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，將電火花線切割機床改裝為金剛石線鋸切割機 床，并進行了金剛石線鋸恒力進給切割陶瓷的實驗，探究了絲速和配重對切縫寬度和切縫輪廓平直度的影響; 用光學顯微 鏡測量切縫寬度，并觀察切縫輪廓的平直度。實驗結果表明: 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
絕緣陶瓷機械強度好、硬度高、熔點高、電阻率 高、化學穩(wěn)定性好，廣泛應用于電子元器件、航天航 空、發(fā)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(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 者開展了相關的研究工作。
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(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(huán)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(fā)現(xiàn)，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行 研究，討論了材料的去除機制。實驗證明，帶有周期 性的毫米級鋸痕是線鋸往復運絲造成的，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(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。該實驗以工程中常見的氧化鋁陶瓷為實驗對象，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 金剛石線鋸切割實驗
1. 1 實驗裝置
實驗采用的裝置是在DK7720快走絲電火花線切割機床的平臺上進行改造的。對于實驗變量之一絲速，為使其可調，給機床原有運絲系統(tǒng)加裝變頻器。對于進給方式，沒有選擇原機床的恒速進給方式，而是采用了恒力進給方式。如圖1所示，在工作臺上添加直線導軌，以砝碼作為配重，滑塊和工件共同在定滑輪的引導和砝碼的牽引下沿導軌做直線運動。采用恒力進給方式的原因為: 在這種進給方式下，陶瓷材料的去除量始終等于進給量，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鍵因素。
直線導軌使用千分表校準，以保證其在陶瓷進給 方向的直線度，切割時使用的冷卻液為水，實驗前緊 絲，使預緊力保持在8N。電鍍金剛石線鋸參數(shù)見表1，實驗材料參數(shù)見表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個值進行實驗; 在配重300g下，從1.28m/s 到3.12m/s等間隔選取5個值進行實驗。 為保證實驗數(shù)據(jù)可靠，相同參數(shù)下均做一次重復實 驗，即以絲速和配重為變量時各進行兩組實驗，每次 切割時間為10min。實驗方案見表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 |
切縫寬度的測量和切縫輪廓的觀測均在光學顯微鏡下放大100倍進行。如圖2所示，測量切縫寬度時，先用標尺在沿切縫方向和垂直于切縫方向標定，再從切縫入口到終點均勻取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果。
隨著切割的進行，線鋸本身的磨損可能導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驗是否有干擾，待實驗全部完成后，在絲速2.20m/s、配重100g下進行一次 重復實驗，與組實驗中相同參數(shù)的結果對比后，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，說明該實驗方案可靠。
2 實驗結果與討論
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,但實驗數(shù)據(jù)并無明顯增大?？赡艿脑蚴? 絲速增加確實加劇了鋸絲的橫向振動，但鋸絲本身的預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，對應圖6可知其平直度好; 當增大絲速后，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，嚴重時可能因鋸絲卡絆而斷絲。綜上，由于絲速增加導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(xiàn)明顯彎曲，當配重達到500g時，切縫邊緣有崩碎?？赡艿脑蚴钱斉渲卮笮『线m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(chǎn)生裂紋并擴展，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、邊緣有崩碎[9]。
3 結論
該實驗利用改裝后的金剛石線鋸切割機床進行絕緣陶瓷的切割實驗，研究了恒力進給下絲速和配重對切縫寬度及切縫輪廓的影響，結論如下:
( 1) 絲速對切縫寬度的影響不明顯，但當絲速增加至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，但當配重增加至400g時，切縫輪廓出現(xiàn)彎曲甚至崩碎。
( 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2.20m/s、配重為300g的實驗參數(shù) 下,可以得到較高的切縫精度。
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( 責任編輯: 盧文輝)