金刚石线锯横向超声振动切割SiC单晶表面 粗糙度预测*

把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中,基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论,定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型,得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以SiC单晶为切割对象,进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验,测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度,并对表面形貌进行观察。结果表明,横向超声振动线锯切割SiC是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下,超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。     

超声辅助金刚石线锯切割硬脆材料的研究

金刚石线锯切割硬脆材料时具有切缝窄、柔性好等优点而广为应用,通过添加超声振动装置更能显著提高加工效率及降低表面粗糙度。介绍了金刚石线锯超声复合加工系统的具体结构及超声添加方式,分析了横向和纵向两种不同超声激励下线锯的有效切割过程,对金刚石磨粒的切削运动过程进行了分析研究,建立了单颗磨粒去除模型,总结了超声振动对线锯切割加工的影响因素。     

环形电镀金刚石线锯的研制

研制了一种新型环形电镀金刚石线锯 ,介绍了锯丝基体的制备及锯丝电镀工艺。锯切试验表明该金刚石线锯具有锯切表面质量好、锯切效率高、出材率高等优良性能 ,尤其适合贵重硬脆材料以及各向异性复合材料的切割加工。     

大尺寸SiC单晶片的超硬磨料切割技术研究进展

在SiC单晶片的制造中,切割是加工SiC单晶片的关键工序,其成本占整个加工成本的50%以上。然而,传统的切割技术还存在一定的缺点或局限性。本文在分析传统切割技术的基础上,较详细地介绍了金刚石线锯超声纵向振动切割技术,指出金刚石线锯超声纵向振动切割技术与相同实验条件下的未施加超声振动的锯切方法相比,具有加工材料去除率高、表面质量好、加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好、能切割大尺寸SiC锭等优点,是应用前景非常广泛的切割方法。     

超声辅助金刚石线锯复合切割技术的研究进展

硬脆材料与复合材料等高性能材料在多个领域广泛应用,其切割主要采用金刚石线锯加工技术。近年来,对切割加工质量和效率的要求不断提高,超声辅助金刚石线锯复合切割技术逐渐发展起来。超声辅助金刚石线锯复合切割技术提高了锯切效率和加工表面质量,延长了锯丝服役寿命,是未来的重要发展方向。文章从超声辅助金刚石线锯复合切割技术的加工原理、加工质量和影响因素等方面概述了该技术的研究现状,并对未来需进一步研究的问题和发展方向进行了展望。     

超声椭圆振动切削硬质合金脆性-延性转变临界条件研究

为了实现硬质合金的高效延性加工,联系硬脆材料表面生成裂纹的临界载荷与超声椭圆振动切削硬质合金的主切削力,建立超声椭圆振动切削硬质合金脆性-延性转变的临界切削深度模型,研究切削速度、刀具圆弧半径、椭圆振动频率、振幅、硬质合金的硬度、断裂韧性与临界切削深度的关系;通过仿切削刻划试验,验证了切削速度与硬质合金的硬度、断裂韧性对临界切削深度的影响规律;对比普通切削,超声椭圆振动切削有利于提高硬质合金的临界切削深度,在改善加工表面质量及精度的前提下,提高了加工效率。     

固结磨粒线锯的随机力建模与振动分析

固结磨粒线锯是目前切割脆硬材料的主要方法,由于线锯属于柔性刀具,在切割过程中线锯的振动不可避免,其中存在磨粒对线锯的激励以及机床本身传递的振动等。为了研究切割过程中磨粒对线锯振动的影响,本文主要以弦线振动理论为基础,建立了有阻尼轴向匀速运动线锯的振动方程并分析了线锯切割过程中的受力,进而构建了对线锯横向振动产生主要影响的法向随机力模型,分析在小偏移状态下线锯的线性振动情况。基于WXD170往复式金刚石线锯切割机的切割实验,验证了法向随机力模型的有效性,结果表明该随机力模型用于振动模型的仿真可以准确地预测线锯加工过程中的振动情况。     

多线往复式线锯切割中单位长度材料去除量的理论分析与试验研究

线锯切割被广泛地应用于光伏和微电子行业及其他硬脆材料的切割加工,所切晶片的质量影响后续研抛等工序的加工。建立了多线线锯往复运动与进给运动的理论模型,提出单位长度材料去除量的概念,推导出多线往复线锯切割中,单位长度材料去除量随加工位置变化的理论模型。理论分析了单片用线量及进给速比对单位长度材料去除量的影响规律。以蓝宝石晶棒为锯切研究对象,进行了不同的锯丝单片用线量以及不同进给速比条件下的锯切试验,测量了切割片的加工质量。研究结果表明,多线往复式切割过程中,单位长度材料去除量随加工过程有明显的变化,单片用线量及进给速比对单位长度材料去除量有明显的影响,单位长度材料去除量对线锯切割质量有着显著的影响。     

