摘要：藍寶石由于其良好的物理化學性能被廣泛運用到光學電子、航空航天等領域。由于藍寶石硬度高、脆性大，使用傳統加工方法對其切割時，加工效率低且崩邊現象嚴重，工件無法達到產品要求而報廢，針對這一問題引入旋轉超聲鋸切對藍寶石在高速條件下進行切割并進行試驗研究。本文利用獨立研制的高速旋轉超聲鋸切系統進行藍寶石鋸切試驗。通過對比有無超聲鋸切加工時的鋸切力和鋸切比能的大小，以及加工后溝槽形貌特征來探究在高速條件下旋轉超聲鋸切藍寶石的加工特性。試驗結果表明：在超聲振動作用下，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，同時超聲振動改變了材料去除方式，藍寶石的材料去除方式轉變為微破碎去除。

關鍵詞：藍寶石；旋轉超聲鋸切；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

藍寶石由于其自身擁有的高硬度、耐熱、耐磨性，以及優良的熱傳導性、電絕緣性和化學穩定性，被廣泛應用于光學電子、航空航天等領域[1-4]。同時由于其更易獲得大尺寸并且成本更為低廉，藍寶石襯底是目前普遍的一種襯底材料[5]。裁切和開方切片是藍寶石襯底制作過程中極為重要的一環。與玻璃、單晶硅等脆性材料相比，藍寶石的莫氏硬度為9，在自然界中僅次于金剛石，是典型的硬脆性材料。使用傳統切割方法對其進行切割時極易產生崩邊、裂紋和加工效率低等問題，尤其是崩邊現象的出現，降低了工件的尺寸精度，影響了切片的表面質量，也可能使工件在使用中無法發揮其應有的作用，直接增加了后續工序的工作量和成本。為解決這些問題，許多學者采用激光切割、電火花切割、超聲振動輔助切割等特種加工方法對其進行加工[6-9]

旋轉超聲加工作為一種高效的新型特種加工方法，對于減小加工過程中的切削力、切削溫度、增加工件效率、延長工具壽命等有著十分顯著的作用。旋轉超聲銑削、鉆孔及磨削等已被廣泛研究，但旋轉超聲鋸切(RUS)領域的研究很少。華僑大學的沈劍云等運用設計二級變幅桿的方法在低速條件下進行了徑向超聲鋸切的探索，對光學玻璃進行了鋸切試驗，結果表明超聲振動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]。由于藍寶石硬度大，使得在低速條件下無法對其進行高效加工，故本文將旋轉超聲鋸切技術引入到高速鋸切中，在高速條件下切割藍寶石片，通過有、無施加超聲的對比試驗，分析高速旋轉超聲鋸切藍寶石的加工特征。研究結果表明，在高速條件下旋轉超聲鋸切相對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，高速旋轉超聲鋸切硬度更高的藍寶石可以獲得比鋸切硬度較低的玻璃時更小的鋸切比能。同時在超聲振動作用下，加工過程中材料去除方式發生了改變。

1徑向超聲振動鋸切過程分析

在鋸切加工過程中，通過加工中心主軸的轉動來帶動切割片進行高速旋轉，從而實現對工件的鋸切工作，其加工過程的基本原理與磨削過程是類似的。在普通鋸切中，切割片上的金剛石磨粒隨著切割片進行轉動，結合工件的進給運動組成實際的運動，對工件的去除作用主要是靠鋸片上的金剛石磨粒來施加壓力的；施加超聲振動后，在鋸切過程中增加了一個沿著切割片徑向的高頻振動方式，即在鋸切過程中，切割片會對工件進行高頻振動沖擊，從而會導致工件疲勞產生微裂紋，進一步使其破碎去除，旋轉超聲鋸切過程模型如圖1所示。

在鋸切過程中主要的作用力為法向力Fn與切向力Ft，但是實驗中采用三向壓電晶體測力儀測得的力為沿著加工中心坐標系方向的力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二者之間的關系式如下所示：

式中，α為切割片和工件之間的加工接觸點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。在實際鋸切實驗過程中，由于藍寶石工件屬于高硬脆性材料，其鋸切深度ap遠小于切割片的直徑ds，因此α值趨向于0，則藍寶石的鋸切力Fn、Ft可以近似視為測力儀所測得的力Fx、Fy。

