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电镀金刚石线锯超声波切割实验装置的研制和加工机理的研究

作　者: 张辽远
导　师: 贾春德
学　校: 长春理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 超声加工金刚石线锯电镀工具切割加工硬脆材料
分类号: TG48
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着科研和工业技术的迅速发展，硬脆材料在各个领域的应用已经日益普遍。这些硬脆材料，如硅单晶、石英晶体、陶瓷、宝石、玻璃、稀土磁性材料、半导体材料、硬质合金等。金刚石线锯在硬脆材料的加工方面逐渐显现出一系列无可比拟的优点：加工表面损伤小、挠曲变形小、切片薄、片厚一致性好、能切割大尺寸硅锭、省材料、效益好、产量大、效率高等，是一种相对较新的技术，在近十几年来得到了快速发展。本文提出了电镀金刚石线锯超声波切割技术完全具有自主知识产权的切割方法。该研究课题具有较大的研究价值和实际应用意义。研究内容包括：①研制一台电镀金刚石线锯超声波切割实验装置；②研制适合超声振动条件下的电镀金刚石线锯；③对电镀金刚石线锯和磨粒进行运动和动力学分析，研究电镀金刚石线锯的加工轨迹；④对电镀金刚石线锯超声振动锯切有关的工艺参数与材料去除率、锯切力、表面质量等方面进行系统的实验研究；⑤对电镀金刚石线锯的超声锯切时线锯的失效形式及机理进行了实验研究与分析；⑥最后通过研究电镀金刚石线锯超声锯切过程的分析，从断裂力学和锯切力的角度分析研究材料去除机理。该项技术与传统的硬脆材料切割方法不同，通过研制电镀金刚石线锯超声波切割实验装置验证了该项技术的原理是可行的。与有关单位合作，采用自制的电镀设备及工装进行了线锯的电镀工艺研究，并制造出了质量稳定的电镀金刚石线锯，镀层和基体结合牢固，镀层对金刚石颗粒的把持良好，金刚石颗粒分布均匀，达到该项技术条件的使用要求。通过对该实验装置中的关键技术研究，设计制造了超声电源、换能器、变幅杆等。该实验装置的主要技术参数是：超声发生器的功率为250W(可调)，频率为20KHz，工具的最大振幅为20μm。对电镀金刚石线锯超声振动锯切工艺进行了深入研究，实验结果表明该方法的材料去除率可达25mm/min以上，大大高于相同条件的往复式线锯，是其材料去除率2.5～3倍，能充分发挥金刚石的卓越性能。在此基础上进一步研究了金刚石粒度、侧向压力、线锯速度以及工件材料性质对锯切过程的影响。通过正交试验对锯切工艺参数进行了优化。优化实验表明：要获得较高的锯切效率，较好的质量和最优的经济性，其最佳的工艺参数为：金刚石粒度为180~#，侧向压力为12N，线锯往复速度为300rpm，锯切效率最高。其加工零件的表面粗糙度为Ra0.7～0.8μm，比相同条件下的往复式线锯(Ra1.3～1.5μm)提高近1倍。经过对电镀金刚石线锯和磨粒进行了运动和动力学分析，作者认为在锯切过程中磨粒在去除过程中与工件的接触是非连续状态的，其实际接触时间只占整个工作周期的1/3～1/5，试验结果和理论分析都证明其总的平均锯切力小、锯切温度要降低，而且局部产生的应力也有充足的释放时间和条件。通过对电镀金刚石线锯实验和分析，作者认为金刚石线锯的失效形式主要有：金刚石颗粒的磨损、破碎和脱落等。在超声振动切割时，金刚石颗粒受到的冲击作用，由线锯的柔性而得到一定程度缓解，一般不会因机械冲击而产生破碎或脱落，主要表现为抛光磨平。在较低锯切速度下，由于锯切力较大，金刚石颗粒将产生破碎和脱落。金刚石颗粒首先在较小的应力和锯切热的作用下，在尖角和棱边处产生抛光磨平或轻微的局部破碎，随着磨平和局部破碎的不断增加，金刚石承载能力下降，部分金刚石颗粒将产生整体破碎。摩擦产生大量的锯切热，使镀层软化，降低镍镀层对金刚石颗粒的把持力，在机械冲击的作用下，金刚石颗粒会产生整体脱落现象。当参数选择不当，线锯的寿命会大大降低甚至会发生断裂。通过对金刚石线锯锯切力的理论研究，建立了线锯切割时锯切力的理论模型。该模型在分析单颗粒金刚石的锯切力的基础上，综合考虑了线锯速度、工件进给速度、线锯参数和工件性质对锯切力的影响。研究结果表明：金刚石线锯的锯切力与工件材料的厚度和工件进给速度成正比和线锯速度成反比，并且和材料性质有关。在研究分析已有的硬脆材料去除机理的基础上，提出了电镀金刚石线锯超声锯切机理的模型，根据压痕模型，认为电镀金刚石线锯超声锯切过程中的材料去除的主要原因是由赫兹碎裂(Hertzian Fracture)引起的。假如工件材料的表面被一个滑动的压头弹性地压下，则在压头滑移轨迹后面的材料中产生张应力场，当其值超过临界的正常负荷时，就会产生局部圆锥形裂纹，这个负荷比使材料表面形成永久刻痕所必需的力要小得多，这说明在较低的压力下硬脆材料仍可被破碎。在此基础上分析了电镀金刚石线锯超声锯切去除材料中，除常规的锯切过程外还包括压缩状态下的裂纹扩展、拉伸状态下的裂纹扩展、空化状态下的裂纹扩展、在锤击、冲击和滚动切削作用下裂纹的扩展等。而裂纹在形成、扩展、闭合过程中，在纵向和横向是不同的，纵向裂纹的尺寸要大于横向裂纹，而横向裂纹尺寸是形成工件表面粗糙度的主要因素。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章概述  12-21
  1.1 国内、外研究现状  13-15