基于RSM的SiC单晶片表面粗糙度预测及参数优化

通过响应面分析法(RSM)对超声振动辅助金刚石线锯切割SiC单晶体的工艺参数进行分析和优化。采用中心组合设计实验,考察线锯速度、工件进给速度、工件转速和超声波振幅这4个因素对SiC单晶片表面粗糙度值的影响,建立了SiC单晶片表面粗糙度的响应模型,进行响应面分析,采用满意度函数(DFM)确定了切割SiC单晶体的最佳工艺参数,验证试验表明该模型能实现相应的硬脆材料切割过程的表面粗糙度预测。     

径向超声锯切系统的实现及其应用探索

超声加工为硬脆性材料零件制造提供了一种高效精密加工方式,随着对超声加工研究的不断深入,超声辅助加工的形式也越来越多,提出一种结合径向超声振动辅助超薄金刚石锯片进行光学玻璃材料锯切研究。利用Pro/E建模与有限元分析手段,对采用二级变幅杆来实现超声振动方向的轴-径向转变进行了设计和仿真,完成了径向超声振动锯切装置的设计制造,并利用该装置,进行了光学玻璃的锯切试验,探索径向超声振动中单颗磨粒最大切削厚度对锯切过程机理的影响,试验结果表明在超声锯切过程中,单颗磨粒最大切削厚度对锯切比能的影响并不显著,而传统锯切方式中锯切比能随之增大而减小,这与光学玻璃材料在锯切过程中的材料去除方式有着一定关系,超声锯切过程中材料更多以脆性断裂方式去除,同时,超声振动在锯切过程中减少了金刚石锯片与工件间的摩擦,从而降低其能耗。     

超声波振动金刚石刀具对脆性材料临界切削深度的影响

通过脆性材料沟槽切削试验,研究了超声波直线振动金刚石刀具和超声波椭圆振动金刚石刀具对脆性材料临界切削深度的影响,与没加超声波振动的金刚石刀具相比,超声波振动金刚石刀具能增大对脆性材料塑性切削的临界切削深度。提出了超声波振动金刚石刀具切削脆性材料临界切削深度计算公式,分析了导致超声波振动金刚石刀具增大脆性材料塑性切削的临界切削深度的原因。     

Characteristics of chip generation by ultrasonic vibration cutting with extremely low cutting velocity

Recently, mirror-surface machining of brittle materials such as ferrite, glass, and optical plastics has become more important, as these materials are used in optical communications and precision devices. Non-ferrous metals such as aluminium and copper were readily turned with diamond tools, but as the need for both infra-red and reflective optics escalated, the need to machine brittle materials arose. In this paper, ultrasonic vibration cutting at 20 kHz at extremely low cutting velocity for the precision machining of brittle plastics used for optical lenses is suggested and tested. The mechanism of chip generation, and characteristics of surfaces in the ductile mode, machined by ultrasonic vibration cutting are investigated. As a result, when micro cutting by ultrasonic vibration, it was confirmed that the chips generated by ductile mode cutting are obtained at 1/40 of the critical cutting velocity of the ultrasonic vibration cutting system, which is an extremely low cutting velocity.     

超声振动钻削SiC颗粒增强铝基复合材料时的切削力研究

采用超声振动钻削的方法对金属基复合材料进行孔加工。在自行研制的超声钻削设备的基础上使用不同材质的硬质合金麻花钻,对不同含量的SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)进行了普通钻削与超声振动钻削的对比试验,并分析比较了加工中切削力的变化规律。试验表明,超声振动钻削可以降低切削力,在一定程度上改善钻削机理。     

旋转超声钻削的切削力数学模型及试验研究

通过分析硬脆材料脆性断裂去除机理和旋转超声加工特点,确定旋转超声加工时单颗磨粒的切削时间、切削深度、切削速度及切削轨迹长度,建立旋转超声恒进给率钻削硬脆材料的切削力数学预测模型。光学玻璃加工试验研究表明,切削力随进给速度的增大而增大,随主轴转速的提高而减小;在高进给速度条件下,切削力对主轴转速的变化更为敏感,在低主轴转速条件下,切削力对进给速度的变化更为敏感;从而很好地验证了已建立的切削力数学预测模型。旋转超声加工和普通加工的对比试验表明,旋转超声钻削加工可以有效降低切削力,一定程度上减小出孔崩边尺寸,从而提高加工效率、降低加工成本。根据旋转超声加工的表面粗糙度值略高于普通加工,提出硬脆材料脆性断裂去除时磨粒实际切削深度决定加工表面粗糙度的判断。     

