超声波振动冲击对锯切过程中锯片自锐性的影响研究

沈剑云，向 鑫，徐西鹏

（华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021）

超声波振动冲击对锯切过程中锯片自锐性的影响研究

沈剑云，向 鑫，徐西鹏

（华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021）

超声波振动辅助加工是一种很好的加工硬脆材料的方法，而且超声波振动冲击能够对金刚石磨具进行修锐。通过观察氧化铝陶瓷材料超声波振动辅助锯切过程中金刚石锯片表面磨粒和结合剂形貌变化、测试分析锯切力及力比的变化特征，研究超声波振动冲击对锯切过程中金刚石锯片自锐性的影响。在超声振动辅助锯切过程中锯片结合剂可被连续地去除使得其工作表面不断有新的磨粒出露，而且金刚石磨粒保持着合适的出刃高度和容屑空间，磨粒表面还可以被微破碎形成微切削刃，因此，保持金刚石锯片工作面得以保持着稳定的锐利性，这也使得在锯切过程中的锯切力和力比不随锯切行程的累积而明显增大。

超声波振动；锯切；自锐性；金刚石锯片

工程陶瓷、光学玻璃及半导体材料等硬脆性材料由于具有优越性能得以广泛应用。在硬脆性材料加工过程中往往需要经过锯切、磨削、精密研磨和抛光等工艺，金刚石圆锯片锯切加工技术在锯切加工中占有重要地位。但由于这些硬脆材料具有高强度、高硬度、高脆性的特性，若利用传统锯切工艺，锯片易钝化、堵塞，钝化的磨粒难以脱落，新的磨粒难以出刃而丧失切削性能，导致锯切力急剧上升、热损伤和振动加剧，严重影响加工质量及效率［1－2］，因此保持锯切过程中磨粒锋利性至关重要。为此各国学者为解决磨粒锋利性问题开展一系列超硬磨料工具修锐技术的研究［3－4］，主要包括传统的油石等固结磨料的修锐、激光修锐、在线电解修整和在线电火花放电修锐、超声波振动修锐等技术。油石修锐法操作简便、费用少、修锐效果好，但是修锐效率低；另外几种修锐方法，修锐效率高、磨料工具损耗小，但都需要专门的设备、费用高，存在一定局限性。如果在锯切加工过程中，金刚石锯片具有良好的自锐性，则可以减少修锐这道工序，大大节省时间并且有利于工件高质量的连续加工。超声振动辅助加工已被证实能够有效的加工硬脆性材料，并且Nik等［5－6］在研究超声振动辅助磨削加工中，都有提到磨粒始终能够保持较好的锋利性，但是针对超声振动辅助加工过程中金刚石工具产生自锐过程和形成机制研究还有待于进一步探索。通过在超声波振动辅助锯切过程中振动冲击对金刚石锯片自锐作用理论分析和实验，分析超声振动冲击对金属结合剂金刚石锯片自锐性的影响。

1 超声波振动冲击对锯切过程中锯片自锐机理分析

超声波振动辅助加工工艺是一种利用超声波高频率、高能量振动冲击特性，实现硬脆材料良好去除的方法。超声波振动辅助锯切加工是利用传统的锯切加工与超声波加工复合而成的加工方法。相比于普通锯切过程，超声波振动辅助锯切过程中锯片与工件界面相互作用机理要更为复杂（见图1）。在超声振动锯切过程中界面存在的主要几种相互作用分别为工件振动冲击作用、切屑振动冲击作用和金刚石机械磨削作用。正是由于界面中这几种主要作用形式，使得超声波振动冲击对锯切过程中锯片自锐作用有以下几种表现形式。

图1 超声波振动辅助锯切界面相互作用模型图Fig．1 Ultrasonic vibration assisted sawing interfacial interactionmodel diagram

