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摘要：藍(lán)寶石由于其良好的物理化學(xué)性能被廣泛運(yùn)用到光學(xué)電子、航空航天等領(lǐng)域。由于藍(lán)寶石硬度高、脆性大，使用傳統(tǒng)加工方法對(duì)其切割時(shí)，加工效率低且崩邊現(xiàn)象嚴(yán)重，工件無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品要求而報(bào)廢，針對(duì)這一問(wèn)題引入旋轉(zhuǎn)超聲鋸切對(duì)藍(lán)寶石在高速條件下進(jìn)行切割并進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文利用獨(dú)立研制的高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切系統(tǒng)進(jìn)行藍(lán)寶石鋸切試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比有無(wú)超聲鋸切加工時(shí)的鋸切力和鋸切比能的大小，以及加工后溝槽形貌特征來(lái)探究在高速條件下旋轉(zhuǎn)超聲鋸切藍(lán)寶石的加工特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：在超聲振動(dòng)作用下，鋸切切向力降低了50%~80%，法向鋸切力降低了35%~50%，鋸切比能隨鋸片線速度的提高大幅降低，同時(shí)超聲振動(dòng)改變了材料去除方式，藍(lán)寶石的材料去除方式轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑵扑槿コ?/span>

關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石；旋轉(zhuǎn)超聲鋸切；高速鋸切；鋸切比能；溝槽形貌

InvestigationontheSapphireinHigh-speedRotaryUltrasonicSawing

Abstract:Owingtothesapphirehasgoodphysicalandchemicalproperties,ithasbeensuccessfullyappliedtotheopticalelectronandaerospacefields.Duetoitshighhardnessandhighbrittlenessproperties,themachiningefficiencyislowandedgechippingphenomenonisserious.Sotheworkpiececannotmeettheproductrequirementsandscrap.Inordertosolvethisproblem,therotaryultrasonicsawing(RUS)technologywasintroducedtocutthesapphireunderhigh-speedsawing.Inthispaper,thesawingtestofsapphireinhigh-speedRUSwascarriedbydevicedevelopedbyourlaboratory.TheinfluencesofRUSonsapphireprocessinginhigh-speedwasexploredthroughcomparingthesawingforceandthesawingspecificenergy,aswellasthegroovemorphologyafterprocessing.Thetestresultsshowedthatthetangentialforcewasreducedby50%~80%,andthenormalforcewasreducedby35%~50%simultaneouslyinhigh-speedRUS.Asthelinearvelocity

increases,thespecificsawingenergyincreasesdramatically.Meanwhile,ultrasonicvibrationhaschangedthematerialremovalmethod,sothatthematerialremovalmethodofsapphiretendstoberemovedbymicrofractureremoval.

Keywords:sapphire;rotaryultrasonicsawing;highspeed;specificsawingenergy;groovemorphology

0前言

藍(lán)寶石由于其自身?yè)碛械母哂捕取⒛蜔帷⒛湍バ裕约皟?yōu)良的熱傳導(dǎo)性、電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)電子、航空航天等領(lǐng)域[1-4]。同時(shí)由于其更易獲得大尺寸并且成本更為低廉，藍(lán)寶石襯底是目前普遍的一種襯底材料[5]。裁切和開(kāi)方切片是藍(lán)寶石襯底制作過(guò)程中極為重要的一環(huán)。與玻璃、單晶硅等脆性材料相比，藍(lán)寶石的莫氏硬度為9，在自然界中僅次于金剛石，是典型的硬脆性材料。使用傳統(tǒng)切割方法對(duì)其進(jìn)行切割時(shí)極易產(chǎn)生崩邊、裂紋和加工效率低等問(wèn)題，尤其是崩邊現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低了工件的尺寸精度，影響了切片的表面質(zhì)量，也可能使工件在使用中無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的作用，直接增加了后續(xù)工序的工作量和成本。為解決這些問(wèn)題，許多學(xué)者采用激光切割、電火花切割、超聲振動(dòng)輔助切割等特種加工方法對(duì)其進(jìn)行加工[6-9]

