金剛石線鋸切割絕緣陶瓷的切縫精度研究

摘要: 為了探尋一種切縫窄、切縫輪廓平直的金剛石線鋸切割工藝，將電火花線切割機(jī)床改裝為金剛石線鋸切割機(jī) 床，并進(jìn)行了金剛石線鋸恒力進(jìn)給切割陶瓷的實(shí)驗(yàn)，探究了絲速和配重對切縫寬度和切縫輪廓平直度的影響; 用光學(xué)顯微 鏡測量切縫寬度，并觀察切縫輪廓的平直度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 隨著絲速的增大，切縫寬度變化不明顯，隨著配重的增大， 切縫寬度明顯減小; 隨著絲速的增大，切縫輪廓逐漸出現(xiàn)鋸齒狀，隨著配重的增大，切縫輪廓發(fā)生彎曲甚至崩碎。

0 前言

絕緣陶瓷機(jī)械強(qiáng)度好、硬度高、熔點(diǎn)高、電阻率 高、化學(xué)穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于電子元器件、航天航 空、發(fā)動機(jī)耐磨件、刀具等領(lǐng)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(fā)展，并在 切割絕緣陶瓷方面顯示出巨大優(yōu)勢^[2]，國內(nèi)外眾多學(xué) 者開展了相關(guān)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(shù)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(jìn)行了觀察。 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料，使用環(huán)形電鍍金剛石 線鋸，探究鋸絲速度、進(jìn)給壓力和切削液對切割效果 的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大鋸絲速度和進(jìn)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(zhì)量。CHEN W 等人^[5]通過對電鍍金 剛石線鋸切割多晶硅表面后殘留的兩種鋸切痕跡進(jìn)行 研究，討論了材料的去除機(jī)制。實(shí)驗(yàn)證明，帶有周期 性的毫米級鋸痕是線鋸?fù)鶑?fù)運(yùn)絲造成的，而微米級溝 槽是由于金剛石顆粒鋒利的尖端磨削而形成。

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(dǎo)體材料^[6]，而對切割絕緣陶瓷的研究很少，研究內(nèi) 容也局限于材料去除率、切面質(zhì)量、鋸絲的磨損以及 材料的去除機(jī)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(shù)，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]。切縫精度主要包括切縫寬度及切縫輪廓的平直度，切縫精度高主要體現(xiàn)為切縫窄且切縫輪廓平直。該實(shí)驗(yàn)以工程中常見的氧化鋁陶瓷為實(shí)驗(yàn)對象，研究絲速和配重對切縫寬度和切縫輪廓平直度的影響規(guī)律和機(jī)制，為絕緣陶瓷材料的精密切割提供可靠的理論依據(jù)和工藝參考。

1 金剛石線鋸切割實(shí)驗(yàn)

1. 1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的裝置是在DK7720快走絲電火花線切割機(jī)床的平臺上進(jìn)行改造的。對于實(shí)驗(yàn)變量之一絲速，為使其可調(diào)，給機(jī)床原有運(yùn)絲系統(tǒng)加裝變頻器。對于進(jìn)給方式，沒有選擇原機(jī)床的恒速進(jìn)給方式，而是采用了恒力進(jìn)給方式。如圖1所示，在工作臺上添加直線導(dǎo)軌，以砝碼作為配重，滑塊和工件共同在定滑輪的引導(dǎo)和砝碼的牽引下沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動。采用恒力進(jìn)給方式的原因?yàn)? 在這種進(jìn)給方式下，陶瓷材料的去除量始終等于進(jìn)給量，使整個切割過程處于穩(wěn)定狀態(tài); 同時，線鋸在水平方向上對陶瓷施加的壓力，是決定線鋸去除材料效果的關(guān)鍵因素。

直線導(dǎo)軌使用千分表校準(zhǔn)，以保證其在陶瓷進(jìn)給 方向的直線度，切割時使用的冷卻液為水，實(shí)驗(yàn)前緊 絲，使預(yù)緊力保持在8N。電鍍金剛石線鋸參數(shù)見表1，實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)見表2。

