一种金刚砂线精密形状切割硬脆材料的方法

1.本发明涉及硬脆材料精密加工技术领域(precision cutting technology for hard and brittle materials)，特别是涉及一种金刚砂线切割技术。


背景技术：

2.金刚砂线切割技术近年来在精密切割领域中应用广泛，主要用于切割单晶硅、多晶硅、玉石等硬脆材料的切片开方和各类形状的精密切割。现有技术中的金刚砂线切割主要用于切片开方，而针对形状切割尤其是精密切割时，加工出的工件产品精度太低甚至形状要求与设计要求相差太大。产生这一问题的原因主要是金刚砂线切割是一种机械切割技术，加工工件与金刚砂线之间存在接触力，致使金刚砂线产生挠曲变形而形成弯丝现象。弯丝的产生对工件的切割精度要求是极其不利的，不仅影响工件轮廓表面质量，而且会使金刚砂线的磨损加剧导致断丝。
3.现有技术提供了一种金刚砂线的切割方法，利用在振荡切割段中，工件进给速度和金刚线速度均呈周期性变化，减小了工件进给速度与金刚线速度之间的差值波动，进而减少了金刚线的弯丝程度(见专利，“金刚线切割方法”，申请号cn109624112a，发明人张强)。但此方法并没有解决精密切割工件时由弯丝产生的工件表面切割痕迹明显的问题。尤其是金刚石砂线切割具有曲线轮廓的一类工件时，工件的切面会呈现“腰鼓”形，工件的形状要求很难保证，并且二次加工更是非常困难。


