二維超聲振動輔助線切割機(jī)理與試驗(yàn)研究

1、二維超聲振動輔助線切割機(jī)理與試驗(yàn)研 究奎違夏鑫杰鈕東置 浙amk大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院摘要：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(shù)，從理論 上對該技術(shù)加工機(jī)理與工藝進(jìn)行探討，利用matlab軟件進(jìn)行仿真，對二維超聲 振動線切割中單顆磨粒的運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析研宄，從理論上證明二維超聲振動 線切割優(yōu)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(jī)模 擬機(jī)進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，對比這三種切割方式，研宄不同加工工藝參數(shù)對切割效率 與加工表面質(zhì)量的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)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，切割效率和表而質(zhì)量都有明顯提升，二維超聲振動線切割 和對于一維超聲

2、振動，大大提高了加工表面質(zhì)量，切割效率有小幅提升.關(guān)鍵詞：超聲振動;線切割;加工效率;表面質(zhì)景;作者簡介：李偉(1961)，男，吉林梅河口人，教授，研究方向?yàn)槌芗庸?技術(shù)，e-mail:weilihz163. com.收稿日期：2016-12-15基金：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)b (50775207)experimental study ontwo-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process mechanismli wei xia xiniie guo donexuncollege of mechanical

3、 engineering, zhejianguniversity of technology;abstract：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 traje

4、ctories of single abrasive grains cutting process with 2 dultrasonic vibration and simulated by a software of mat lab, 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 vibrat

5、ion 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

6、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 ef

7、ficiency relative to the one-dimensional ultrasonic vibration aided wire saw cutting process.keyword：ultrasonic vibration; wire saw cutting; machining efficiency; surface quality;received： 2016-12-15近年來硬脆材料，尤其是非金屬、非導(dǎo)電材料以及半導(dǎo)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(dú)特的性質(zhì)，這些特殊材料在軍用及民用工業(yè)等

8、領(lǐng)域應(yīng)用越 來越廣泛，相應(yīng)的對加工耍求也越來越高因此，如何提高切割硬脆材料 的切割效率、質(zhì)量和精度，已經(jīng)成為急需解決的問題.目前，工業(yè)上對于大直徑 的硬脆材料切片，普遍采用的是往復(fù)式游離磨料線切割技術(shù).但是這種技術(shù)存在 鋸絲使用壽命短，走線速度低，磨漿的處理和冋收成本較高，切割大尺寸坯料 時磨料難以進(jìn)入到長而深的切縫屮等問題dzll.因此，提出丫采用固結(jié)磨料的 電鍍金剛石線裾來代替游離磨料線裾，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(jié)磨料線切割技術(shù)相對比于游離磨料線切割技術(shù)，具有 效率高、切片薄、省材料和加工表面損傷小等優(yōu)點(diǎn).這種線鋸結(jié)構(gòu)簡單，對提高 加工硬脆材料技術(shù)冇重要

9、的意義.除此之外，日本等國家已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用超聲振動切割硬脆材料，相關(guān)的研宄和實(shí)驗(yàn)指出，施加超聲振動切割的效率是不加振動 切割的23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(shù)，并 從理論上分析y二維超聲振動電鍍金剛石線切割加工機(jī)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(shí)驗(yàn)，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(zhì)量.1二維超聲振動線切割機(jī)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

10、向振動.為了便于分析，建立如閣1所示二維超聲振動平面切 削工件時的單顆磨粒的運(yùn)動示意圖.圖1中v為線速度，u為金剛石線鋸的進(jìn)給 速度，f, 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）.zv圖 1 單顆磨粒的運(yùn)動75意圖 fig. 1 the motion diagram of single abrasive grain下載原圖可以得出二維超聲振動線切割中單顆金剛石磨粒的運(yùn)動軌跡方程為=漢+asin (2丌")= ut + bsin(27r/? + cp)式中：巾為兩個超聲振動的相位差;t為運(yùn)動時間.根據(jù)以上運(yùn)動方程，為了從微 觀上能清晰地看出軌跡，假設(shè):線速度僅

