金刚石线锯切割硬脆材料的表面形貌仿真和实验

金刚石线锯切割硬脆材料的表面形貌仿真和实验硬脆材料具有高强度、高硬度、隔热性好和化学稳定性好等优点,同时也耐高温和腐蚀,因此它的应用越来越广泛,对脆性材料的晶片表面质量要求也越来越高。但由于脆性高、塑性和断裂韧性低等原因,导致脆性材料的加工非常困难。

金刚石线锯切割是一种新兴的、能有效切割硬脆材料的加工方法,其具有较低的成本、锯口损耗与环境污染,同时可以获得更窄的切缝,因此已经成为发展最快、被使用最多的一种硬脆材料切割方法。在金刚石线锯切割加工中,影响脆性材料晶片表面质量的因素很多,如线锯速度、工件的进给即线锯的张力等。

本文以固结金刚石磨粒线锯的往复式切割过程为背景,分析晶片表面形貌的生成,进行仿真和实验研究。分析了金刚石线锯的往复式切割过程,为了简化仿真过程,将单颗磨粒简化成圆锥体,将在线锯上分布无规律的磨粒简化为磨粒磁盘;分析了晶片表面形貌产生的机理,并建立了相应的数学模型,对线锯换向而导致的晶片表面波纹进行了仿真。

根据线锯换向周期,获得了晶片表面波纹的变化规律;用线锯上最终形成工件表面的微弧来解释表面的成因并预测其形状;结合磨粒磁盘运动特点,推导出磨粒运动的数学表达式,使用Matlab软件模拟线锯上磨粒的运动轨迹,建立切割过程中磨粒轨迹的数学模型。仿真与实验结果的对比,获得了线锯速度和工件进给速度对工件表面形貌的影响。

在线锯速度不变的情况下,表面的波纹宽度会随着工件进给速度的增大而增加;而波纹的深度会随着线锯速度的增大而增大,并分析了仿真和实验之间的误差。证明了仿真方法能有效的预测表面形貌随加工参数的变化趋势。

分析了往复式线锯切割硬脆材料时这些因素对成品表面质量和形貌的影响。

再使用响应曲面法(RSM)对多个加工因素建立模型,通过相关试验数据拟合模型系数,得到了响应函数的具体表达式并验证了模型的可靠性。

通过研究与探讨加工参数对表面质量的影响,进一步优化了工艺参数。