（1）金刚石磨粒磨耗磨损和宏观破碎减少

普通锯切过程中随工具旋转的金刚石磨粒在静载荷的作用下挤压磨削工件材料，即图1中的金刚石机械磨削作用，由于受到较大挤压、摩擦从而造成金刚石磨粒宏观破碎和磨耗磨损［7］。金刚石因磨损失去切削刃而钝化和因发生宏观破碎失去切削作用，进而严重影响切削效果。超声振动辅助锯切过程中，工件表面受到磨粒和切屑高频、高速的振动冲击作用，在被加工表面产生了很大局部单位面积压力，促使加工表面形成大量鳞状微裂纹以及促使其扩展，减小材料去除过程中切削力。有研究表明，工件超声振动降低了其本身硬度，改善了自身可加工性而减小了锯切力；超声振动也降低了磨粒与工件间摩擦系数，减小了摩擦磨损［8］。由于超声振动引入产生的上述效应从而减小了磨粒的磨耗磨损和宏观破碎，使得金刚石磨粒有效切削时间更长，提高了金刚石的有效利用率。

（2）金刚石磨粒微破碎

在超声振动作用下，工件表面以很高的速度和加速度不断冲击工具表面上的金刚石磨粒。磨粒与工件表面作用的加速度可达重力加速度的几千甚至几万倍，高频高速的撞击作用于磨粒表面，促使磨粒表面产生微破碎，重新形成一批更多的新的微切削刃（见图1中A磨粒），有利于切削。

（3）金刚石出刃高度增大和露出新的磨粒

工件与工具之间存在超声振动，迫使锯切区内的切屑在工作液中以很大的速度和加速度高频间断性冲击结合剂；切屑也在工具高速旋转带动下滑擦锯片结合剂表面，导致结合剂材料的快速去除。另一方面，由于超声振动作用在加工区域内的空化、超压效应也促使了结合剂的去除［9］。随结合剂的逐渐去除，锯片基体中金刚石磨粒的出刃高度逐渐增大（见图1中C磨粒），同时容屑空间体积也相应增大，减少了切屑堵塞、锯片磨损和工件烧伤，使材料获得更好的加工质量。新的磨粒也随结合剂去除量增大而及时出刃（见图1中B磨粒），补充因出刃高度过大而脱落的磨粒，维持锯切过程中磨粒数的相对稳定性，使切削过程更加平稳。

在超声振动辅助锯切过程中，从单颗磨粒工作的整体状态来看，超声振动冲击作用使磨粒逐渐变为有效磨粒（保持一定出刃高度、较少磨粒表面磨损、磨粒表面微破碎形成锋利磨刃），在完成一定锯切体积后破碎或脱落，所有的磨粒均可以顺次成为有效磨粒参与锯切过程。这一现象即为超声振动辅助锯切条件下金刚石锯片的自锐效应。

2 实验方案

为了验证超声振动冲击对锯切过程中锯片自锐机理分析，拟开展氧化铝陶瓷锯切实验。研究普通锯切和超声振动辅助锯切条件下，1 500次锯切行程中锯片表面形貌和锯切力、力比的变化。实验在立式铣削加工中心上进行，实验装置见图2，主轴转速n绕Z方向旋转，工件进给速度vw沿Y方向往复运动，切削深度ap沿X方向进给，工件沿X方向作超声纵向振动。超声振动系统采用自行设计装置，振动频率28 kHz，最大输出功率150 W；采用KISTLER 9257B型三向压电晶体测力仪测量锯切力。采用KH－8700超景深显微镜对锯片表面形貌进行跟踪观察。锯切试验原理图（见图3）。试验过程中，打开超声波发生器为超声振动辅助锯切，关闭超声波发生器则为普通锯切。

试验分两组进行，分别研究普通锯切与超声振动辅助锯切实验中随总锯切量的增加锯片表面形貌的变化和对锯切力的影响。试验中，阶段性的对锯片标记的锯切面上20个区域磨粒状态进行跟踪观察；测量锯切实验前后锯片径向磨损值。试验方案见表1。

图2 锯切实验装置Fig．2 Sawing experiment device

图3 锯切实验原理图Fig．3 Sawing experimentschematic

表1 锯切试验方案表Tab.1 Conditions of saw ing experiments

3 实验结果与分析

3.1 超声波振动冲击对锯片表面形貌的影响

锯切过程中，锯片的切削能力因磨损而下降。理想的加工工艺系统应使金刚石磨粒的磨损速度与结合剂磨损速度相匹配，从而实现锯片良好自锐性［10］。锯切过程是分布于锯切面上众多单颗磨粒进行切削的综合效果，对表面磨粒状态进行跟踪分析是研究锯切过程的有效方法之一。

