硬脆材料加工实验教学平台研制与应用

王艳，宋李兴，刘建国，钱炜，赵博成

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

上海理工大学机械学院的《机械制造技术B》是上海市课程思政改革的专业核心示范课程，也是入选2020年上海市重点课程建设的重要课程。该课程除了讲解传统的金属切削加工方法外，还涉及到一些先进特种加工方法的介绍。对于难加工材料比如单晶硅、碳化硅、工程陶瓷、光学玻璃等硬脆材料，其广泛应用于半导体制造、航空航天、精密光学仪器等尖端仪器装备中[1]。这一类材料具有较低的抗拉强度和抗剪强度，较高的抗压强度，以及极低的断裂韧性，特殊的力学性能会导致硬脆材料在进行机械加工时特别容易发生脆性破碎[2]；同时，高硬度特性也使得其在加工中的材料去除率很低，加工效率低。因此，硬脆材料的加工一直是机械加工中的难题。目前，我国高校的机械制造实验设备大多采用各类传统机械加工设备，如磨床、车床、铣床等[3]，此类传统的加工机床只适用于传统的金属材料的加工，不适用于硬脆材料的加工，越来越难以满足快速发展的“新工科”实验教学的需求。

线锯切割工艺是一种适用于硬脆材料加工的工艺，常用的锯丝主要有游离磨料锯丝与固结磨料锯丝两种。诸多学者的研究表明，相比使用游离磨料锯丝切割，使用固结锯丝切割具有加工效率高、锯丝使用寿命长、环境污染小等优点[4-6]。为了进一步提高线锯的切割效率与降低工件表面粗糙度，有学者提出了将超声振动加工工艺与线锯切割工艺相结合的超声振动辅助金刚石线锯切割技术，即在线锯锯丝上施加垂直于锯丝轴线方向的超声振动。大量实验表明，相比于传统的线锯切割，超声振动辅助线锯切割具有高效、高精度、高质量的加工特点，是对硬脆材料进行高精度高效率切割加工的理想工艺[7-8]。

为了更好地填补硬脆材料加工与超声振动加工在“机械制造技术”与“精密加工技术”等机械制造类课程实验教学中的空白，本文提出了一种超声振动辅助线锯切割硬脆材料实验教学平台。该实验台灵活地将线锯切割加工与超声振动加工相结合，整体结构简单、成本低、操作简便安全、环境污染小、噪声小、易于检修与维护，工件材料可以使用玻璃陶瓷、大理石等低成本实验材料，十分适合应用于面向硬脆材料加工的实验教学演示。该平台能加深相关专业学生对硬脆材料加工和超声振动加工的认识与理解，促进其对机械制造领域复杂工程问题的理解，使得机械制造类课程实验教学过程更加符合“工程教育”的培养目标，推动机械制造专业实验装备技术发展，为“新工科”背景下高等工程教育的实验教学建设提供硬件升级[9-11]。

1 实验平台设计

固结磨粒线锯切割机理示意图如图1 所示[12]。磨粒被固结在锯丝表面并在锯丝的带动下直接划擦工件实现材料的去除。超声振动辅助线锯切割硬脆材料实验教学平台示意图如图2 所示。丝筒旋转带动锯丝运动以提供锯丝的线速度Vs，机床带动导轮与锯丝靠近与远离工件提供锯丝的进给速度Vw，载料盘带动工件旋转或静止以提供工件的旋转速度nw，张紧轮提供锯丝的张紧力。

图1 固结磨粒线锯切割机理示意图Fig.1 Schematic diagram of fixed abrasive wire sawing

图2 超声振动辅助线锯切割硬脆材料实验教学平台示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental teaching platform of ultrasonic-vibration-assisted wire sawing hard and brittle materials

根据超声辅助线锯切割工艺的加工特点，本文中的实验教学平台能够很好、可控地通过改变加工参数，将工件表面形貌的变化在教学过程中展现出来。实验教学平台主要包括线锯机床与超声振动辅助系统2 部分：线锯机床为国产的机床产品，可以设置不同的Vs，Vw，nw；超声振动辅助系统为自主设计的装置，可以设置不同的超声振动的频率f 与振幅A，主要包括超声发生器、超声换能器、变幅杆、微调装置、导轮等；超声振动辅助系统的结构示意图如图3 所示。微调装置通过型材支架与线锯机床相固定，通过微调装置可以调整变幅杆与锯丝之间的距离，超声换能器与变幅杆将接收到的超声发生器的电信号转变为超声振动的频率f、振幅A 信号，再通过导轮将超声振动施加到线锯锯丝上，机床的三爪卡盘夹紧载料盘并由电机带动旋转，工件粘结在载料盘上。

图3 超声振动辅助系统结构示意图Fig.3 Schematic diagram of ultrasonic-vibration-assistance system

2 超声振动辅助线锯切割试验

利用工件表面形貌的变化验证超声振动辅助线锯切割可以作为一种新型的线锯切割硬脆材料的手段，施加超声振动能够改善工件粗糙度。为了研究单个因素对试验结果的影响，控制实验变量，采用单因素实验法进行试验。为了使实验结果根据说明性，减少实验的偶然性，进行多组试验。