旋轉(zhuǎn)超聲加工作為一種高效的新型特種加工方法，對(duì)于減小加工過(guò)程中的切削力、切削溫度、增加工件效率、延長(zhǎng)工具壽命等有著十分顯著的作用。旋轉(zhuǎn)超聲銑削、鉆孔及磨削等已被廣泛研究，但旋轉(zhuǎn)超聲鋸切(RUS)領(lǐng)域的研究很少。華僑大學(xué)的沈劍云等運(yùn)用設(shè)計(jì)二級(jí)變幅桿的方法在低速條件下進(jìn)行了徑向超聲鋸切的探索，對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行了鋸切試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲振動(dòng)增大了單顆磨粒切削厚度，改變了材料去除方式，降低了鋸切比能及鋸片與工件之間的摩擦能耗[10]。由于藍(lán)寶石硬度大，使得在低速條件下無(wú)法對(duì)其進(jìn)行高效加工，故本文將旋轉(zhuǎn)超聲鋸切技術(shù)引入到高速鋸切中，在高速條件下切割藍(lán)寶石片，通過(guò)有、無(wú)施加超聲的對(duì)比試驗(yàn)，分析高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切藍(lán)寶石的加工特征。研究結(jié)果表明，在高速條件下旋轉(zhuǎn)超聲鋸切相對(duì)普通鋸切可以顯著降低鋸切力和鋸切比能，并由于高線速度大幅降低了鋸切切向力，高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切硬度更高的藍(lán)寶石可以獲得比鋸切硬度較低的玻璃時(shí)更小的鋸切比能。同時(shí)在超聲振動(dòng)作用下，加工過(guò)程中材料去除方式發(fā)生了改變。

1徑向超聲振動(dòng)鋸切過(guò)程分析

在鋸切加工過(guò)程中，通過(guò)加工中心主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)切割片進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的鋸切工作，其加工過(guò)程的基本原理與磨削過(guò)程是類(lèi)似的。在普通鋸切中，切割片上的金剛石磨粒隨著切割片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合工件的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)組成實(shí)際的運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件的去除作用主要是靠鋸片上的金剛石磨粒來(lái)施加壓力的；施加超聲振動(dòng)后，在鋸切過(guò)程中增加了一個(gè)沿著切割片徑向的高頻振動(dòng)方式，即在鋸切過(guò)程中，切割片會(huì)對(duì)工件進(jìn)行高頻振動(dòng)沖擊，從而會(huì)導(dǎo)致工件疲勞產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)一步使其破碎去除，旋轉(zhuǎn)超聲鋸切過(guò)程模型如圖1所示。

在鋸切過(guò)程中主要的作用力為法向力Fn與切向力Ft，但是實(shí)驗(yàn)中采用三向壓電晶體測(cè)力儀測(cè)得的力為沿著加工中心坐標(biāo)系方向的力Fx與Fy，這兩種力之間存在有一定的夾角α，鋸切力的示意圖如圖1所示。

Fx與Fy二者之間的關(guān)系式如下所示：

式中，α為切割片和工件之間的加工接觸點(diǎn)與切割片中心垂直與工件方向之間的夾角，表示鋸切力合力的方向；ds為切割片的直徑。在實(shí)際鋸切實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于藍(lán)寶石工件屬于高硬脆性材料，其鋸切深度ap遠(yuǎn)小于切割片的直徑ds，因此α值趨向于0，則藍(lán)寶石的鋸切力Fn、Ft可以近似視為測(cè)力儀所測(cè)得的力Fx、Fy。