1. 2 實(shí)驗(yàn)方案

為探究絲速和配重的變化對切縫寬度及切縫輪廓 平直度的影響，在絲速2.20m/s 下，從100g到500g等間隔選取5個值進(jìn)行實(shí)驗(yàn); 在配重300g下，從1.28m/s 到3.12m/s等間隔選取5個值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，相同參數(shù)下均做一次重復(fù)實(shí) 驗(yàn)，即以絲速和配重為變量時各進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，每次 切割時間為10min。實(shí)驗(yàn)方案見表3。

切縫寬度的測量和切縫輪廓的觀測均在光學(xué)顯微鏡下放大100倍進(jìn)行。如圖2所示，測量切縫寬度時，先用標(biāo)尺在沿切縫方向和垂直于切縫方向標(biāo)定，再從切縫入口到終點(diǎn)均勻取5個視野，每個視野下測 量切縫邊緣兩平行線間的距離，取其均值作為較終結(jié)果。

隨著切割的進(jìn)行，線鋸本身的磨損可能導(dǎo)致鋸絲開始切割時的直徑不同，因而對切縫寬度產(chǎn)生影響。為探究線鋸本身的磨損對實(shí)驗(yàn)是否有干擾，待實(shí)驗(yàn)全部完成后，在絲速2.20m/s、配重100g下進(jìn)行一次 重復(fù)實(shí)驗(yàn)，與組實(shí)驗(yàn)中相同參數(shù)的結(jié)果對比后，切縫寬度的變化僅為0. 556μm。可見線鋸本身的磨損對切縫寬度的影響十分微弱，說明該實(shí)驗(yàn)方案可靠。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2. 1 絲速對切縫寬度的影響

圖3是配重為300g時切縫寬度隨絲速變化的規(guī)律圖。由圖可見，切縫寬度在很小范圍內(nèi)波動，即絲速對切縫寬度無明顯影響。增大絲速會使鋸絲振幅增加，切縫寬度也會隨之增大,但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并無明顯增大?？赡艿脑蚴? 絲速增加確實(shí)加劇了鋸絲的橫向振動，但鋸絲本身的預(yù)緊力抵消了振動增加的幅度，因此切縫寬度變化不明顯。

2. 2 配重對切縫寬度的影響

圖4所示是絲速為2.20m/s時切縫寬度隨配重變化的規(guī)律圖。由圖可見，配重對切縫寬度的影響明顯，其值隨配重的增大而呈明顯減小的趨勢。原因是 配重決定切削力的大小。配重越大，鋸絲提供的切削力越大，增加的力進(jìn)一步限制了線鋸的橫向振動，因而切縫寬度隨配重的增大而明顯減小。

2. 3 絲速對切縫輪廓平直度的影響

圖5是保持配重300g不變，絲速從1.28m/s 增加至3.12m/s的切縫輪廓的光學(xué)顯微照片，圖6是絲速在1.28 ～ 2.20m/s時切縫寬度的變化。由圖5可見，絲速在1.28～2.20m/s的范圍內(nèi)時，切縫輪廓銳利平整，對應(yīng)圖6可知其平直度好; 當(dāng)增大絲速后，由圖5可明顯看到，絲速為2.26m/s時，切縫 邊緣開始出現(xiàn)微小鋸齒，絲速為3.12m/s時，鋸齒狀現(xiàn)象變得明顯。可能的原因是絲速增大，鋸絲振動 加劇; 當(dāng)絲速過大，線鋸振動劇烈，線鋸的張緊力不 足以抵消掉增加的振幅，使得切縫邊緣不平整，出現(xiàn)微小鋸齒，嚴(yán)重時可能因鋸絲卡絆而斷絲。綜上，由于絲速增加導(dǎo)致的切縫輪廓的平直度變差表現(xiàn)為切縫輪廓出現(xiàn)鋸齒。

