摘要　對電鍍金剛石線鋸鋸切微晶玻璃的工藝參數(shù)進行了試驗優(yōu)化研究。設(shè)計了3因素4水平的正交試驗，分析了工件進給速度、鋸絲線速度和氣缸壓力對切片表面粗糙度和鋸切效率的影響，獲得了基于降低表面粗糙度和提高鋸切效率的鋸切工藝參數(shù)。在本試驗范圍內(nèi)，優(yōu)化的工藝參數(shù)為：工件進給速度0.75mm/min、鋸切線速度1.7m/s，氣缸壓強0.26ＭＰa。
　
　　自從微晶玻璃出現(xiàn)以后，在短短的二三十年時間里，就廣泛應(yīng)用于電子、化工、生物醫(yī)學、機械工程、軍事和建筑等領(lǐng)域。微晶玻璃的加工越來越受到重視，由于微晶玻璃硬度高、韌性小、導熱性差，加工點附近的溫度容易上升，刀具的磨損較大，這決定了切割微晶玻璃的刀具不同于金屬加工，不能采用硬質(zhì)合金或高速鋼或其他金屬加工用的刀具，微晶玻璃一般采用金剛石刀具進行機械加工，這樣就可以避免玻璃開裂或崩角等現(xiàn)象，還可以提高加工效率。
　　固結(jié)磨料金剛石線鋸[1－2]是指通過采用某種技術(shù)或工藝方法將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒牢固地固結(jié)在鋼絲基體表面上而制成的一種切割工具[3]，非常適合加工微晶玻璃。固結(jié)磨料金剛石線鋸具有切縫窄、鋸切效率高、切片質(zhì)量好、對環(huán)境污染小、能加工大直徑工件和超硬材料等優(yōu)點[4]，在硬脆材料的加工方面得到了較為廣泛的應(yīng)用[5]。綜上所述，固結(jié)磨料金剛石線鋸是目前比較適合微晶玻璃等脆硬材料的切割工具。我們采用電鍍金剛石線鋸切割微晶玻璃，研究鋸絲線速度、材料進給速度、鋸絲張力與表面粗糙度和鋸切效率的關(guān)系，分析影響切割表面質(zhì)量的因素，為提高表面質(zhì)量和鋸切效率確定最優(yōu)化的工藝參數(shù)。

　　1 試驗原理與設(shè)備
　　采用ＸＤ－170型金剛石線旋轉(zhuǎn)點切割機，實物如圖1所示。鋸絲運動方式為往復(fù)式，Ｘ，Ｙ軸移動平臺由雙直線導軌支撐，精密絲杠/步進電機驅(qū)動，單片機控制，進給速度可無級調(diào)節(jié)，在0.025~18mm/min之間可精確控制切割厚度。Ｘ軸移動平臺上裝有十安夾具，可實現(xiàn)對棒料的夾持。本次試驗使用的是橫截面為正方形的棒料，切割阻力不隨切割深度變化而變化，使切割面面形一致，從而實現(xiàn)被切材料的平整度、平行度能夠達到所需的技術(shù)指標。
 

　　使用電鍍金剛石鋸絲切割微晶玻璃，鋸絲直徑為0.5mm，電鍍金剛石顆粒的平均直徑為30~40μm，工件進給速度范圍為0.25~0.75mm/min，鋸絲線速度為1.5~1.8m/s，氣缸壓強為0.2~0.26ＭＰa。切割材料為鋰鋁硅系微晶玻璃，該系列玻璃具有良好的耐熱性和零膨脹的特性，硬度高，但是韌性小。
實驗采用德國ＭＡＨＲ公司生產(chǎn)的Ｓ3Ｐ表面粗糙度測量儀，如圖2所示。能測量下列三個參數(shù)任意一個：Ｒa，Rmax，Rz，且可選擇相互替換。可以在水平，垂直或倒置位置上進行測量，其測量范圍為Ｒa0.02~25μm。
 

　　2 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

　　影響切片質(zhì)量和鋸絲壽命的鋸切工藝參數(shù)有鋸絲線速度、鋸絲張緊力和工件進給速度等因素。為了提高鋸切效率和切片質(zhì)量，有必要對鋸切工藝參數(shù)優(yōu)化，為此，設(shè)計了一組正交試驗。試驗時，改變張緊支持輪的氣缸壓力，從而改變鋸絲上的張緊力。通過控制箱上的調(diào)速裝置來控制電機轉(zhuǎn)速，可得到不同的鋸切速度（即鋸絲線速度）。由Ｘ軸移動平臺的調(diào)速器來控制工件的進給速度。
　　影響因素：鋸切速度、鋸絲張緊力和工件進給速度，每個因素取四個水平，因素水平表見表1。粗糙度測量方法采用垂直切削紋路，沿進給方向依次測量三次取平均值的方法，確定微晶玻璃切片最終的粗糙度值。鋸切工藝參數(shù)優(yōu)化正交試驗計劃及試驗結(jié)果見表2。

 

　　3 試驗結(jié)果分析

　　3.1 表面粗糙度正交試驗分析
　　對表面粗糙度的方差分析結(jié)果見表3。可見，工件進給速度對切片表面粗糙度值的影響最大。各加工參數(shù)對切片表面粗糙度的影響主次順序依次為：工件進給速度，鋸絲線速度，氣缸壓強。

