割所得零件的精度，因此，如何通過控制金剛石線鋸切割參數，以獲得高精度的切縫，對于陶瓷零件的精密加工具有重要意義[7]。切(qie)(qie)縫(feng)精度(du)主(zhu)要包(bao)括切(qie)(qie)縫(feng)寬度(du)及切(qie)(qie)縫(feng)輪廓的平(ping)直度(du)，切(qie)(qie)縫(feng)精度(du)高主(zhu)要體(ti)現為切(qie)(qie)縫(feng)窄且切(qie)(qie)縫(feng)輪廓平(ping)直。該實驗以(yi)工程中常見(jian)的氧化鋁陶(tao)瓷(ci)為實驗對象，研究絲速和(he)(he)配重對切(qie)(qie)縫(feng)寬度(du)和(he)(he)切(qie)(qie)縫(feng)輪廓平(ping)直度(du)的影響規律(lv)和(he)(he)機(ji)制，為絕緣(yuan)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)的精密(mi)切(qie)(qie)割提供(gong)可靠的理論依據和(he)(he)工藝參考(kao)。
1 金剛石線鋸切割實(shi)驗
1. 1 實驗裝置
實(shi)驗采(cai)(cai)用的(de)(de)(de)(de)裝置是(shi)在(zai)(zai)(zai)DK7720快走絲電火花線切(qie)割機(ji)床的(de)(de)(de)(de)平臺上(shang)進(jin)行改造的(de)(de)(de)(de)。對于(yu)實(shi)驗變量(liang)之一絲速(su)，為(wei)使(shi)(shi)其(qi)可調，給(gei)(gei)(gei)機(ji)床原有運絲系統加(jia)裝變頻器。對于(yu)進(jin)給(gei)(gei)(gei)方式(shi)(shi)(shi)，沒有選擇原機(ji)床的(de)(de)(de)(de)恒速(su)進(jin)給(gei)(gei)(gei)方式(shi)(shi)(shi)，而是(shi)采(cai)(cai)用了恒力進(jin)給(gei)(gei)(gei)方式(shi)(shi)(shi)。如圖1所示，在(zai)(zai)(zai)工(gong)作臺上(shang)添加(jia)直(zhi)線導(dao)軌(gui)，以砝碼(ma)作為(wei)配重，滑塊和(he)工(gong)件共同在(zai)(zai)(zai)定滑輪(lun)的(de)(de)(de)(de)引導(dao)和(he)砝碼(ma)的(de)(de)(de)(de)牽引下沿導(dao)軌(gui)做直(zhi)線運動。采(cai)(cai)用恒力進(jin)給(gei)(gei)(gei)方式(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)原因(yin)為(wei): 在(zai)(zai)(zai)這種進(jin)給(gei)(gei)(gei)方式(shi)(shi)(shi)下，陶(tao)瓷材料的(de)(de)(de)(de)去(qu)除(chu)(chu)量(liang)始終等于(yu)進(jin)給(gei)(gei)(gei)量(liang)，使(shi)(shi)整個切(qie)割過程處(chu)于(yu)穩定狀態; 同時(shi)，線鋸(ju)在(zai)(zai)(zai)水平方向(xiang)上(shang)對陶(tao)瓷施加(jia)的(de)(de)(de)(de)壓力，是(shi)決定線鋸(ju)去(qu)除(chu)(chu)材料效果的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)因(yin)素。
直線(xian)(xian)導軌(gui)使(shi)用(yong)千(qian)分表(biao)校(xiao)準，以保(bao)證其在(zai)陶瓷進給 方向的直線(xian)(xian)度，切割(ge)時使(shi)用(yong)的冷卻液為水，實(shi)驗前緊 絲，使(shi)預緊力保(bao)持在(zai)8N。電(dian)鍍金(jin)剛(gang)石線(xian)(xian)鋸參數見(jian)表(biao)1，實(shi)驗材料參數見(jian)表(biao)2。
| 線徑/mm | 粒徑/μm | 破斷拉力/N | 抗拉強度/( N·mm-2 ) |
| 0.20 ± 0.01 | 30～40 | ≥40 | 3500 |
| 尺寸/mm | 密度/( g·cm-3 ) | 硬度 | |
| 莫氏 | 維氏/HV | ||
| 150 × 102 × 26 | 3. 8 ～ 3. 9 | 7 ～ 8 | 1850 ～ 1900 |
1. 2 實驗方案
為(wei)(wei)(wei)探究絲速(su)和配重(zhong)(zhong)的變(bian)化對(dui)切縫寬度及切縫輪廓 平(ping)直度的影(ying)響(xiang)，在絲速(su)2.20m/s 下，從(cong)100g到500g等間隔(ge)選(xuan)取5個值進行實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan); 在配重(zhong)(zhong)300g下，從(cong)1.28m/s 到3.12m/s等間隔(ge)選(xuan)取5個值進行實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)。 為(wei)(wei)(wei)保證(zheng)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)數據可靠，相同參數下均做(zuo)一次(ci)重(zhong)(zhong)復實(shi)(shi)(shi) 驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，即以絲速(su)和配重(zhong)(zhong)為(wei)(wei)(wei)變(bian)量時各進行兩(liang)組實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，每次(ci) 切割(ge)時間為(wei)(wei)(wei)10min。實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)方(fang)案見表3。