石材锯切机理与金刚石工具磨损机理的研究现状

对金刚石工具切割石材等硬脆材料时的锯切机理、锯切过程中金刚石工具的磨损机理以及锯切力的国内外研究现状及各种观点进行了综合评述。由于石材等硬脆材料锯切过程的复杂性 ,对锯切机理的认识迄今尚不统一 ,对金刚石工具磨损机理和锯切力的理论研究也亟待深入。     

超精密切削时刀具切削刃的作用机理分析

分析了金刚石刀具切削刃的切削作用、脆性材料超精密切削时切屑形成机理；对金刚石刀具切削刃钝圆半径、切削厚度、切削角三者之间的关系进行了描述。结果表明：脆性材料可以实现塑性域超精密切削加工；控制切削参数可以加工出满足要求的表面粗糙度和表面波纹度，为生产实际提供可靠的工艺条件及技术参数。     

Effect of vibration on surface and tool wear in ultrasonic vibration-assisted scratching of brittle materials

The purpose of this paper is to investigate the effects of vibration on the surface and tool wear in scratching of brittle materials. In the past, research methodology of vibration cutting has mainly involved vibrating tool parallel to cutting direction. In this paper, a new approach is proposed by an elliptic ultrasonic vibrating workpiece. It presents the fundamental principles and mechanism of ultrasonic machining together with experimental results of scratching of polysilicon with parallel and vertical ultrasonic vibration assistance. With the elliptic ultrasonic vibration assistance, the brittle material would be more likely to be ductilely removed than in conventional condition, and tool wear could be decreased in scratching of brittle materials.     

高速超声振动切削钛合金可行性研究

钛合金由于其出色的机械性能广泛的应用于航空航天结构组件中。但较低的机械加工性使得钛合金切削速度低,即使在使用先进的切削刀具时,也因切削高温而难以进行高速切削加工。断续切削是一种有效地降低切削温度和改善切削质量的方法,作为典型的断续切削方法,传统超声振动切削（Traditional ultrasonic vibration cutting,UVC）和椭圆超声振动切削（elliptical ultrasonic vibration cutting,EUVC）已取得了显著的加工优势。但振动切削临界速度限制了它们的应用仅在低速切削场合。因此一种新的超声振动切削方法被提出,即高速超声振动切削（High-speed ultrasonic vibration cutting,HUVC）,此时刀具的振动方向与进给方向平行。当切削速度远远超过UVC和EUVC方法的临界速度时,刀具和工件依旧可以在一定的条件下实现分离。从而HUVC方法实现了宏观上的高速切削和微观上的断续切削,提升了钛合金的切削加工性。首先,HUVC方法的原理在文中给出,随后通过一系列使用普通切削（Conventional cutting CC）方法和HUVC方法的高速切削Ti-6Al-4V合金的对比试验来验证HUVC方法的可行性。试验结果表明,因刀具磨损的显著下降,HUVC方法的刀具寿命可最大提升300%。此外,相比CC方法,HUVC方法的切削效率可以显著提升90%,切削力最大下降50%并在连续的切削加工过程中获得更佳的表面质量。     

Research into the transition of material removal mechanism for C/SiC in rotary ultrasonic face machining

Ceramic matrix composites of type C/SiC with superior properties have got increasing importance in many fields of industry, especially in the aerospace area. Rotary ultrasonic machining is a high-efficiency processing technology for these advanced materials. However, due to the inhomogeneity and anisotropy of these composites, the machining process is still challenging to achieve desired result due to the lack of understanding and control of material removal mechanism. In this paper, the maximum depth of penetration by diamond abrasives in workpiece material is proposed to quantify the material removal modes. A model of maximum depth of penetration for rotary ultrasonic face machining (RUFM) was developed based on the indentation theory. An experimental RUFM of C/SiC was carried out, and it revealed that the material removal mechanism transited from ductile mode to brittle fracture mode with the decrease of cutting speed. Similar transition was observed with the increase of feed rate and cutting depth. By comparing the measured cutting force with simulation, a critical depth of penetration for the cutting mechanism transition was defined at about 4 μm. The processed surface topography was studied, and the transition of material removal modes was identified by the sudden change of the 3D surface roughness map at the critical penetration depth. Thus, the maximum depth of penetration model developed in this paper can be applied to identify the ductile or brittle fracture removal mode in RUFM of C/SiC using the cutting parameters. This allows controlling the material removal mechanism to achieve desired machining efficiency and quality.