在普通锯切中，锯片因磨损而丧失切削性能，表现形态主要是金刚石的磨耗磨损以及宏观破碎（见图4和图5）。从图4（a）中可以看出，磨粒经过500次锯切行程时，图上标示的a处表面出现了明显的滑擦痕迹。在1 500次锯切行程时磨粒出现较大的磨平区域。从图5（a）中可以发现锯切前磨粒形状完好，在经过500次锯切行程时发生了宏观破碎（见图4（b））。

图4 磨耗磨损Fig．4 Abrasion wear

图5 宏观破碎Fig．5 Macro-crushing

超声波振动辅助锯切过程中，锯片受到超声波振动冲击作用，相对于普通锯切，表面形貌变化相差各异。从跟踪观察的二十个区域中磨粒变化特征可得，磨粒磨平与宏观破碎现象明显减少，磨粒典型变化特征主要表现出为另外的三种表现形式：① 从图6在1 000次锯切行程中，从直观上看图上标示的b，c和d三颗磨粒相对于锯切前出刃高度明显增大（露出结合剂表面部分）；②从图7中可知磨粒e从1 000次锯切行程开始到1 500次锯切行程结束，裸露体积明显增大，e磨粒下方产生了一个新的磨粒f，露出结合剂表面；③磨粒表面微破碎，如图8所示在500～1 000次锯切行程中，磨粒g上表面发生了微破碎（方框标记区域），形成了新的切削刃。

图6 磨粒出刃高度增大（三维立体图）Fig．6 Increasing height of protrusion of diamond grains

上述锯片表面形貌变化代表了两种不同锯切过程中金刚石磨粒典型的变化特征。通过对金刚石磨粒的变化过程跟踪观察可以归纳出：普通锯切时，磨粒发生明显的磨耗磨损和宏观破碎，结合剂去除缓慢，磨粒出刃高度增大程度很小，致使磨损的磨粒难以脱落，新的磨粒难以出刃；而超声振动辅助锯切时，受到超声波振动冲击作用锯片表面磨粒磨损和宏观破碎明显减少，磨粒发生微小破碎并产生新的切刃，结合剂去除速率较快，磨粒出刃高度和裸露体积增大，新磨粒及时出刃，形成了超声波振动辅助锯切时锯片良好的自锐过程。以上锯切实验过程中锯片磨粒形貌的变化特征直观性的验证了超声波振动冲击对锯切过程中锯片自锐机理分析。

图7 磨粒裸露体积增大和露出新的磨粒Fig．7 Increasing bare volume of diamond abrasive and exposing new abrasive