11、為進(jìn)給速度的10倍，v=10pm/s, u=lum/s，a=b=10um, t=8s, 4)=0.5 nr, f=20 000hz,通過 matlab 軟件進(jìn)行仿 真分析，得出二維超聲振動時單顆磨粒的運(yùn)動軌跡為螺旋線，如圖2所示.-10010 20 30 40 50 60 70a方向的路程/ixm圖2三種切割方式單顆磨粒運(yùn)動軌跡fig. 2 the motion trajectory of three cutting ways of single abrasive grains 下載原圖從圖2可得:二維超聲振動磨粒運(yùn)動軌跡長度一維超聲振動磨粒運(yùn)動軌跡長度 不加振動磨粒運(yùn)動軌跡長度.說明二維超聲

12、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(yùn)動軌跡之間存在相互干涉，有 利于提高切割效率和表面質(zhì)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(fā)生周期性分離現(xiàn)象.因此，磨粒將會對工件產(chǎn)生沖 擊、錘擊和空化等作用，致使橫向裂紋進(jìn)一步擴(kuò)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(dāng)切向振動與線速度方向和反的時候，即由于切向振動的 存在，金剛石顆粒與工件將在同一質(zhì)點(diǎn)位置進(jìn)行重復(fù)切削，隨著超聲振動的周 期性變化這樣的切削現(xiàn)象也會重復(fù)出現(xiàn)，即金剛石顆粒在切削區(qū)內(nèi)進(jìn)行了多次 “光磨”，對已加工表面

13、進(jìn)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 通切割和比，對于提高加工表面質(zhì)量具有非常重要的意義，不僅可以減輕表面 變質(zhì)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(zhì)量.此外， 由于金剛石顆粒數(shù)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(dāng)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(qū)，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(zhì) 量.二維超聲振動線切割技術(shù)，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(diǎn).

14、在二維超聲振動線切割 過程中，由于超聲振動頻率高達(dá)20khz左右，引入二維超聲振動，大大提高了 單位時間內(nèi)金剛石顆粒的加載卸載頻率，增大/單顆金剛石磨粒相對切削區(qū)域， 同時動態(tài)有效的磨粒數(shù)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(huán)加工狀態(tài).這樣瞬間作用力會使工件材料產(chǎn)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(qū)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(qiáng)，則工件材料產(chǎn)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(zhì)量.2實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)條件i麵111本次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括自

15、制多線切割機(jī)模擬機(jī)，20kllz超聲波發(fā)生器，白行 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，棊 恩士 vw系列高速攝像機(jī)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(shí)驗(yàn)研究.切割線采用的是線徑0. 25mm的電鍍金剛石線.實(shí)驗(yàn)裝置 如圖3所示.閔3實(shí)騎設(shè)備fig. 3 experimental equipment下載原閔1 一超聲波電源;2線切割機(jī);3超聲波振動臺;4一切向換能器、變幅桿;5軸 向換能器、變幅桿2.2實(shí)驗(yàn)條件工件的表面粗糙度采用mitutoyo sj-412型粗糙度測量儀進(jìn)行測量，取5次測量 值的平均值，切割效率采用高

16、速攝像機(jī)進(jìn)行測量，通過高速攝像機(jī)放大功能， 測量出單位時間內(nèi)切削的厚度9-10.切割p工試件為k9光學(xué)玻璃 (50mmx 50mmx 10mm),加工參數(shù)如表1所示.表 1 鋸切條件和加工參數(shù) table 1 cutting conditions and processing parameters下載原表鋸切條件進(jìn)給速度/(mm min 1 )線速度am s'1)鋸絲直徑/mm超聲波頻率/khz超聲波功率比例/%3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1進(jìn)給速度對表面粗糙度和切割效率的影響當(dāng)走線速度為2. 2 m/s,超聲波功率比例為100%吋，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同 的情況下，分別在不同的進(jìn)給速度下對

17、工件進(jìn)行切割，探究進(jìn)給速度和表面粗 糙度的關(guān)系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如閣4 所示.1.61.0不加振一維振進(jìn)給速度/(mm min圖 4 進(jìn)給速度與粗糙度的關(guān)系 fig. 4 relationship of feed rate and surface roughness卜載原圖從閣4可知:在其他加工條件相同的情況下，隨著進(jìn)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(jìn)給速度的增大而增大，但是當(dāng)進(jìn)給速度大于lmm/min時，開始呈現(xiàn)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

