摘要：蓝宝石由于其良好的物理化学性能被广泛运用到光学电子、航空航天等领域。由于蓝宝石硬度高、脆性大，使用传统加工方法对其切割时，加工效率低且崩边现象严重，工件无法达到产品要求而报废，针对这一问题引入旋转超声锯切对蓝宝石在高速条件下进行切割并进行试验研究。本文利用独立研制的高速旋转超声锯切系统进行蓝宝石锯切试验。通过对比有无超声锯切加工时的锯切力和锯切比能的大小，以及加工后沟槽形貌特征来探究在高速条件下旋转超声锯切蓝宝石的加工特性。试验结果表明：在超声振动作用下，锯切切向力降低了50%~80%，法向锯切力降低了35%~50%，锯切比能随锯片线速度的提高大幅降低，同时超声振动改变了材料去除方式，蓝宝石的材料去除方式转变为微破碎去除。

关键词：蓝宝石；旋转超声锯切；高速锯切；锯切比能；沟槽形貌

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

蓝宝石由于其自身拥有的高硬度、耐热、耐磨性，以及优良的热传导性、电绝缘性和化学稳定性，被广泛应用于光学电子、航空航天等领域[1-4]。同时由于其更易获得大尺寸并且成本更为低廉，蓝宝石衬底是目前普遍的一种衬底材料[5]。裁切和开方切片是蓝宝石衬底制作过程中极为重要的一环。与玻璃、单晶硅等脆性材料相比，蓝宝石的莫氏硬度为9，在自然界中仅次于金刚石，是典型的硬脆性材料。使用传统切割方法对其进行切割时极易产生崩边、裂纹和加工效率低等问题，尤其是崩边现象的出现，降低了工件的尺寸精度，影响了切片的表面质量，也可能使工件在使用中无法发挥其应有的作用，直接增加了后续工序的工作量和成本。为解决这些问题，许多学者采用激光切割、电火花切割、超声振动辅助切割等特种加工方法对其进行加工[6-9]

旋转超声加工作为一种高效的新型特种加工方法，对于减小加工过程中的切削力、切削温度、增加工件效率、延长工具寿命等有着十分显著的作用。旋转超声铣削、钻孔及磨削等已被广泛研究，但旋转超声锯切(RUS)领域的研究很少。华侨大学的沈剑云等运用设计二级变幅杆的方法在低速条件下进行了径向超声锯切的探索，对光学玻璃进行了锯切试验，结果表明超声振动增大了单颗磨粒切削厚度，改变了材料去除方式，降低了锯切比能及锯片与工件之间的摩擦能耗[10]。由于蓝宝石硬度大，使得在低速条件下无法对其进行高效加工，故本文将旋转超声锯切技术引入到高速锯切中，在高速条件下切割蓝宝石片，通过有、无施加超声的对比试验，分析高速旋转超声锯切蓝宝石的加工特征。研究结果表明，在高速条件下旋转超声锯切相对普通锯切可以显著降低锯切力和锯切比能，并由于高线速度大幅降低了锯切切向力，高速旋转超声锯切硬度更高的蓝宝石可以获得比锯切硬度较低的玻璃时更小的锯切比能。同时在超声振动作用下，加工过程中材料去除方式发生了改变。

1径向超声振动锯切过程分析

在锯切加工过程中，通过加工中心主轴的转动来带动切割片进行高速旋转，从而实现对工件的锯切工作，其加工过程的基本原理与磨削过程是类似的。在普通锯切中，切割片上的金刚石磨粒随着切割片进行转动，结合工件的进给运动组成实际的运动，对工件的去除作用主要是靠锯片上的金刚石磨粒来施加压力的；施加超声振动后，在锯切过程中增加了一个沿着切割片径向的高频振动方式，即在锯切过程中，切割片会对工件进行高频振动冲击，从而会导致工件疲劳产生微裂纹，进一步使其破碎去除，旋转超声锯切过程模型如图1所示。

在锯切过程中主要的作用力为法向力Fn与切向力Ft，但是实验中采用三向压电晶体测力仪测得的力为沿着加工中心坐标系方向的力Fx与Fy，这两种力之间存在有一定的夹角α，锯切力的示意图如图1所示。

Fx与Fy二者之间的关系式如下所示：

式中，α为切割片和工件之间的加工接触点与切割片中心垂直与工件方向之间的夹角，表示锯切力合力的方向；ds为切割片的直径。在实际锯切实验过程中，由于蓝宝石工件属于高硬脆性材料，其锯切深度ap远小于切割片的直径ds，因此α值趋向于0，则蓝宝石的锯切力Fn、Ft可以近似视为测力仪所测得的力Fx、Fy。

