張　斌，李曙生，馬彬彬

（泰州職業(yè)技術學院 機電技術學院 江蘇 泰州 225300）

差動式數控金剛石線鋸切割機的設計及應用

張斌，李曙生，馬彬彬

（泰州職業(yè)技術學院 機電技術學院 江蘇 泰州 225300）

介紹一種差動式數控金剛石線鋸切割機的設計原理及差動運絲裝置的設計思路，采用交叉斜線進給切割代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平行線進給切割。通過比較實驗，表明采用差動式金剛石線鋸切割機切削脆硬材料時，在降低表面粗糙度、提高加工表面平面度等方面較目前市場常見的傳統(tǒng)金剛石線鋸切割機具有較大的優(yōu)越性，且機床結構較為簡單，具有較好的研究和推廣價值。

脆硬材料；金剛石線鋸；差動式；交叉斜線切割

目前國內的數控金剛石線鋸切割機，在切割脆硬材料，尤其是切割大尺寸工件時，往往存在加工表面平面度不夠高，且高速加工時表面粗糙度值提高明顯，不能滿足高端產品切割加工的表面質量要求。為了解決上述問題，我們研制開發(fā)出一種差動式數控金剛石線鋸切割機，通過金剛石線鋸絲的交叉斜線進給切割代替原有的平行線進給切割，使切割表面質量得到很好改善，尤其對大尺寸工件的切割，表面切割質量改善顯著。

1　設計思路

1.1目前國內常見數控金剛石線鋸切割機工作原理

目前國內現有數控金剛石線鋸切割機的的工作原理是金剛石線鋸絲平行進給切割工件［1］。如圖1，將工件固定在機床的工作臺上，在工作臺的上方有導向輪，該導向輪帶動金剛石線鋸絲平行下降，金剛石線一般以6～8m/s的速度對工件進行切割。采用這種切割方式，不能保證很好的加工表面質量。尤其是進行大尺寸材料的切割時，表面平面度不能達到較高要求，且表面不夠光滑。

圖1　平行線進給切割原理圖

鑒于上述情況，一些企業(yè)開始嘗試采用擺動式金剛石線鋸進行切割［2］，如圖2所示，金剛石線鋸絲仍然是平行進給，但工作臺帶動工件擺動，金剛石線鋸對切割工件邊切割邊修磨，因此，能切割出較光滑的表面，但由于工件的擺動，使切割后的工件表面平面度不能達到較高要求，尤其對大尺寸工件的切割，工件擺動受尺寸限制，給加工帶來困難。

圖2　擺動式金剛石線鋸切割原理圖

1.2差動式數控金剛石線鋸切割機工作原理

差動式數控金剛石線鋸切割機區(qū)別于現有數控金剛石線鋸切割機的最主要方面是改進了運絲裝置。見圖3，金剛石線鋸切割機差動運絲裝置由放絲（卷絲）筒1和10、導絲輪2和9、差動輪3 和7、張緊輪4組成。差動輪3和7之間的金剛石線鋸絲8為切割工作區(qū)域，數控系統(tǒng)通過合理設置兩個變頻調速電機的轉速和轉向，使兩個差動輪3和7之間的金剛石線鋸絲實現往復交叉斜線運動同時緩慢向下進給的切割運動軌跡。兩個差動輪3和7帶動下的金剛石線鋸絲的運動軌跡：由水平位置①運動到傾斜位置②，再反方向運動到傾斜位置③，再由傾斜位置③回復到水平位置④，再水平往下平動到水平位置⑤，完成一次上下交叉運動及向下的平動。然后再由水平位置⑤運動到傾斜位置⑥，再反方向運動到傾斜位置⑦……，依此運動規(guī)律類推，實現金剛石線鋸絲的交叉斜線進給切割，代替了傳統(tǒng)的平行直線進給切割。

圖3　交叉斜線切割原理圖

為了實現金剛石線鋸的往復交叉斜線切割，必須嚴格控制兩差動輪的運動軌跡，差動輪的傳動結構設計是關鍵。如圖4，差動輪3和7通過支座14和17分別連接在兩個同步齒形帶12和18上，恒力彈簧13和16分別固定在機床左右立柱上，恒力彈簧13和16分別與支座14和17相連接，分別承擔差動輪3和7及其支座的重量。兩個變頻調速電機分別通過同步輪11和15帶動同步齒形帶12和18運動，從而通過同步齒形帶12和18分別帶動差動輪3和7實現上下運動。

圖4　差動輪安裝結構示意圖

如圖3，在切割過程中，當金剛石線鋸絲8張力發(fā)生變化時，通過傳感器將張力的變化反饋給張力控制系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)通過控制轉矩電機6的轉動，帶動擺桿5擺動，通過擺桿5帶動張緊輪4的上下運動，保證金剛石線鋸絲在切割運行過程中的恒定張力。