图8 微破碎Fig．8 Micro-broken

结合剂的快速去除，必然影响锯片径向磨损量的增大，图9表示在锯切前和1 500次锯切行程后普通锯切和超声振动辅助锯切锯片径向磨损量的对比。

从图9可知超声振动辅助锯切工艺，锯片径向磨损量要明显大于普通锯切，从而反过来证明了超声振动冲击加快了结合剂的去除速率。

图9 锯片径向磨损量对比图Fig．9 Radial blade wear comparison chart

图10 锯切行程对锯切力和力比影响Fig．10 Effect of sawing passes on sawing forces and ratio

锯切过程中良好的自锐性可以有效避免磨粒磨损、宏观破碎失效而导致锯切力上升，从而获得更加稳定的锯切过程。

3.2 自锐性对锯切力的影响

按表1所示试验方案对氧化铝陶瓷材料进行试验，得到普通锯切与超声振动辅助锯切随锯切量增加，对锯切力、力比影响规律曲线（见图10）。

从图10（a）中可知法向锯切力在两种锯切方式下随锯切行程次数增加的变化趋势。普通锯切时，法向锯切力随锯切次数的增加一直处于递增的趋势。而超声振动辅助锯切下，法向力递增极其缓慢，并且呈现一定周期性波动，其原因在于在超声振动辅助锯切过程中，一方面磨粒磨损使得锯切力增大，另一方面磨损磨粒脱落、磨粒微破碎和新磨粒切削刃产生使得锯切力减小，它们彼此相互制约，形成了锯切力较小幅度的波动，大体上保持相对的稳定。锯切力比与锯片的锐利程度和工件材料的硬度有关。锯片锋利性越好，锯切力比就越小；料越硬越脆，锯切力比愈大。从图10（b）可知，辅加超声振动后，锯切力比降低，可见超声振动降低了磨粒切入工件的难易程度，从而减小了磨粒磨损。两种锯切方式下随锯切次数的增加，普通锯切力比上升的趋势更明显。这是因为普通锯切时，磨粒随锯切行程的增加，越来越钝；而超声振动辅助锯切良好自锐性使磨粒一直保持较好的锋利性。

通过以上分析两种锯切方式锯切力与力比随锯切量的累积变化趋势，从另一角度证明了超声振动冲击作用对锯切过程中锯片具有良好的自锐性。

超声振动辅助锯切相比于普通锯切，金刚石锯片之所以能够保持良好的自锐效果，其原因关键在于结合剂的快速去除，致使磨粒的裸露体积增大，出刃高度增加，新的磨粒及时出刃，保持了锯片上磨粒的锋利性和磨粒数量的动态稳定性。同时因结合剂的快速去除也就必然导致锯片径向磨损量一定程度增大。换句话而言，正是因为超声锯切过程中结合剂的快速去除，磨损的加大，才会致使超声锯切过程中锯片保持良好的自锐性。虽然普通锯切过程中锯片径向磨损量小于超声锯切，但是由于普通锯切过程中较差的自锐性，导致一定锯切行程后磨粒切削能力下降，锯切力明显增加。为了使普通锯切切削效果恢复到初始状态，就必须锯切一定行程后定期进行人为修锐（例如油石修锐），这不仅会增加加工时间，影响工件连续加工质量，而且也会因为修锐增大锯片径向磨损量。因此，相对于普通锯切而言，超声锯切过程中，锯片相对大的径向磨损量对于工件整体加工成本和质量而言，可以忽略。

4 结 论

（1）超声波辅助锯切过程中存在磨粒良好的自锐作用，其自锐性表现为：锯切过程中磨粒磨损和宏观破碎明显减少；发生微破碎产生新切削刃；结合剂去除速率增大，磨粒出刃高度增大，容屑体积增大，磨钝磨粒能及时脱落和产生新的磨粒，保持锯片锋利性。

（2）超声波振动冲击增大结合剂去除速率，导致超声波辅助锯切锯片径向磨损量大于普通锯切。

（3）超声波辅助锯切具有良好锯切性能，随着锯切总量的增加，锯切力、力比上升幅度小，保持相对稳定，从而使得锯切过程平稳，有利于材料获得更好加工效果。

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Influence of ultrasonic vibration on self-sharpening of diamond saw-blade during saw ing process

SHEN Jian-yun，XIANG Xin，XU Xi-peng
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen，361021，China）

Ultrasonic vibration assisted machining is a widely used method formachining of brittlematerials．The ultrasonic vibration also can dress the diamond grinding tool during themachining process．In the study，the influence of ultrasonic vibration on the self-sharpening of diamond saw-blade was investigated by observing saw-blade surface topography and analyzing cutting force during the process of ultrasonic vibration assisted sawing of alumina ceramic．The bond material of diamond saw-blade is continually removed and leads to new diamond protrusions on the blade surface under the shock of ultrasonic vibration．The diamond abrasives can keep always properly protrusive with enough chip space．Moreover，the shock of ultrasonic vibration can also break the diamond grits to produce micro cutting edges．Therefore，the saw-blade work surface steadily keeps sharp during ultrasonic vibration assisted sawing，and the sawing force and force ratio does not increase with the increasing of cumulative sawing paths．

ultrasonic vibration；sawing；self-sharpening；diamond saw-blade

TG580．6

A

10．13465／j．cnki．jvs．2015．12．009

国家自然科学基金（51275181）；教育部长江学者与创新团队发展计划（IRT1063）；福建省自然科学基金（2012301215）

2014－01－08 修改稿收到日期：2014－04－30

沈剑云 男，博士，研究员，1972年生