2实验装置与方案

2.1实验装置

利用本实验室自行研制的旋转超声锯切刀柄在五轴立式加工中心DMU50上进行了本文的锯切试验。为实现高速锯切，旋转超声刀柄在电能换向部分的设计采用非接触似设计，利用电磁感应效应实现非接触感应式供电从而大幅提升转速。在超声电源恒定功率下用KEYENCE激光位移传感器测得锯切径向振幅为4μm。加工过程中锯切力的监测使用瑞士Kistler9257B三向测力仪和DEWESIRIUS-STG8数据采集系统对力信号进行采集，装置图如图2所示。

2.2实验条件与方案

本试验在锯切过程中分别采用旋转超声锯切和普通锯切进行加工，通过改变切削用量以及去除率和单颗磨粒切削厚度等参数来分别对锯切比能进行研究。具体实验方案如表1所示。

3实验结果与分析

3.1超声锯切力

图4所示为有无径向超声振动辅助锯切蓝宝石锯切力随着切深的变化关系图。

从图3中可以看出，无论有没有超声振动的作用，锯切法向力与切向力均随着切深ap增加而增大，这是由于随着切深ap的增大，切割片与蓝宝石片之间的接触面积增大，进而增加了工件与工具之间的摩擦作用，因此使得锯切力增大。同时线速度vs的增加使得单位时间内参与切削的有效磨粒数增多，因此单颗磨粒对于工件材料的切削量减少，因此，随着线速度vs的增大，锯切力反而减小。

当加入了超声振动作用后，从图中能够发现，锯切法向力与切向力都得到了大幅度的降低。高速旋转超声锯切与传统锯切的不同之处在于二者对工件材料的切削方式的不同，施加了超声振动后，切削方式从普通锯切中的连续切削转换成了间歇式的切削方式，一方面改变了磨粒切入工件的方式，另一方面则减少了工具和工件之间的接触时间，从而导致锯切力的降低。从图3中可以发现，与传统锯切方式相比，在高速旋转超声锯切蓝宝石中，当线速度为23.6m/s时，切向力降低了50%~65%，法向力降低了40%~50%，而线速度为31.4m/s时，切向力降低了75%~80%，法向力降低了35%~50%。对于高线速度而言，超声振动减小切削力的效果更为明显，而且，切向力的减小百分比明显高于法向力。

3.2超声锯切比能

锯切比能反映了锯切过程中能量的相关关系，是锯切加工中的非常关键的参量，具体表达式如下所示[11]：

式中，U为锯切比能；vs指切割片的线速度；b指切割片厚度。

根据锯切比能计算表达式可以发现，锯切速度和切向力的大小在很大程度上决定了锯切比能的大小，且随着锯切速度的增大，锯切比能也应增大。但根据图4(a)中所示内容能够发现，锯切比能随着线速度的增大而降低，且从图4(b)中可以发现其比能大小比锯切硬度较小的光学玻璃还要小。由锯切力的分析可知其原因为锯切线速度的提高大幅降低了切向力的大小，从而降低了锯切比能。同时高速旋转超声锯切蓝宝石随着锯切深度ap的增大，其变化较为缓慢，即锯切比能较为稳定。

锯切深度ap增大使得工具和工件之间的接触面积增大，相应的也增大了二者之间的摩擦作用，消耗的能量增大，因此比能增大，进给速度对于比能的影响原理与锯切深度的类似；而在超声振动的作用下，蓝宝石工件表面受到高频的冲击，容易产生微裂纹，这与普通锯切过程中直接去除工件材料相比，去除相同体积的材料所需的能量更小，因此锯切比能也相对来说较小。

图5所示为锯切比能随材料去除率的变化曲线图，材料去除率是指单位时间内工具加工去除的材料体积，而锯切比能是指去除单位体积工件材料所消耗的能量，很明显，随着材料去除率的增加，锯切比能呈下降的趋势。同样的，超声振动的作用能够有效的减小锯切比能，并且，在超声振动的作用下，锯切比能的变化趋势较为平稳。

3.3沟槽形貌特征分析

图6所示为在线速度vs=31.4m/s，vw=35mm/min时有无径向超声振动两种加工方式下所得到的蓝宝石片的沟槽形貌图，根据图9能够发现，蓝宝石的沟槽形貌主要能分为3种：A为塑性耕犁，B为微破碎状，C为大块剥落状。

由图6(a)、(b)可以看出，在普通锯切方式下，蓝宝石片去除方式主要为塑性变形去除及大块剥落形式，塑性耕犁痕迹较为明显，并且大块剥落处留下的凹坑所占面积较大；而图6(c)、(d)的高速旋转超声锯切下，蓝宝石片的沟槽形貌主要呈现微破碎形式，同时有少量的塑性耕犁现象存在，而大块破碎状的材料去除方式已经不复存在，但仍然有一些小的凹坑。