采用這種交叉斜線切割，金剛石線鋸絲在對工件進行少量切割的同時，線鋸絲對已切割工件表面進行修磨，因此加工表面光滑。特別是切割大尺寸工件時，避免了擺動式金剛石線鋸的缺陷，能獲得較高的切割表面平面度。

2　實際應用

2.1差動式數控金剛石線鋸切割加工舉例

玉石的薄片切割，通常采用鋸片切割，但鋸片的厚度至少在1mm以上，所以材料浪費比較多，且在切割脆軟的玉石時，邊緣易破損，特別是大尺寸玉石薄片的切割加工更加困難。

采用金剛石線鋸切割機切割玉石，由于線鋸絲的直徑在0.12～0.4mm，切縫小，材料浪費少，但若采用普通的金剛石線鋸切割機切割玉石，特別是切割較大尺寸的玉石，由于線鋸絲與切割面接觸長度長，切割過程中金剛石線鋸絲的磨損嚴重，且切割力大，脆軟的玉石薄片易破損。

圖5　切割玉石

本例中，采用差動式數控金剛石切割機切割玉石，見圖5，切成176×90×1mm左右的薄片，采用直徑0.35mm金剛石線，差動速度為±7mm/s，運絲速度12m/s，進給速度1mm/min，切割出的玉石片表面平整度誤差低于0.05mm，沒有裂紋和破損，表面光滑平整。

2.2多晶硅材料切割比較實驗

本實驗，是用普通金剛石線鋸切割機和差動式金剛石線鋸切割機切割多晶硅材料，金剛石線鋸絲張緊力45N、運絲速度20m/s，切削液為皂化液，所用金剛石砂線直徑為0.35mm，兩差動輪之間的線距為500mm，差動高度為60mm，差動角度6.5度。加工工件尺寸：300mm×220mm×1mm。加工結果見表1。切割效果見圖6，依此為平行切割、差動切割1、差動切割2。

表1　切割多晶硅薄片對比實驗表

圖6　多晶硅切割面

通過上述實驗，很明顯看出，在同等切削條件下（平行切割與差動切割1），采用普通平行進給的金剛石線鋸切割的表面粗糙度為1.52um，平面度低于0.03/300mm；采用差動式金剛石線鋸切割的表面粗糙度為0.79um，平面度低于0.01/ 300mm?？梢?，差動式金剛石線鋸切割機，能顯著改善切割表面質量。

2.3切割加工參數的合理選擇

（1）通過差動切割1、差動切割2的比較，可知，差動速度越快、進給速度越慢，切割表面越光滑，可以獲得很高的加工表面質量。

（2）金剛石線鋸絲張緊力大小一般是根據所切割的材料的硬度，進行相應的調整，一般硬度越大，張緊力越大，二者成正比例關系。

（3）關于傾斜角，要根據工件（材料）大小、硬度，進行相應的調整補償。

（4）走絲速度：走絲速度越高，單位時間內參加切割的金剛石磨粒數量越多，切割表面質量越高，但過高的走絲速度，會使切割力加大，且使金剛石線鋸絲的磨損加劇。

3　結論

差動式數控金剛石線鋸切割機切割脆性材料，解決了用柔性金剛石線加工脆硬材料表面平面度差、表面不夠光滑的難題，且高速加工時表面粗糙度指標及平面度提高明顯，尤其適合表面質量要求高的大尺寸薄片工件的切割，具有較好的研究和推廣價值。

［1］張寶玉.淺談擺動式多線切割機原理及應用［J］.電子元器件資訊，2010，⑶：33-35.

［2］YANJiwang，ASAMIAT，HARADAH，etal．Fundamental investigation of sub-surface damage in single crys tal-line silicon caused by diamond machining［J］．Precision Engineering，2009，（33）：378－386．

（責任編輯楊荔晴）

The Design and Application of Differential Numerical Diamond Wire Saw Cutting Machining

ZHANG Bin，LI Shu-sheng，MA Bin-bin

（Taizhou Polytechnic College，Taizhou Jiangsu 225300，China）

The principle of the differential numerical diamond wire saw cutting machining and the differential transported set were introduced，in which the traditional parallel feed cutting was instituted by the crossed slash feed cutting.The comparing experiments of cutting the brittle nonmetallic material were carried out and the results showed that comparing to the traditional diamond wire saw cutting machining，the differential diamond wire saw cutting machining had great advantages on reducing the surface roughness and improving the surface flatness and so on and the structure was simpler which is worthy to research and promote.

brittle nonmetallic material；diamond wire saw；differential；crossed slash cutting

TQ164；TG74

A

1671-0142（2015）02-0042-03

張斌（1967-），女，江蘇泰州人，副教授.

泰州市工業(yè)支撐項目（TG2013009，項目主持人：張斌）；江蘇省六大人才高峰資助科研項目（2014-ZBZZ-044，項目主持人：李曙生）.