18、 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(jìn)給速度的増 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(jī)械去除作用，粗糙度隨之增大.但是隨 著進(jìn)給速度增大到達(dá)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(zhì)量，降低了表面粗糙度.當(dāng)走線速度為2.2 m/s，超聲波功率比例為100%時，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同 的情況下，分別在不同的進(jìn)給速度下對工件進(jìn)行切割，探宄進(jìn)給速度和切割效的關(guān)系，不加振動，加一維超聲振動和二維超聲振動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所 示.l0 不加振動一維振動 二

19、維振動0.80.60.40.40.60.81.進(jìn)給速度/(mm min圖5進(jìn)給速度與切割效率的關(guān)系fig. 5 relationship of feed rate and cutting efficiency下載原圖 從閣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(jìn)給速度的增大而增大，但是當(dāng)進(jìn)給速度增大到一定值后， 切割效率趨于平穩(wěn).整體上加一維振動比不加振動效率高36%51%，當(dāng)進(jìn)給速度 低于0. 4mm/min時，加二維振動和加一維振動效率持平，當(dāng)進(jìn)給速度大于 0. 4mm/niin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

20、 磨粒的切削深度隨著進(jìn)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(dāng)進(jìn)給速度增大到一定值后，切削深度達(dá)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0.6 111l1.01.41.82.22.6走線速度/(m s1)圖 6 走線速度與粗糙度的關(guān)系 fig. 6 relationship of wire rate and surface roughness 下載原圖從圖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，

21、粗糙度的變化趨勢比較平緩，但是走線速度超過 2.6m/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 度基木不變.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(dāng)速度超過2. 6m/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(chǎn)生共振，整個系統(tǒng)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(tǒng)振動影響減小，所以粗糙度基木不變.ujs uluo/mfalb0.8 不加振動0.60.4一維振動 二維振動1.01.41.82.22.走線速度/

22、(m s-1圖7走線速度與切割效率的關(guān)系fig. 7 relationship of wire rate and cutting efficiency 下載原圖從圖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(dāng)走線速度達(dá)到一定值后，切 割效率趨丁平穩(wěn).加一維振動比不加振動切割效率高36%飛8%.加二維振動比加 一維振動切割效率高59c1o%.主要原因是隨著走線速度的提高，單位時間內(nèi)參 與切割的金剛石磨粒數(shù)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(tǒng)和鋸絲的振動，使切割效率提升不明顯，其至出現(xiàn)不增反降 的現(xiàn)

23、象，可能是鋸絲上金剛石顆粒受到的沖擊作用增強(qiáng)，從而加劇y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(dāng)進(jìn)給速度為0. 8 mm/min,走線速度為2. 2m/s時，在其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件相同 的情況下，探宄超聲波功率比例與粗糙度的關(guān)系，不加振動，加一維超聲振動 和二維超聲振動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示.1.6l44060毳80超聲波功率比例/%圖8超聲波功率與粗糙度的關(guān)系fig. 8 relationship of ultrasonic power and surface roughnessh載原圖從圖8屮可知:其他條件相同的條件下，隨著超聲波功率比例增加，粗糙度

24、呈現(xiàn) 下降趨勢，當(dāng)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(dāng)超聲波功率比例超過60%后，粗糙度開始增加.其主耍原因是: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(qiáng)，粗糙度迅速下降，之后 由于超聲振幅過大，導(dǎo)致切削深度過大，粗糙度開始增大.0 8 r 不加振動(.ss £s)/b鬏wb20406080超聲波功率比例/%圖9超聲波功率與切割效率的關(guān)系fig. 9 relationship of ultrasonic power and cutting efficiency下載原圖從圖9可知:其他條件和同的條件下，隨著超聲波功率比例增加，切割效率呈現(xiàn) 上升的趨勢，當(dāng)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(qiáng)，切削深 度增加，切割效率增大，當(dāng)超聲波功率比例達(dá)到80%后，切削深度棊本達(dá)到臨 界切削深度，切割效率增大不明顯.4結(jié)論通過線切割實(shí)驗(yàn)研究普通線切割以及超聲波輔助線切割工藝參數(shù)變化對切割效 率、表面粗糙度的影響，獲得以下實(shí)驗(yàn)結(jié)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159c63%,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