| 絲速/( m·s -1) | 配重/g |
| 1. 28， 1. 74， 2. 20， 2. 66， 3. 12，2.20 | 300，100， 200， 300， 400， 500 |
切(qie)(qie)縫(feng)寬度(du)的測(ce)量(liang)和切(qie)(qie)縫(feng)輪(lun)廓(kuo)的觀測(ce)均在(zai)光(guang)學顯微鏡下放大(da)100倍進(jin)行。如(ru)圖2所示，測(ce)量(liang)切(qie)(qie)縫(feng)寬度(du)時，先用標尺在(zai)沿切(qie)(qie)縫(feng)方(fang)向(xiang)和垂直于切(qie)(qie)縫(feng)方(fang)向(xiang)標定，再從切(qie)(qie)縫(feng)入(ru)口到(dao)終點均勻取5個(ge)視(shi)野，每(mei)個(ge)視(shi)野下測(ce) 量(liang)切(qie)(qie)縫(feng)邊(bian)緣兩(liang)平行線間(jian)的距離，取其均值作為較終結果。
隨著切割的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進行，線鋸(ju)(ju)本(ben)(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磨損(sun)可(ke)能導(dao)致鋸(ju)(ju)絲開始切割時的(de)(de)(de)(de)(de)(de)直徑不同，因而對(dui)切縫(feng)寬度產生(sheng)影響。為探(tan)究(jiu)線鋸(ju)(ju)本(ben)(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磨損(sun)對(dui)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)是否有干擾，待實(shi)驗(yan)(yan)(yan)全部(bu)完成后，在絲速2.20m/s、配(pei)重100g下進行一次 重復實(shi)驗(yan)(yan)(yan)，與組實(shi)驗(yan)(yan)(yan)中(zhong)相(xiang)同參數的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結果對(dui)比后，切縫(feng)寬度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化僅為0. 556μm。可(ke)見線鋸(ju)(ju)本(ben)(ben)身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磨損(sun)對(dui)切縫(feng)寬度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響十分微弱，說明該(gai)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)方案(an)可(ke)靠(kao)。
2 實驗結果與討論
2. 1 絲速對切(qie)縫寬度的影響
圖3是配重為300g時切(qie)縫(feng)(feng)寬(kuan)(kuan)度隨絲(si)速(su)變(bian)化的(de)(de)規律圖。由圖可見，切(qie)縫(feng)(feng)寬(kuan)(kuan)度在很小(xiao)范圍(wei)內(nei)波(bo)動，即絲(si)速(su)對切(qie)縫(feng)(feng)寬(kuan)(kuan)度無明顯(xian)(xian)影(ying)響。增(zeng)(zeng)大(da)(da)絲(si)速(su)會(hui)使鋸絲(si)振幅增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)，切(qie)縫(feng)(feng)寬(kuan)(kuan)度也(ye)會(hui)隨之增(zeng)(zeng)大(da)(da),但實(shi)驗數據并無明顯(xian)(xian)增(zeng)(zeng)大(da)(da)。可能(neng)的(de)(de)原(yuan)因(yin)是: 絲(si)速(su)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)確實(shi)加(jia)(jia)劇(ju)了鋸絲(si)的(de)(de)橫向振動，但鋸絲(si)本身的(de)(de)預(yu)緊力抵(di)消了振動增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)的(de)(de)幅度，因(yin)此切(qie)縫(feng)(feng)寬(kuan)(kuan)度變(bian)化不明顯(xian)(xian)。
2. 2 配重對切縫寬度的影響