2. 4 配重對切縫輪廓平直度的影響

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(xué)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(nèi)，切縫輪廓邊緣清晰平整，對應(yīng)圖8可以驗(yàn)證其平直度好; 當(dāng)增大配重后，由圖7可見，當(dāng)配重為400g時，切縫輪廓出現(xiàn)明顯彎曲，當(dāng)配重達(dá)到500g時，切縫邊緣有崩碎?？赡艿脑蚴钱?dāng)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(wěn)，當(dāng)配重過大時，外界的微小擾動很易誘使線鋸跑偏，從而導(dǎo)致切割軌跡彎曲; 工件某點(diǎn)燒結(jié)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(diǎn)的局部應(yīng)力很大，金剛石磨粒的擠壓使陶瓷表面產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，直至斷裂破碎，發(fā)生材料的脆性去除^[8]。綜上， 由于配重增加導(dǎo)致的切縫輪廓的平直度變差表現(xiàn)為切 縫輪廓出現(xiàn)彎曲與拐點(diǎn)、邊緣有崩碎^[9]。

3 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)利用改裝后的金剛石線鋸切割機(jī)床進(jìn)行絕緣陶瓷的切割實(shí)驗(yàn)，研究了恒力進(jìn)給下絲速和配重對切縫寬度及切縫輪廓的影響，結(jié)論如下:

( 1) 絲速對切縫寬度的影響不明顯，但當(dāng)絲速增加至2.66m/s 時，切縫輪廓出現(xiàn)微小鋸齒。

( 2) 隨著配重的增大，切縫寬度呈現(xiàn)減小的趨勢，但當(dāng)配重增加至400g時，切縫輪廓出現(xiàn)彎曲甚至崩碎。

( 3) 由實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)選取較大配重，但當(dāng)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2.20m/s、配重為300g的實(shí)驗(yàn)參數(shù) 下,可以得到較高的切縫精度。

參考文獻(xiàn):

［1］王望龍，王龍，田欣利，等． 工程陶瓷特種加工技術(shù)的研究 現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］．機(jī)床與液壓， 2015， 43( 7) : 176 －180． WANG W L，WANG L，TIAN X L，et al． Research Status and Progresses of Special Machining Technologies for Engineering Ceramic［J］． Machine Tool ＆ Hydraulics， 2015， 43 ( 7) : 176 － 180．

［2］WU H． Wire Sawing Technology: A State-of-the-art Review ［J］．Precision Engineering， 2016， 43: 1 － 9．

［3］CLARK W I，SHIH A J，LEMASTER R L， et al． Fixed Abrasive Diamond Wire Machining—part II: Experiment Design and Results［J］． International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2003， 43( 5) : 533 － 542．

［4］周銳． 環(huán)形電鍍金剛石線鋸在陶瓷材料切割中的應(yīng)用 ［D］． 濟(jì)南: 山東大學(xué)， 2005．

［5］CHEN W，LIU X，LI M， et al． On the Nature and Removal of Saw Marks on Diamond Wire Sawn Multicrystalline Silicon Wafers［J］． Materials Science in Semiconductor Processing， 2014， 27( 1) : 220 － 227．

［6］高偉，劉鎮(zhèn)昌，Philip Bex，等． 很硬磨料在硬脆材料切割中 的應(yīng)用［J］． 金剛石與磨料磨具工程， 2001( 3) : 26 －29．

［7］張波，劉文濤，胡曉冬，等． 線鋸切割技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 ［J］． 很硬材料工程， 2008( 1) : 45 － 48． ZHANG B，LIU W T，HU X D，et al． Application and Development of Wire Sawing Technology［J］． Superhard Material Engineering， 2008( 1) : 45 － 48．

［8］ CVETKOVIC＇ S，MORSBACG C，RISSING L． Ultra-precision Dicing and Wire Sawing of Silicon Carbide( SiC) ［J］． Microelectronic Engineering， 2011， 88( 8) : 2500 － 2504．

［9］唐修檢，劉謙，田欣利，等． 切向載荷作用下氮化硅陶瓷崩碎 損傷規(guī)律與機(jī)理［J］． 光學(xué)精密工程， 2015( 7) :2023 －2030． TANG X J，LIU Q，TIAN X L， et al． Regulation and Mechanism of Edge Chipping for Si3N4 Ceramics by Sliding Loads ［J］． Optics Precision Engineering， 2015( 7) : 2023 － 2030．

( 責(zé)任編輯: 盧文輝)