电镀金刚石线锯的超声纵振动切割加工的研究

摘要：利用自制的实验设备研究了电镀金刚石线锯的超声纵振动切割加工脆性材料。实验结果表明，该种加工方法与相同实验条件下的非施加超声振动相比，具有加工效率高、表面质量好、破碎小等特点，为硬脆材料的切割提供了一种新的有效的加工方法。

0、前言

用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由Mech于20世纪70年代提出。Ｗ.Ebner进行了早期线锯加工实验,由一个主动轮鼓和一个从动滑轮组成的往复式试验机床,金刚石锯丝的两端绕过滑轮分别固定在轮鼓径向的两端,电机驱动轮鼓带动锯丝往复运动。Ｗ.Ebner用之进行切割,得到了小于0.4ｍｍ的切片厚度。20世纪80年代,出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。

Anderson,J.R使用日本Yasunager公司的YQ100金刚石多线锯进行了硅切片实验,得到的切缝宽度小于0.16ｍｍ,表面损伤层深度小于5μｍ。尤其是近几年来,金刚石线锯得到了快速发展,对其研究也更为深入。

一、电镀金刚石线锯的超声纵振动切割加工

目前,固结磨料金刚石线锯受制造工艺限制,应用和研究相对较少。Clark等人使用木材和泡沫陶瓷作为试件,对切割力进行在线测量,研究了固结磨料的金刚石锯丝的寿命以及工艺参数对切割力、力比和加工表面粗糙度的影响。由于设备、资金和工艺的限制,国内的研究多为自制实验设备,并用石材作试件进行实验,从金刚石线锯设备制造、切割质量、切割机理和失效机理几方面进行了探索。樊瑞新和卢焕明对比线锯切割硅片和内圆锯切割硅片的表面切割损伤和损伤层厚度并指出,线切割硅片表面粗糙度大,外表面损伤大,但损伤层的厚度要小于常规内圆锯切割硅片,并讨论了影响线切割硅片表面损伤的原因。高伟对固结磨料的环形金刚石线锯的锯丝制造进行了研究,进行了花岗岩的切割实验,建立了锯切力的理论模型,研究了锯丝失效机理,用有限元模型分析了金刚石颗粒破碎和脱落原因。

本文设计的超声波线切割实验装置，主要是使金刚石线锯实现直线往复切割加工和超声波切割加工及复合加工。要实现以上功能，实验装置要完成的运动包括：

（1） 线锯的往复运动；
（2） 线锯的超声波纵振动；
（3） 线锯的低速扭转运动；
（4） 工作台X向的移动；
（5） 工作台Y向的移动；

其中，线锯的往复运动、超声波振动是超声波线切割加工的基本运动；工作台的方向移动是为了加工成型表面，同时便于工件的装夹和定位。此外，线锯的扭转运动是保证工具的磨损均匀和工件的加工质量。

1、实验方法

1.1实验设备 实验采用自制的USDW-1型超声波线切割实验机，主机功率0.75KW,调速范围80~400rpm,行程为50~150mm连续可调；

工具采用JR2型金刚石，线锯直径为Ф0.3~1.0mm, 金刚石粒度为200~280#；如图1

超生发生器的功率为250W，频率为20KHz，工具的最大振幅为20μm；
加工对象是氧化锆陶瓷、玻璃。

图1 电镀金刚石线锯的放大100倍的图片

2、实验结果及分析

2.1 粒度对加工效率的影响

图2表示当其他条件不变的情况下，线锯直径为Ф0.5mm, 金刚石粒度为140~280#转速为200rpm,行程为100mm，侧向压力为5N，超生发生器的功率为250W，频率为20KHz，工具的最大振幅为20μm；加工对象是氧化锆陶瓷，金刚石粒度对加工效率的影响。由图3可知，无论施加超声振动的切割，还是未施加超声振动的直线往复切割，其加工效率均是随着金刚石的目数的增加，即粒度直径的减小，加工效率降低。但是相同的条件下，施加超声振动的切割比未施加超声振动的直线往复切割的效率要高。

图2 磨料粒度与加工速度的关系

2.2 线锯的转速对加工效率的影响

图3表示当其他条件不变的情况下，线锯直径为Ф0.8mm, 金刚石粒度为200#,行程为100mm，侧向压力为5N，超生发生器的功率为250W，频率为20KHz，工具的最大振幅为20μm；加工对象是氧化锆陶瓷，线锯的转速对加工效率的影响。由图4可知，无论施加超声振动的切割，还是未施加超声振动的直线往复切割，其加工效率均是随着线锯的转速的增加，加工效率提高。相同的条件下，施加超声振动的切割比未施加超声振动的直线往复切割的效率平均提高2.5倍。很显然，随着线锯速度的提高，单位时间内参加切割的金刚石磨粒数增多，因此，锯切效率随着转速的提高而提高。同理，在相同条件下当施加超声振动后加工效率进一步增加，也容易理解。

图3 线锯的转速与加工效率的关系

2.3 侧向力对加工效率的影响

从图4的侧向压力与加工速度的关系可以看出，随着侧向压力的增大，加工速度越高，当侧向压力大于6N时，线锯弯曲很严重，使加工不能正常进行。相同的条件下，施加超声振动的切割比未施加超声振动的直线往复切割的效率平均提高2.6倍。根据M. C.Shaw、G.E.Miller和V.F. Kazantsevetal的理论都表明：压力越大金刚石压入材料越深，所以加工效率越高。同时，切向力也相应增加。

图4侧向力与加工效率的关系

3、表面质量分析

本实验表面分析采用上海产的金相显微镜和哈尔滨量具厂生产的2201型粗糙度仪分别对这两种加工方法加工的零件表面进行分析如图5(a) (b)所示. 图5(a)为未施加超声振动时，金刚石线锯切割氧化锆陶瓷的粗糙度值Ra=1.3~1.5μm，图5 (b) 为施加超声振动时，金刚石线锯切割氧化锆陶瓷的粗糙度值Ra=0.7~0.8μm，由此可见，施加超声振动时的金刚石线锯切割得到的表面粗糙度要低。

图5(a) 未施加超声振动时金刚石线锯切割氧化锆陶瓷的粗糙度值

图5 (b) 施加超声振动时金刚石线锯切割氧化锆陶瓷的粗糙度值

图6为未施加超声振动时，金刚石线锯切割氧化锆陶瓷放大200倍金相照片，图7为施加超声振动时，金刚石线锯切割氧化锆陶瓷放大200倍金相照片，从图6和可以明显地看到未施加超声振动时，金刚石线锯割氧化锆陶瓷所产生明显的切割条纹，而图7中施加超声振动时，金刚石线锯切割氧化锆陶瓷虽然可以看到切割条纹，但是其切割条纹与图6相比不很明显，这一结果与测量到的粗糙度值相一致。

图6 为未施加超声振动

图7为施加超声振动

4、结论

利用自制的实验设备研究了电镀金刚石线锯的超声纵振动切割加工脆性材料，通过大量的实验研究及测试,可得出如下结论：

(1) 该方法在硬脆材料切割方面是一种
切实可行的高效的加工方法，具有材料去除率高、加工质量好、经济性好等特点；

(2) 该加工方法与相同条件下的普通锯切相比，加工速度平均提高2.5倍；

(3) 该加工方法与相同条件下的普通锯切相比，表面粗糙度降低了近1倍；其表面粗糙度为Ra=0.7~0.8μm；而且表面无明显的切削条纹；

(4) 上述的实验结果只是初步的，有许多问题有待进一步深入系统的研究。

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