2.1 试验流程

试验所用工件为高纯度无掺杂圆柱形单晶硅（尺寸为Φ36 mm×100 mm），具有纯度高、力学性能稳定的优点。实验加工时，为了防止单晶硅因夹持力而破碎，采用高强度AB 胶将单晶硅工件粘接在机床的R 轴载料盘上。实验平台采用的线锯机床为泰州市晨虹数控设备制造有限公司生产的数控单线金刚石线切割机床CHSX5630-XW，超声振动辅助系统为自主设计的装置，超声振动辅助线锯切割硬脆材料实验教学平台如图4 所示。

本文选取7 组不同组合的工艺参数进行单因素试验研究，并在每一种工况下，分别进行普通和超声锯切试验以进行对比，共14 组试验，切片厚度均为1 mm，线锯试验安排表如表1 所示。

表1 线锯试验安排表Tab.1 Experimental sawing parameters of wire sawing

2.2 试验结果与分析

利用电子显微镜观察工件表面凹坑情况，取I-6、II-6 两组切割参数相同的试验结果分析超声振动的作用，工件表面SEM 照片如图5 所示。利用粗糙度测量仪测量工件表面粗糙度，分析各切割参数对线锯工艺的影响，各组试验得到的工件表面粗糙度结果如表2 所示。

图5 工件表面形貌对比（Vs=4 m/s；Vw=1 mm/min；nw=5 r/min）Fig.5 Surface morphology comparison of workpiece（Vs=4 m/s；Vw=1 mm/min；nw=5 r/min）

表2 工件表面粗糙度值Tab.2 Surface roughness results of workpiece

由图5 可以看出，普通锯切的工件表面凹坑较大，凹坑边缘清晰，说明工件材料发生了大块的层状剥落，而施加超声振动后锯切的工件表面凹坑更加细小，疏松，边缘模糊，说明工件发生了微细剥落。分析其原因认为：在普通锯切中，磨粒与工件持续接触、挤压，导致材料发生脆性断裂时横向裂纹扩展程度较大，部分横向裂纹延伸到已加工工件表面，不同的横向裂纹之间相互交叉，导致其包络的部分材料发生了大块的层状剥落，因此形成了块状凹坑。在超声振动辅助锯切中，磨粒对工件材料作用力是间断的高频冲击力，持续时间很短，材料发生脆性断裂时，横向裂纹扩展程度较小，但数量较多，因此形成了工件表面的大量点状凹坑。

由表2 可以看出，在试验范围内，随着Vs的增加，工件表面粗糙度值减小。这是因为随着Vs增大，单位时间内磨过工件表面同一位置的磨粒数量增多，不同磨粒的划痕相互重叠，互相削去彼此的轮廓尖峰，从而降低了工件表面粗糙度值；随着Vw的增加，工件表面粗糙度值增大。这是因为随着Vw增大，单位时间内磨过同一位置的磨粒数量减少，减弱了不同磨粒的划痕重合作用，导致表面粗糙度值增加；随着nw的增大，工件表面粗糙度值减小。这是因为随着nw增大，单位时间内工件上同一位置接触的磨粒增多，增强了磨粒对工件表面的反复研磨作用，降低了工件表面粗糙度值；当切割单晶硅的切割参数相同时，超声振动辅助线锯切割的工件的表面粗糙度变小。这是因为超声振动使磨粒沿进给方向高频划擦工件的已加工表面，增加了磨粒对工件表面的反复研磨作用，进一步削去了工件表面的轮廓尖峰，从而降低了工件表面粗糙度值，当切割参数相同时，施加超声振动后工件表面粗糙度值平均减小约20.85%。

在实际生产加工中，普通锯切工件表面的凹坑体积较大，且边缘很锐利，在后续的研磨和抛光工序中难以去除，而超声振动辅助锯切工件表面的疏松点状凹坑可以在后续研磨和抛光工序中轻松去除，获得表面质量更高的产品。由此可以看出，超声振动辅助锯切相对于普通锯切的巨大优势，不同的切割参数对工件表面粗糙度值有不同程度的影响，可以通过试验得到满足实际需求的切割参数组合。在实验教学过程中，通过本实验平台的试验能够方便便捷地改变切割工况，通过对比不同工况下的工件的微观照片与表面粗糙度值，能够直观看到不同切割参数与超声振动对线锯切割工艺的影响。

3 结论

针对现有的硬脆材料加工与超声振动加工实验教学设备的技术困境，本文基于超声振动辅助线锯切割工艺的优点设计了一种新型的超声振动辅助线锯切割硬脆材料实验教学平台。该平台中的超声振动辅助系统结构简单、成本低廉。工件可以选用玻璃、陶瓷等廉价的硬脆材料，在切割实验过程中，环境污染小、噪音小，设备安装便捷、试验过程操作简单安全，适合作为实验教学平台。试验结果表明：随着线锯锯丝线速度Vs的增加，工件表面粗糙度值减小；随着锯丝进给速度Vw的增加，工件表面粗糙度值增大；随着工件旋转速度nw的增加，工件表面粗糙度值减小；相比传统的线锯切割，超声振动辅助线锯切割的工件表面粗糙度值平均减小了20.85%左右，这也与多数学者的研究相近。因此，整个试验方法及试验装置具有很好的普适性和推广价值，十分适合作为硬脆材料加工与超声振动加工的实验教学平台进行普及与推广，能够为“机械制造技术B”和“精密加工技术”等机械专业制造类课程的实验教学提供良好的硬件支持。