2實(shí)驗(yàn)裝置與方案

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

利用本實(shí)驗(yàn)室自行研制的旋轉(zhuǎn)超聲鋸切刀柄在五軸立式加工中心DMU50上進(jìn)行了本文的鋸切試驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)高速鋸切，旋轉(zhuǎn)超聲刀柄在電能換向部分的設(shè)計(jì)采用非接觸似設(shè)計(jì)，利用電磁感應(yīng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)非接觸感應(yīng)式供電從而大幅提升轉(zhuǎn)速。在超聲電源恒定功率下用KEYENCE激光位移傳感器測(cè)得鋸切徑向振幅為4μm。加工過(guò)程中鋸切力的監(jiān)測(cè)使用瑞士Kistler9257B三向測(cè)力儀和DEWESIRIUS-STG8數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)力信號(hào)進(jìn)行采集，裝置圖如圖2所示。

2.2實(shí)驗(yàn)條件與方案

本試驗(yàn)在鋸切過(guò)程中分別采用旋轉(zhuǎn)超聲鋸切和普通鋸切進(jìn)行加工，通過(guò)改變切削用量以及去除率和單顆磨粒切削厚度等參數(shù)來(lái)分別對(duì)鋸切比能進(jìn)行研究。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1超聲鋸切力

圖4所示為有無(wú)徑向超聲振動(dòng)輔助鋸切藍(lán)寶石鋸切力隨著切深的變化關(guān)系圖。

從圖3中可以看出，無(wú)論有沒(méi)有超聲振動(dòng)的作用，鋸切法向力與切向力均隨著切深ap增加而增大，這是由于隨著切深ap的增大，切割片與藍(lán)寶石片之間的接觸面積增大，進(jìn)而增加了工件與工具之間的摩擦作用，因此使得鋸切力增大。同時(shí)線速度vs的增加使得單位時(shí)間內(nèi)參與切削的有效磨粒數(shù)增多，因此單顆磨粒對(duì)于工件材料的切削量減少，因此，隨著線速度vs的增大，鋸切力反而減小。

當(dāng)加入了超聲振動(dòng)作用后，從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，鋸切法向力與切向力都得到了大幅度的降低。高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切與傳統(tǒng)鋸切的不同之處在于二者對(duì)工件材料的切削方式的不同，施加了超聲振動(dòng)后，切削方式從普通鋸切中的連續(xù)切削轉(zhuǎn)換成了間歇式的切削方式，一方面改變了磨粒切入工件的方式，另一方面則減少了工具和工件之間的接觸時(shí)間，從而導(dǎo)致鋸切力的降低。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鋸切方式相比，在高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切藍(lán)寶石中，當(dāng)線速度為23.6m/s時(shí)，切向力降低了50%~65%，法向力降低了40%~50%，而線速度為31.4m/s時(shí)，切向力降低了75%~80%，法向力降低了35%~50%。對(duì)于高線速度而言，超聲振動(dòng)減小切削力的效果更為明顯，而且，切向力的減小百分比明顯高于法向力。

3.2超聲鋸切比能

鋸切比能反映了鋸切過(guò)程中能量的相關(guān)關(guān)系，是鋸切加工中的非常關(guān)鍵的參量，具體表達(dá)式如下所示[11]：

式中，U為鋸切比能；vs指切割片的線速度；b指切割片厚度。

根據(jù)鋸切比能計(jì)算表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)，鋸切速度和切向力的大小在很大程度上決定了鋸切比能的大小，且隨著鋸切速度的增大，鋸切比能也應(yīng)增大。但根據(jù)圖4(a)中所示內(nèi)容能夠發(fā)現(xiàn)，鋸切比能隨著線速度的增大而降低，且從圖4(b)中可以發(fā)現(xiàn)其比能大小比鋸切硬度較小的光學(xué)玻璃還要小。由鋸切力的分析可知其原因?yàn)殇徢芯€速度的提高大幅降低了切向力的大小，從而降低了鋸切比能。同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切藍(lán)寶石隨著鋸切深度ap的增大，其變化較為緩慢，即鋸切比能較為穩(wěn)定。

