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摘要：隨著科研和工業(yè)技術的迅速發(fā)展，硬脆材料在各個領域的應用已經(jīng)日益普遍。這些硬脆材料，如硅單晶、石英晶體、陶瓷、寶石、玻璃、稀土磁性材料、半導體材料、硬質(zhì)合金等。金剛石線鋸在硬脆材料的加工方面逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(yōu)點：加工表面損傷小、撓曲變形小、切片薄、片厚一致性好、能切割大尺寸硅錠、省材料、效益好、產(chǎn)量大、效率高等，是一種相對較新的技術，在近十幾年來得到了快速發(fā)展。
本文提出了電鍍金剛石線鋸超聲波切割技術完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的切割方法。該研究課題具有較大的研究價值和實際應用意義。研究內(nèi)容包括： ①研制一臺電鍍金剛石線鋸超聲波切割實驗裝置; ②研制適合超聲振動條件下的電鍍金剛石線鋸; ③對電鍍金剛石線鋸和磨粒進行運動和動力學分析，研究電鍍金剛石線鋸的加工軌跡; ④對電鍍金剛石線鋸超聲振動鋸切有關的工藝參數(shù)與材料去除率、鋸切力、表面質(zhì)量等方面進行系統(tǒng)的實驗研究; ⑤對電鍍金剛石線鋸的超聲鋸切時線鋸的失效形式及機理進行了實驗研究與分析; ⑥最后通過研究電鍍金剛石線鋸超聲鋸切過程的分析，從斷裂力學和鋸切力的角度分析研究材料去除機理。 該項技術與傳統(tǒng)的硬脆材料切割方法不同，通過研制電鍍金剛石線鋸超聲波切割實驗裝置驗證了該項技術的原理是可行的。與有關單位合作，采用自制的電鍍設備及工裝進行了線鋸的電鍍工藝研究，并制造出了質(zhì)量穩(wěn)定的電鍍金剛石線鋸，鍍層和基體結(jié)合牢固，鍍層對金剛石顆粒的把持良好，金剛石顆粒分布均勻，達到該項技術條件的使用要求。通過對該實驗裝置中的關鍵技術研究，設計制造了超聲電源、換能器、變幅桿等。該實驗裝置的主要技術參數(shù)是：超聲發(fā)生器的功率為250W(可調(diào))，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20μm。 對電鍍金剛石線鋸超聲振動鋸切工藝進行了深入研究，實驗結(jié)果表明該方法的材料去除率可達25mm/min以上，大大高于相同條件的往復式線鋸，是其材料去除率2.5～3倍，能充分發(fā)揮金剛石的卓越性能。在此基礎上進一步研究了金剛石粒度、側(cè)向壓力、線鋸速度以及工件材料性質(zhì)對鋸切過程的影響。通過正交試驗對鋸切工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。優(yōu)化實驗表明：要獲得較高的鋸切效率，較好的質(zhì)量和最優(yōu)的經(jīng)濟性，其最佳的工藝參數(shù)為：金剛石粒度為180~#，側(cè)向壓力為12N，線鋸往復速度為300rpm，鋸切效率最高。其加工零件的表面粗糙度為Ra0.7～0.8μm，比相同條件下的往復式線鋸(Ra1.3～1.5μm)提高近1倍。
經(jīng)過對電鍍金剛石線鋸和磨粒進行了運動和動力學分析，作者認為在鋸切過程中磨粒在去除過程中與工件的接觸是非連續(xù)狀態(tài)的，其實際接觸時間只占整個工作周期的1/3～1/5，試驗結(jié)果和理論分析都證明其總的平均鋸切力小、鋸切溫度要降低，而且局部產(chǎn)生的應力也有充足的釋放時間和條件。 通過對電鍍金剛石線鋸實驗和分析，作者認為金剛石線鋸的失效形式主要有：金剛石顆粒的磨損、破碎和脫落等。在超聲振動切割時，金剛石顆粒受到的沖擊作用，由線鋸的柔性而得到一定程度緩解，一般不會因機械沖擊而產(chǎn)生破碎或脫落，主要表現(xiàn)為拋光磨平。在較低鋸切速度下，由于鋸切力較大，金剛石顆粒將產(chǎn)生破碎和脫落。金剛石顆粒首先在較小的應力和鋸切熱的作用下，在尖角和棱邊處產(chǎn)生拋光磨平或輕微的局部破碎，隨著磨平和局部破碎的不斷增加，金剛石承載能力下降，部分金剛石顆粒將產(chǎn)生整體破碎。摩擦產(chǎn)生大量的鋸切熱，使鍍層軟化，降低鎳鍍層對金剛石顆粒的把持力，在機械沖擊的作用下，金剛石顆粒會產(chǎn)生整體脫落現(xiàn)象。當參數(shù)選擇不當，線鋸的壽命會大大降低甚至會發(fā)生斷裂。 通過對金剛石線鋸鋸切力的理論研究，建立了線鋸切割時鋸切力的理論模型。該模型在分析單顆粒金剛石的鋸切力的基礎上，綜合考慮了線鋸速度、工件進給速度、線鋸參數(shù)和工件性質(zhì)對鋸切力的影響。
研究結(jié)果表明：金剛石線鋸的鋸切力與工件材料的厚度和工件進給速度成正比和線鋸速度成反比，并且和材料性質(zhì)有關。在研究分析已有的硬脆材料去除機理的基礎上，提出了電鍍金剛石線鋸超聲鋸切機理的模型，根據(jù)壓痕模型，認為電鍍金剛石線鋸超聲鋸切過程中的材料去除的主要原因是由赫茲碎裂(Hertzian Fracture)引起的。假如工件材料的表面被一個滑動的壓頭彈性地壓下，則在壓頭滑移軌跡后面的材料中產(chǎn)生張應力場，當其值超過臨界的正常負荷時，就會產(chǎn)生局部圓錐形裂紋，這個負荷比使材料表面形成永久刻痕所必需的力要小得多，這說明在較低的壓力下硬脆材料仍可被破碎。在此基礎上分析了電鍍金剛石線鋸超聲鋸切去除材料中，除常規(guī)的鋸切過程外還包括壓縮狀態(tài)下的裂紋擴展、拉伸狀態(tài)下的裂紋擴展、空化狀態(tài)下的裂紋擴展、在錘擊、沖擊和滾動切削作用下裂紋的擴展等。而裂紋在形成、擴展、閉合過程中，在縱向和橫向是不同的，縱向裂紋的尺寸要大于橫向裂紋，而橫向裂紋尺寸是形成工件表面粗糙度的主要因素。