圖4所示(shi)是(shi)絲(si)速為2.20m/s時切(qie)縫寬(kuan)度隨(sui)配(pei)(pei)(pei)(pei)重變化的(de)規(gui)律(lv)圖。由圖可見，配(pei)(pei)(pei)(pei)重對切(qie)縫寬(kuan)度的(de)影響明(ming)顯(xian)，其值隨(sui)配(pei)(pei)(pei)(pei)重的(de)增(zeng)(zeng)大(da)而呈明(ming)顯(xian)減小(xiao)的(de)趨勢。原(yuan)因(yin)是(shi) 配(pei)(pei)(pei)(pei)重決定切(qie)削(xue)力的(de)大(da)小(xiao)。配(pei)(pei)(pei)(pei)重越大(da)，鋸絲(si)提供(gong)的(de)切(qie)削(xue)力越大(da)，增(zeng)(zeng)加的(de)力進一步限制了(le)線鋸的(de)橫向(xiang)振動，因(yin)而切(qie)縫寬(kuan)度隨(sui)配(pei)(pei)(pei)(pei)重的(de)增(zeng)(zeng)大(da)而明(ming)顯(xian)減小(xiao)。
2. 3 絲(si)速對切(qie)縫輪廓(kuo)平直度的影響
圖5是保持配重300g不(bu)變，絲(si)(si)速(su)(su)從1.28m/s 增(zeng)(zeng)加至3.12m/s的切(qie)縫(feng)(feng)輪(lun)廓(kuo)的光學顯微(wei)照片，圖6是絲(si)(si)速(su)(su)在1.28 ～ 2.20m/s時(shi)(shi)切(qie)縫(feng)(feng)寬度的變化。由圖5可(ke)(ke)見，絲(si)(si)速(su)(su)在1.28～2.20m/s的范圍內時(shi)(shi)，切(qie)縫(feng)(feng)輪(lun)廓(kuo)銳利(li)平整，對應圖6可(ke)(ke)知其平直度好; 當增(zeng)(zeng)大絲(si)(si)速(su)(su)后(hou)，由圖5可(ke)(ke)明(ming)顯看到(dao)，絲(si)(si)速(su)(su)為2.26m/s時(shi)(shi)，切(qie)縫(feng)(feng) 邊緣開始出現(xian)(xian)微(wei)小(xiao)鋸(ju)(ju)齒(chi)，絲(si)(si)速(su)(su)為3.12m/s時(shi)(shi)，鋸(ju)(ju)齒(chi)狀(zhuang)現(xian)(xian)象變得(de)(de)明(ming)顯。可(ke)(ke)能的原因(yin)是絲(si)(si)速(su)(su)增(zeng)(zeng)大，鋸(ju)(ju)絲(si)(si)振(zhen)動 加劇; 當絲(si)(si)速(su)(su)過(guo)大，線鋸(ju)(ju)振(zhen)動劇烈(lie)，線鋸(ju)(ju)的張緊力不(bu) 足以抵消掉增(zeng)(zeng)加的振(zhen)幅，使得(de)(de)切(qie)縫(feng)(feng)邊緣不(bu)平整，出現(xian)(xian)微(wei)小(xiao)鋸(ju)(ju)齒(chi)，嚴重時(shi)(shi)可(ke)(ke)能因(yin)鋸(ju)(ju)絲(si)(si)卡絆而斷絲(si)(si)。綜(zong)上(shang)，由于絲(si)(si)速(su)(su)增(zeng)(zeng)加導(dao)致的切(qie)縫(feng)(feng)輪(lun)廓(kuo)的平直度變差表現(xian)(xian)為切(qie)縫(feng)(feng)輪(lun)廓(kuo)出現(xian)(xian)鋸(ju)(ju)齒(chi)。
2. 4 配重對切縫輪廓平直(zhi)度的影(ying)響
圖7是保持絲速2.20m/s 不變，配重從100g增加至500g的切縫輪廓的光學顯微照片，圖8是配重為100～300g時切縫寬度的變化。由圖7明顯看到， 配重在100～300g的范圍內，切縫輪廓邊緣清晰平整，對應圖8可以驗證其平直度好; 當增大配重后，由圖7可見，當配重為400g時，切縫輪廓出現明顯彎曲，當配重達到500g時，切縫邊緣有崩碎。可能的原因是當配重大小合適時，其提供的切削力剛好滿 足鋸切需求，切割過程比較平穩，當配重過大時，外界的微小擾動很易誘使線鋸跑偏，從而導致切割軌跡彎曲; 工件某點燒結不均勻也可能使線鋸朝密度小的缺陷處偏斜; 另外，配重過大，線鋸某點的局部應力很大，金剛石磨粒的擠壓使陶瓷表面產生裂紋并擴展，直至斷裂破碎，發生材料的脆性去除[8]。綜上， 由于配重增加導致的切縫輪廓的平直度變差表現為切 縫輪廓出現彎曲與拐點、邊緣有崩碎[9]。
3 結論
該實(shi)驗(yan)(yan)利用改裝后的(de)(de)金剛石線(xian)鋸切割機床進行絕(jue)緣(yuan)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)切割實(shi)驗(yan)(yan)，研究(jiu)了恒力進給下(xia)絲速和配重(zhong)對(dui)切縫(feng)寬(kuan)度及切縫(feng)輪廓(kuo)的(de)(de)影(ying)響，結論如下(xia):
( 1) 絲速對切(qie)縫寬度的影響不明顯，但當絲速增加至(zhi)2.66m/s 時(shi)，切(qie)縫輪廓出現微(wei)小鋸齒。
( 2) 隨(sui)著配重的增大，切縫寬度(du)呈現(xian)減小的趨勢，但當配重增加至(zhi)(zhi)400g時，切縫輪廓出現(xian)彎曲甚(shen)至(zhi)(zhi)崩碎(sui)。
( 3) 由實驗結果可知，增加絲速后，切縫輪廓平直度逐漸變差，但由于切割速度受絲速影響，為兼顧切割效率，因此在切縫輪廓平直度較好的前提下，盡量選用較大絲速，建議將絲速控制在2.20m/s; 為了得到較窄的切縫，應選取較大配重，但當配重為400g 時，切縫輪廓平直度變差，因此建議選取300g的配重。綜上，使用該方法切割氧化鋁陶瓷 時，在絲速為(wei)2.20m/s、配重為(wei)300g的實驗參數 下,可以得到較(jiao)高的切(qie)縫精度。
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