2實驗裝置與方案

2.1實驗裝置

利用本實驗室自行研制的旋轉超聲鋸切刀柄在五軸立式加工中心DMU50上進行了本文的鋸切試驗。為實現高速鋸切，旋轉超聲刀柄在電能換向部分的設計采用非接觸似設計，利用電磁感應效應實現非接觸感應式供電從而大幅提升轉速。在超聲電源恒定功率下用KEYENCE激光位移傳感器測得鋸切徑向振幅為4μm。加工過程中鋸切力的監測使用瑞士Kistler9257B三向測力儀和DEWESIRIUS-STG8數據采集系統對力信號進行采集，裝置圖如圖2所示。

2.2實驗條件與方案

本試驗在鋸切過程中分別采用旋轉超聲鋸切和普通鋸切進行加工，通過改變切削用量以及去除率和單顆磨粒切削厚度等參數來分別對鋸切比能進行研究。具體實驗方案如表1所示。

3實驗結果與分析

3.1超聲鋸切力

圖4所示為有無徑向超聲振動輔助鋸切藍寶石鋸切力隨著切深的變化關系圖。

從圖3中可以看出，無論有沒有超聲振動的作用，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，切割片與藍寶石片之間的接觸面積增大，進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。同時線速度vs的增加使得單位時間內參與切削的有效磨粒數增多，因此單顆磨粒對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。

當加入了超聲振動作用后，從圖中能夠發現，鋸切法向力與切向力都得到了大幅度的降低。高速旋轉超聲鋸切與傳統鋸切的不同之處在于二者對工件材料的切削方式的不同，施加了超聲振動后，切削方式從普通鋸切中的連續切削轉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間，從而導致鋸切力的降低。從圖3中可以發現，與傳統鋸切方式相比，在高速旋轉超聲鋸切藍寶石中，當線速度為23.6m/s時，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，切向力降低了75%~80%，法向力降低了35%~50%。對于高線速度而言，超聲振動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程中能量的相關關系，是鋸切加工中的非常關鍵的參量，具體表達式如下所示[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。

根據鋸切比能計算表達式可以發現，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，鋸切比能也應增大。但根據圖4(a)中所示內容能夠發現，鋸切比能隨著線速度的增大而降低，且從圖4(b)中可以發現其比能大小比鋸切硬度較小的光學玻璃還要小。由鋸切力的分析可知其原因為鋸切線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。同時高速旋轉超聲鋸切藍寶石隨著鋸切深度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，進給速度對于比能的影響原理與鋸切深度的類似；而在超聲振動的作用下，藍寶石工件表面受到高頻的沖擊，容易產生微裂紋，這與普通鋸切過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來說較小。

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間內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。同樣的，超聲振動的作用能夠有效的減小鋸切比能，并且，在超聲振動的作用下，鋸切比能的變化趨勢較為平穩。

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時有無徑向超聲振動兩種加工方式下所得到的藍寶石片的溝槽形貌圖，根據圖9能夠發現，藍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)的高速旋轉超聲鋸切下，藍寶石片的溝槽形貌主要呈現微破碎形式，同時有少量的塑性耕犁現象存在，而大塊破碎狀的材料去除方式已經不復存在，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，對藍寶石片而言，在無超聲鋸切中，主要以塑性去除為主，因此微觀形貌主要呈現為塑性耕犁劃痕，而在超聲振動的作用下，切割片對藍寶石片表面的高頻沖擊，使工件材料容易產生微裂紋，通過裂紋的進一步延伸使其疲勞破碎，因此將無超聲鋸切加工中的大塊剝落現象轉換成脆性去除的微破碎形式。

4結論

本文通過對藍寶石在高速條件下進行旋轉超聲鋸切試驗，分析其鋸切力、鋸切比能及溝槽形貌特征。研究結果表明，高速旋轉超聲鋸切相對普通鋸切可以顯著降低鋸切力及鋸切比能，并在超聲振動作用下改變材料去除方式。

(1)在超聲振動的作用下，隨著切深的增大，當線速度為23.6m/s時，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，切向力降低了75%~80%，法向力降低了35%~50%，高線速度對切向力的影響更為明顯；

(2)與低速旋轉超聲鋸切玻璃相比，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寶石時的鋸切比能反而更低；

(3)通過對溝槽形貌進行觀察發現，在無超聲鋸切中，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為塑性耕犁劃痕，而在超聲振動的作用下，切割片對藍寶石片表面的高頻沖擊使工件材料容易產生微裂紋，通過裂紋的進一步延伸使其疲勞破碎，因此將無超聲鋸切加工中的大塊剝落現象轉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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