技术实现要素：

4.发明目的：
5.本发明提供一种金刚砂线精密形状切割硬脆材料的方法，用以解决由于硬脆材料精密形状切割时，由于金刚砂线“弯丝”现象导致的金刚砂线扭曲断丝、工件轮廓“腰鼓”现象、工件加工表面完整性以及工件切割尺寸精度和形状位置精度不符合要求的问题。
6.为了实现这一目的，采用以下技术方案：
7.一种金刚砂线精密加工硬脆材料的切割方法是根据加工零件的切割外形轮廓要求，将所要加工的切割轮廓路径有限分成足够多的直线小段，通过拟合的方式保证实际切割后的外形轮廓能够逼近理想的切割路径。这种划分方法使得金刚砂线精密切割各种路径时的圆弧或直线的连续插补运丝方式转变为完成有限多的微小直线路径切割。
8.进一步地，所述的零件切割轮廓路径的划分是插入足够多的拟合点，两个相邻拟合点间的距离不完全相等，零件加工精度越高所插入的拟合点越多，两个相邻拟合点之间的直线距离越短，拟合程度越高。
9.进一步地，所述的微小直线路径切割需确保金刚砂线由弯丝完全达到竖直状态后再进行下一次切割。
10.本发明提供一种金刚砂线的切割方法，包括：
11.步骤s1、将所需要加工的硬脆材料工件装夹至切割机上，设定起始切割点位置、结
束切割点位置、工件切割路径、工件预设进给速度、金刚砂线走丝速度；
12.步骤s2、工件从起始切割点位置开始切割后，设定工件开始进给，金刚砂线与工件之间会由于接触力使得金刚砂线处于“弯丝”状态；
13.步骤s3、通过上线架的张力检测装置实时检测金刚砂线的张力变化情况并向控制端反映运丝状态，控制工件进给量以便达到张力可调的目的。
14.步骤s4、控制端程序处理时，将切割图形根据加工精度要求依次划分为a1(切割起始点)至an(切割结束点)有限足够多的拟合点。
15.步骤s5、切割a1至a2点时，运丝方式由a1坐标点沿直线路径切割至a2坐标点；
16.步骤s6、由于实际加工过程中产生的弯丝现象，导线轮切点m1处会优先到达与a2同一竖直位置而切割点处会与a2产生距离为δ的滞后距离；
17.步骤s7、此时通过程序向控制端响应控制工件停止进给而金刚线保持切割工作状态，保持该状态并工作一段滞后切割时间t，让滞后距离δ不断减小至0，当切割线处于竖直状态时完成第一直线段的切割。
18.步骤s8、在之后的ai至a
i+1
(i＝2，3，
…
，n-1)点重复上述步骤s5至步骤s7的运丝方式完成整个曲线切割路径。
19.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
20.1、本发明通过提出一种新的金刚砂线精密形状切割硬脆材料的方法，改善了金刚砂线切割曲线路径时的工件的“腰鼓”现象，降低了金刚砂线中部滞后弯丝，进而扭曲断丝的风险.
21.2、本发明提出了一种将复杂曲线轮廓路径划分为离散的有限多个直线轮廓路径的分段切割方法，代替了传统数控连续插补方式，提高了金刚砂线精密切割硬脆材料工件轮廓的表面质量，减少了硬脆材料切割时的损耗。
22.3、本发明通过提出一种新的金刚砂线精密形状切割硬脆材料的方法，提高了切割工件的尺寸精度和形状位置精度。
附图说明
23.图1是金刚砂线弯丝滞留时间内切割示意图；
24.图2是金刚砂线的切割方法流程图；
25.图3是闭合曲线路径拟合点划分示意图；
26.图4是金刚砂线精密形状切割圆形轮廓工件的等距微小直线段划分和拟合程度实施例。
27.图中：1、工件；2、拟定形状切割轨迹；3、金刚砂线；4、导轮；5、实际形状切割轨迹；6、控制端。
具体实施方式
28.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
29.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
30.同时，应当理解，在以下的描述中在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制
31.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.下面结合实施例进一步说明本发明的具体内容。
34.如图4为实施例，将所需要加工的硬脆材料工件装夹至切割机上，设定起始切割点为b1点、结束切割点为b1点、切割曲线路径为φ20mm的圆，拟合点设为10个且均匀分布在所要求的曲线上，同时根据加工精度要求设定工件进给速度和金刚砂线的走丝速度。设定金刚砂线从b1点开始切割，金刚砂线先沿b1点至b2点的直线方向运丝，切割机上线架的张力检测装置实时检测金刚砂线的张力变化，并向控制端反应运丝状态。当上导线轮与砂线的切点在竖直方向上与b2点重合则工件停止进给而砂线保持工作切割状态进入滞后切割时间段，等待金刚砂线由弯曲状态切割至竖直状态则进行b2点至b3点的切割路径，控制金刚砂线按上述方式依次完成b1点至b
10
点的直线切割路径直至最后金刚砂线从b1点退出。
35.圆度，即通常所说的圆整程度，表示零件上圆的要素实际形状与其中心保持等距的状况。圆度公差是在同一截面上，实际圆对理想圆所允许的最大变动量(即实际圆轮廓的最小外接圆与最大内接圆的半径差)。从图中可以得出，规划10个拟合点来均匀拟合φ20mm的圆曲线时，所产生的圆度公差δ为0.489mm。由图4可得，按上述加工方法重新划分拟合点并增加拟合点数量为20个时；所产生的圆度公差δ为0.123mm；按上述加工方法重新划分拟合点并增加拟合点数量为50个时；所产生的圆度公差δ为0.020mm；按上述加工方法重新划分拟合点并增加拟合点数量为100个时；所产生的圆度公差δ为0.005mm。