 

　　直接比較試驗結(jié)果，很容易看出第13號試驗表面粗糙度最小，為0.53μm。但是，根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)及其計算結(jié)果，可以得出各加工參數(shù)的優(yōu)化條件分別為：Ａ4B3C4即工件進給速度0.75mm/min、鋸絲線速度1.7m/s，氣缸壓強0.26Mpa。經(jīng)試驗驗證，此時的切片表面粗糙度為0.51μm，為最佳結(jié)果。切片表面形貌如圖3所示。
 

　　3.2 不同加工參數(shù)對表面粗糙度的影響
　　圖4為不同加工參數(shù)下的表面粗糙度均值圖。如圖4a所示，在其他參數(shù)相同的條件下，隨工件進給速度增大，粗糙度有小幅上升后急劇下降。主要原因是：工件進給速度增加，導致鋸絲振動加劇，表面粗糙度值有所增加。當進給速度繼續(xù)增加時，由于鋸絲與工件之間的作用力增大，從而增大了磨料與加工表面的擠壓、劃擦等，鋸絲變形也隨之加大，導致表面粗糙度值降低[6]。
　　如圖4b所示，隨鋸切絲速度提高，表面粗糙度值短暫下降之后基本保持平穩(wěn)。因為線速度增加使得單個磨粒的未變形切屑厚度減小，從而表面粗糙度值減小。當鋸絲線速度進一步增加時，并不能明顯減小表面粗糙度值，其原因主要是，線速度增大，使得鋸絲與工件之間的沖擊力增大，系統(tǒng)振動加劇，從而破壞了鋸絲相對工件的正確位置[6]。
　　如圖4c所示，氣缸壓強值的大小主要反映了鋸絲的張緊力的大小。張緊力越大，鋸絲的振動頻率隨之增大，導致切片表面的紋路增加，表面粗糙度值上升。但是當張緊力達到一度閾值，振動會減小，切片粗糙度會得到改善。
 

　　3.3 鋸切效率的試驗分析
　　由表4鋸切效率的方差分析可以看出：工件進給速度對鋸切效率的影響最大。其他加工參數(shù)對鋸切效率的影響很小，可忽略不計。所以只要保證進給速度在工藝允許的范圍內(nèi)最大，就可以得到較高的鋸切效率。從提高表面粗糙度和鋸切效率的角度考慮，提高工件進給速度是最有效的方法。可以直接選取上述優(yōu)化條件Ａ4Ｂ3Ｃ4。
　　圖5為不同工藝參數(shù)下鋸切效率的均值圖。如圖5所示，隨工件進給速度增加，鋸切效率增加。鋸絲線速度和氣缸壓強對鋸切效率幾乎沒有影響，與試驗分析結(jié)果一致。原因在于：平均單顆磨粒的去除量是不變的，當工件進給速度增加時，總的去除量是增加的。而鋸絲線速度和氣缸壓強增加時并不能增加總的去除量，所以鋸切效率主要受工件進給速度影響。
 

　　4 結(jié)論

　　在電鍍金剛石線鋸切割機床上，對微晶玻璃進行了鋸切試驗，用正交試驗方法對鋸切工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。結(jié)論如下：
　　（1） 工作進給速度對表面粗糙度和鋸切效率影響最大，提高工件進給速度有助于降低表面粗糙度值，提高鋸切效率。
　　（2） 鋸絲線速度和氣缸壓強對于鋸切效率幾乎沒有影響。
　　（3） 鋸切微晶玻璃時，為保證較高的鋸切效率和最佳表面粗糙度，在本試驗范圍內(nèi)，最佳工藝參數(shù)為：工件進給速度0.75mm/min、鋸絲線速度1.7m/s，氣缸壓強0.26Mpa.

　　參考文獻：
　　[1]　孟劍峰，孟磊，韓云鵬。環(huán)形金剛石線鋸加工參數(shù)優(yōu)化[Ｊ]。金剛石與磨料磨具工程，2008（5）：35－38.
　　[2]　趙禮剛.金剛石線鋸切割半導體陶瓷的機理與工藝研究[Ｄ].南京：南京航空航天大學，2010.
　　[3]　高偉，劉迎.環(huán)形電鍍金剛石線鋸鋸切工藝參數(shù)優(yōu)化[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2005（6）：54－55.
　　[4]　高偉，竇百香，劉偉.固結(jié)磨料金剛石線鋸制造方法和切割形式的研究進展[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2008（5）：30－34.
　　[5]ZHAO L G，ZUO D W,SUN Y L,et al.The analysis on the Stability of Diamind Wire Saw Cutting Process of the Silicon[J].Key Engineeting Material,2009,407-408:684-689.
　　[6]　沈兆俠，陳榮發(fā)，孫玉利，等.金剛石線鋸切割對砷化鎵切片表面質(zhì)量的影響[Ｊ].揚州大學學報，2010，13（2）：33－36.

　　作者簡介
　　楊楊，男，1986年生，南京航空航天大學碩士研究生，研究方向：精密加工。