工件微观形貌主要反映着材料去除的形式，其与工件材料本身的性能有关，对蓝宝石片而言，在无超声锯切中，主要以塑性去除为主，因此微观形貌主要呈现为塑性耕犁划痕，而在超声振动的作用下，切割片对蓝宝石片表面的高频冲击，使工件材料容易产生微裂纹，通过裂纹的进一步延伸使其疲劳破碎，因此将无超声锯切加工中的大块剥落现象转换成脆性去除的微破碎形式。

4结论

本文通过对蓝宝石在高速条件下进行旋转超声锯切试验，分析其锯切力、锯切比能及沟槽形貌特征。研究结果表明，高速旋转超声锯切相对普通锯切可以显著降低锯切力及锯切比能，并在超声振动作用下改变材料去除方式。

(1)在超声振动的作用下，随着切深的增大，当线速度为23.6m/s时，切向力降低了50%~65%，法向力降低了40%~50%，而线速度为31.4m/s时，切向力降低了75%~80%，法向力降低了35%~50%，高线速度对切向力的影响更为明显；

(2)与低速旋转超声锯切玻璃相比，由于高锯切线速度大幅降低了锯切切向力，在高速条件下锯切硬度更高的蓝宝石时的锯切比能反而更低；

(3)通过对沟槽形貌进行观察发现，在无超声锯切中，材料去除方式主要以塑性去除为主，因此微观形貌主要呈现为塑性耕犁划痕，而在超声振动的作用下，切割片对蓝宝石片表面的高频冲击使工件材料容易产生微裂纹，通过裂纹的进一步延伸使其疲劳破碎，因此将无超声锯切加工中的大块剥落现象转换成脆性去除的微破碎形式，这在一定程度上也降低了锯切比能。

参考文献

[1]王秋燕,梁志强,王西彬,等.蓝宝石单晶精密磨削表面形貌的分形行为研[J].机械工程学报,2015,51(19):174-181.

WANGQiuyan,LIANGZhiqiang,WANGXibin,etal.ResearchonFractalBehaviorofSurfaceTopographyin

PrecisionGrindingofMonocrystalSapphire[J].Journalof    MechanicalEngineering,2015,51(19):174-181.

[2]NAKAMURAS,SENOHM,IWASAN,etal.HighBrightnessInGaNBlue,GreenandYellowLightEmitingDiodeswithQuantumWellStructures[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,2014,34(7A):L797-L799.

[3]LIANGZ,WANGX,WUY,etal.Experimentalstudyonbrittleductiletransitioninellipticalultrasonicassistedgrinding(EUAG)ofmonocrystalsapphireusingsinglediamondabrasivegrain[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2013,71(8):41-51.

[4]AKSELRODMS,BRUNIFJ.Moderntrendsincrystalgrowthandnewapplicationsofsapphire[J].JournalofCrystalGrowth,2012,360(1):134-145.

[5]王银珍,周圣明,徐军.蓝宝石衬底的化学机械抛光技术的研究[J].人工晶体报,2004,33

(3):441447.WANGYinzhen,ZHOUShengming,XUJun.ResearchofChemicalMechanicalPolishingTechniqueofSapphireSubstrate[J].JournalofSynthticCrystals,2004,33(3):441-447.

[6]龚愿愿.弧区变化对蓝宝石晶片锯切机理的影响研究[D].厦门：华侨大学,2016.GONGYuanyuan.StudyontheInfluenceofArcZoneontheSawingMechanismofSapphireWafer[D].Xiamen：Huaqiaouniversity,2016.

[7]胡小豹,郝强,郭政儒,等.全光纤皮秒激光切割蓝宝石晶圆的实验研究[J].中光,2017,1):139145.HUXiaobao,HAOQiang,GUOZhengru,etal.DicingofSapphireWaferwithAll-FiberPicosecondLase[J].ChineseJournalofLasers,2017,1):139-145.

[8]蔡志祥,高勋银,杨伟,等.光纤激光切割蓝宝石基片的工艺研究[J].激光与光电子学进展,2015,52(8):166-173.

CAIZhixiang,GAOXunyin,YANGWei,etal.StudyonFiberLaserCuttingofSapphireSubstrate[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2015,52(8):166-173.

[9]郭昉,田欣利,张保国,等.超声振动在非金属硬脆材料加工中的应用[J]新技术,2009,9):1419.GUOFang,TIANXinli,ZHANGBaoguo,etal.TheApplicationsofUltrasonicVibrationonMachining

TechnologiesforNonmetalHardandBrittleMaterials[J].NewTechology&NewProcess,2009,9):14-19.

[10]沈剑云,陈剑彬,王江全,等.径向超声锯切系统的实现及其应用探索[J]机械工程学报,2017,53(17):202-208.

SHENJianyun,CHENJianbin,WANGJiangquan,etal.StudyonManufacturingofRadialUltrasonicSawing

SystemandItsApplication[J].JournalofMechanicalEngineering,2017,53(1:202-208.

[11]MALKINS.Grindingtechnology:theoryandapplicationsofmachiningwithabrasives[M].SME,1989.