鋸切深度ap增大使得工具和工件之間的接觸面積增大，相應(yīng)的也增大了二者之間的摩擦作用，消耗的能量增大，因此比能增大，進(jìn)給速度對(duì)于比能的影響原理與鋸切深度的類(lèi)似；而在超聲振動(dòng)的作用下，藍(lán)寶石工件表面受到高頻的沖擊，容易產(chǎn)生微裂紋，這與普通鋸切過(guò)程中直接去除工件材料相比，去除相同體積的材料所需的能量更小，因此鋸切比能也相對(duì)來(lái)說(shuō)較小。

圖5所示為鋸切比能隨材料去除率的變化曲線圖，材料去除率是指單位時(shí)間內(nèi)工具加工去除的材料體積，而鋸切比能是指去除單位體積工件材料所消耗的能量，很明顯，隨著材料去除率的增加，鋸切比能呈下降的趨勢(shì)。同樣的，超聲振動(dòng)的作用能夠有效的減小鋸切比能，并且，在超聲振動(dòng)的作用下，鋸切比能的變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。

3.3溝槽形貌特征分析

圖6所示為在線速度vs=31.4m/s，vw=35mm/min時(shí)有無(wú)徑向超聲振動(dòng)兩種加工方式下所得到的藍(lán)寶石片的溝槽形貌圖，根據(jù)圖9能夠發(fā)現(xiàn)，藍(lán)寶石的溝槽形貌主要能分為3種：A為塑性耕犁，B為微破碎狀，C為大塊剝落狀。

由圖6(a)、(b)可以看出，在普通鋸切方式下，藍(lán)寶石片去除方式主要為塑性變形去除及大塊剝落形式，塑性耕犁痕跡較為明顯，并且大塊剝落處留下的凹坑所占面積較大；而圖6(c)、(d)的高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切下，藍(lán)寶石片的溝槽形貌主要呈現(xiàn)微破碎形式，同時(shí)有少量的塑性耕犁現(xiàn)象存在，而大塊破碎狀的材料去除方式已經(jīng)不復(fù)存在，但仍然有一些小的凹坑。

工件微觀形貌主要反映著材料去除的形式，其與工件材料本身的性能有關(guān)，對(duì)藍(lán)寶石片而言，在無(wú)超聲鋸切中，主要以塑性去除為主，因此微觀形貌主要呈現(xiàn)為塑性耕犁劃痕，而在超聲振動(dòng)的作用下，切割片對(duì)藍(lán)寶石片表面的高頻沖擊，使工件材料容易產(chǎn)生微裂紋，通過(guò)裂紋的進(jìn)一步延伸使其疲勞破碎，因此將無(wú)超聲鋸切加工中的大塊剝落現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成脆性去除的微破碎形式。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)藍(lán)寶石在高速條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)超聲鋸切試驗(yàn)，分析其鋸切力、鋸切比能及溝槽形貌特征。研究結(jié)果表明，高速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切相對(duì)普通鋸切可以顯著降低鋸切力及鋸切比能，并在超聲振動(dòng)作用下改變材料去除方式。

(1)在超聲振動(dòng)的作用下，隨著切深的增大，當(dāng)線速度為23.6m/s時(shí)，切向力降低了50%~65%，法向力降低了40%~50%，而線速度為31.4m/s時(shí)，切向力降低了75%~80%，法向力降低了35%~50%，高線速度對(duì)切向力的影響更為明顯；

(2)與低速旋轉(zhuǎn)超聲鋸切玻璃相比，由于高鋸切線速度大幅降低了鋸切切向力，在高速條件下鋸切硬度更高的藍(lán)寶石時(shí)的鋸切比能反而更低；

(3)通過(guò)對(duì)溝槽形貌進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在無(wú)超聲鋸切中，材料去除方式主要以塑性去除為主，因此微觀形貌主要呈現(xiàn)為塑性耕犁劃痕，而在超聲振動(dòng)的作用下，切割片對(duì)藍(lán)寶石片表面的高頻沖擊使工件材料容易產(chǎn)生微裂紋，通過(guò)裂紋的進(jìn)一步延伸使其疲勞破碎，因此將無(wú)超聲鋸切加工中的大塊剝落現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成脆性去除的微破碎形式，這在一定程度上也降低了鋸切比能。

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