  1.2 主要研究内容  15-17
  1.3 金刚石线锯的应用发展  17-18
  1.4 本课题主要研究的内容和目的  18-21
第二章电镀金刚石线锯超声波切割装置总体设计和声学系统设计  21-46
  2.1 电镀金刚石线锯超声波切割装置组成  21
  2.2 电镀金刚石线锯超声波切割装置的总体设计  21-24
  2.3 头架系统设计  24-26
    2.3.1 头架系统中导向轮尺寸确定  24-26
  2.4 超声电源和声学系统设计  26-30
    2.4.1 超声电源设计  26-27
    2.4.2 频率自动跟踪与恒幅控制实现方式的选择  27-28
    2.4.3 功率调节与振幅恒定的实现方式  28-29
    2.4.4 电源总体结构方案的确定  29-30
  2.5 声学系统设计  30-46
    2.5.1 概述  30-34
    2.5.2 超声换能器的等效网络和匹配  34-36
    2.5.3 纵向复合式换能器设计  36-39
    2.5.4 变幅杆的设计  39-40
    2.5.5 超声变幅杆的设计及性能分析  40-46
第三章电镀镍-金刚石线锯的研制  46-59
  3.1 概述  46
  3.2 金属电沉积  46-49
    3.2.1 金属电沉积研究的内容  46-47
    3.2.2 电镀溶液的基本类型  47
    3.2.3 电镀工艺参数  47-48
    3.2.4 金属电镀层的组织和性能特点  48-49
  3.3 超硬材料与金属的复合电镀  49-56
    3.3.1 超硬材料复合镀层概述  49-50
    3.3.2 超硬材料复合镀层电镀工艺的基本要求  50-51
    3.3.3 电镀溶液中各种成分的作用  51-53
    3.3.4 电镀的工艺条件  53-56
  3.4 镀层质量检测  56-59
第四章电镀金刚石线锯超声波线切割运动和动力学分析  59-71
  4.1 电镀金刚石线锯超声波切割模型  59
  4.2 线锯振动的理论模型  59-60
  4.3 线锯振动的计算机仿真  60-61
  4.4 电镀金刚石线锯的框架运动学分析  61-63
    4.4.1 金刚石线锯加工运动特征  61-63
  4.5 电镀金刚石线锯中的磨粒复合运动分析  63-65
  4.6 电镀金刚石线锯的加工轨迹研究  65-68
    4.6.1 理论分析  65-67
    4.6.2 试验验证  67-68
  4.7 电镀金刚石线锯超声切割材料的去除率计算模型  68-71
    4.7.1 超声线锯切割时单颗磨粒的脉冲切削力  68
    4.7.2 普通锯切时单颗磨粒上的切削力  68-69
    4.7.3.超声锯切时单颗磨粒上的合力  69
    4.7.4.超声锯切材料的理论去除率  69-71
第五章电镀金刚石线锯超声加工工艺的试验研究  71-86
  5.1 锯切工艺参数对材料去除率的影响  71-75
  5.2 锯切工艺参数对锯切力的影响  75-78
  5.3 锯切加工中负锯切力现象的分析  78-80
  5.4 表面质量分析  80-86
    5.4.1 表面质量的实验研究  80-81
    5.4.2 表面轮廓粗糙度值的理论分析  81-86
第六章电镀金刚石线锯的失效形式及机理分析  86-97
  6.1 金刚石工具磨损机理的研究综述  86-87
  6.2 电镀金刚石线锯锯切的失效形式  87
  6.3 电镀金刚石线锯的宏观失效  87-90
    6.3.1 线锯的拉断  87-89
    6.3.2 线锯的疲劳断裂  89-90
  6.4 电镀金刚石线锯的微观失效  90-94
    6.4.1 金刚石颗粒的磨损  90-92
    6.4.2 金刚石颗粒的脱落  92-93
    6.4.3 锯丝镀层的磨损  93-94
  6.5 金刚石磨粒及镍镀层受力状态的有限元分析  94-97
第七章电镀金刚石线锯超声锯切机理的研究  97-115
  7.1 磨粒锯切作用与锯切过程  97-99
  7.2 岩石断裂力学  99-101
  7.3 切削应力  101-102
  7.4 压痕断裂模型  102-105
  7.5 超声锯切的断裂特征和机理分析  105-108
    7.5.1 压缩状态下的裂纹扩展  105-106
    7.5.2 拉伸状态下的裂纹扩展  106
    7.5.3 空化状态下的裂纹扩展  106-107
    7.5.4 在锤击、冲击和滚动切削作用下裂纹的扩展  107-108
  7.6 电镀金刚石线锯锯切力的理论分析  108-115
    7.6.1.锯切力的数学模型  109-111
    7.6.2 单颗金刚石颗粒由切屑变形引起的锯切力  111-112
    7.6.3 单个金刚石颗粒由摩擦产生的锯切力  112-115
结论  115-117
参考文献  117-124
致谢  124-125
发表论文  125

电镀金刚石线锯超声波切割实验装置的研制和加工机理的研究

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