36.因此，利用本发明提供的金刚砂线的切割方法，降低了切割硬脆材料工件由弯丝带来的腰鼓现象。通过控制进给量来达到控制张力的目的，减少金刚砂线由于张力过大引起断线现象。根据工件的加工精度要求，可以设定有限足够多的拟合点来拟合所要加工的曲线，提高工件加工的表面质量。
37.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种金刚砂线精密形状切割硬脆材料的方法，其特征在于，包括：(a)、将工件(1)切割路径根据其加工精度要求划分为a1(切割起始点)至a
n
(切割结束点)有限个足够多的拟合点；(b)、当金刚砂线(3)切割工件a1至a2点曲线轮廓时，由a1点沿直线路径切割至a2点；(c)、因实际加工过程中会产生“弯丝”现象，导线轮(4)切点m1处会优先到达与a2同一竖直位置而切割点处会与a2产生距离为δ的滞后距离；(d)、通过程序向控制端(6)响应并控制工件(1)停止进给而金刚砂线(3)保持切割工作状态，保持该状态并工作一段滞后切割时间t，让滞后距离δ不断减小至0，当金刚砂线(3)处于竖直状态时完成第一直线段的切割；(e)、之后工件(1)a
i
至a
i+1
(i＝2，3，
…
，n-1)点重复上述运丝方式完成整个路径切割。2.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，在所述切割路径划分中，既可控制将切割路径用有限足够多的拟合点均匀划分为等长的直线线段(a1至a
n
中相邻两点直线距离相等)，也可根据加工精度要求，控制在同一切割路径上不同位置的相邻两个拟合点拥有不等距的直线线段(a
i
与a
i+1
(i＝1，2，3，
…
，n-1)点的直线距离不完全相等)。3.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，在工件(1)开始加工之前，需要先设定起始切割点位置、结束切割点位置、工件切割路径、工件预设进给速度、金刚砂线走丝速度。4.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，由于“弯丝”现象导致在切割时会产生滞后距离δ，应控制工件(1)停止进给而金刚砂线(3)继续保持切割的工作状态。5.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，切割滞后距离处的工件(1)时，要保证权利要求1所述的工作状态保证一段滞后切割时间t。6.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，切割滞后距离处的工件(1)时，要保证在滞后切割时间t内，滞后距离δ不断减小至0，金刚砂线(3)最后处于竖直状态且张力均匀。7.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，金刚砂线(3)在两个相邻的拟合点之间的运丝方式，沿两拟合点间的最短直线路径径直切割。8.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，所述切割路径划分中，在加工尺寸精度要求高、切割路径形状精度高的条件下应保证路径拟合点数量要明显大于加工精度要求低、切割路径拟合度低的路径拟合点数量。9.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，切割路径若为开环切割则a
i
(i＝2，3，
…
，n-1)点是第i-1段的切割结束点，同时也是第i段的切割起始点；切割路径若为闭环切割则a1点是第一段的切割起始点，同时也是最后一段的切割结束点，而a
i
(i＝2，3，
…
，n-1)点是第i-1段的切割结束点，同时也是第i段的切割起始点。10.根据权利要求1所述的金刚砂线精密形状切割方法，其特征在于，此切割方法适用于金刚砂线切割加工、金刚砂线与电火花复合切割加工、金刚砂线与电解复合切割加工、金刚砂线与电解电火花复合切割加工。

技术总结
本发明涉及一种金刚砂线精密形状切割硬脆材料的方法，属于硬脆材料加工技术领域。其特征是，在金刚砂线精密形状切割时，采用“化曲为直”的思想规划金刚砂线的切割进给路径，由足够多的有限个微小直线段拟合获得切割工件的形状曲线。当工件外形轮廓精度要求越高时所划分的直线段越多，从而保证切割后工件的形状精度要求。在切割过程中，金刚砂线每次运丝进给一小直线段，待金刚砂线由弯变直后再进行下一段切割。本发明使得金刚砂线精密形状切割的加工方式，由连续数控插补运丝转变为阶段性地完成有限个微小直线段的切割运丝。可有效避免由于金刚砂线弯丝所导致的断丝和工件“腰鼓”等问题，提高工件切割的稳定性、尺寸精度及形状位置精度。状位置精度。状位置精度。


技术研发人员：刘志东 夏斯伟 曾熊辉 邱明波 杨海林
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/31