金刚石切割片（共7篇）
金刚石切割片 篇1
金刚石超薄切割砂轮主要用于精密切槽和切断, 一般采用深切缓进给磨削法。具有磨削深度大、进给速度小、砂轮与工件的接触面积大、切缝窄、金属切除率高、磨削精度高、加工表面质量好及材料利用率高等特点。其一般规律如下:1) 整体型切割砂轮厚度薄 (多在0.5mm以下) 、外径小 (20～100mm) 、粒度细、尺寸及形位精度高、重量轻, 一般在高转速条件下使用。一般转速为5000～40000r/min。
2) 基体型切割砂轮大多较厚 (0.5～2mm) 、直径大 (100～200mm) 、粒度粗、精度较低, 一般用于较低转速大切深条件下使用。一般转速为3000～10000r/min。
3) 超薄切割砂轮多使用细粒度, 且一般其厚度越薄磨料粒度会相应变细, 加工表面质量好。但是磨料粒度越细相应的切割锋利度下降, 要相应减小进给速度, 以适应磨料粒度的可切削性。
4) 超薄切割砂轮的切削深度一般由用户根据切割零件来定, 其切削大多采用缓进给磨削工艺, 深度一次切到。这样由于切割砂轮薄、切割条件差 (多为3面接触工件) , 使其散热困难, 因此要加大 (流量、压力) 对切削区的冷却。
5) 当切割砂轮在用户处刚上机使用就出现切不动或工件崩口时, 建议提高切削速度或降低进给量;当使用一段时间后出现切不动或崩口时, 建议用适当粒度的油石对砂轮表面进行开刃, 以调整其锋利性。
6) 工件加工表面质量及切割性能主要与超薄切割砂轮磨料粒度有关, 粒度越细加工的表面光洁度越好。同时与工件材料、硬度、切割用量、机床条件、加工要求等因素也有关系。
7) 超薄切割砂轮出厂前一般已进行了整形和开刃, 用户可以直接使用。如果用户需进一步整形, 建议用绿碳化硅或白刚玉油石, 粒度选比切割砂轮粒度粗1-2个号;如果用户需进一步开刃或使用一段后开刃, 建议用绿碳化硅或白刚玉油石, 粒度选比切割砂轮粒度细1-2个号或同号即可。
8) 切削用量一般还与被加工材料、硬度、精度、加工要求等有关, 建议初次使用时最好在用户原有条件下使用, 不要轻易改变切削用量。
9) 用户使用条件也是影响切割性能的主要因素, 特别是机床的主轴轴向串动、径向跳动、法兰的平行度、动平衡精度等均直接影响切割砂轮的切割精度。
金刚石线锯切割设备现状分析 篇2
目前,硬脆性材料,如晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷等,具有优良、稳定的物理和化学性能,在电子、光学及其它领域得到广泛应用。随着工业的发展,需求量不断增加,切割加工量也大幅增长。由于硬脆材料硬度高、脆性大,因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序,锯切加工成本约占加工总成本的50%以上,因此,切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注,并得到迅速发展[1]。从目前国内外加工的现状来看,硬脆性材料切割方法主要有:金刚石圆盘锯切割、金刚石带锯切割、电火花线切割、游离磨料线锯切割和金刚石线锯切割等。在国际上,游离磨料线锯切割在晶体硅的切割中占主流地位,但是这种技术存在明显的不足:线锯走丝速度低,通常≤10m/s,切割效率低,锯丝使用寿命短,切割大尺寸坯料时磨料难以进入到长而深的切缝,磨浆的处理和回收成本较高。因此,近来出现金刚石线锯代替游离磨料线锯的发展趋势[2]。
2 国外硅片金刚石线切割设备的最新发展
今年上海第五届国际太阳能产业及光伏工程展览会上,国际各大公司展出了其最新产品。如日本某公司展出最新研制的T-8253B型金刚石多线切割机,见图1。该机线速度1000m/min,生产能力比游离丝切割机提高2倍以上,实现TTV<10μm,成品率98%的高精度加工,金刚石线消耗量1.5m/片以下,实行低成本生产,单位面积内生产能力4.7万片/m2。瑞士某公司展会上推出BM850金刚石多线开方机和DS265切片机,其性能十分优越,代表了当今世界切割设备的最高水平。
2.1 BM850型金刚石线锯开方机(见图2)
A、特点
①G5大型晶锭(850×850×450)一次性开方。
②采用Φ350μm金刚石线,可精确定位和进行张力控制,切割线消耗量最少。
③产能最高,每年切方36000～52000块(相当于120～170MW)。
B、技术参数(见表1)
2.2 DS265型金刚石多线切割机(见图3)特点
(1)采用金刚石线提高线速度,提高进给速度,实现最高产能。
(2)摇摆机构优化了金刚石线切割长度,缩短切割时间,并提高晶片质量。
(3)最高产量(方锭300mm)≥90000片/年。
(4)总运行成本最低,线耗量≤3m/片。
(5)最新一代断线监控系统,实时停机,确保工件和导轮不受损。
(6)技术参数(见表2)
其摇摆机构特点,见图4。
该机安装单晶硅棒的机构在切片过程,呈5度的往复摇摆。这使金刚石线进给时,与工件接触长度保持恒定,以保证硅片的切割质量。
综上所述,经过十几年的不断创新改进,国外新一代金刚石多线切割机显示出更加优越的特点:
(1)使用的切割线更细,切出的硅片更薄,大大减少了硅原料消耗。硅片厚度从原来的330μm减薄到180～220μm,设备制造精度更高。进一步发展,还可将硅片厚度从180μm减薄到150μm,制造成本再降低25%。
(2)考虑到使用金刚石线,将线速度提高到1000m/min以上;进给速度提高到1～5mm/min;生产效率提高2～3倍。
(3)由于生产能力的大幅提高,则要求更为精密的数控系统,具备先进合理的工艺控制和切割线张力控制与监测系统。
(4)美国某公司为在保持速度前提下提高机台产量,推出一套最新的MaxEdge系统,采用独特的两组独立控制的切割组件。该系统结合更细的切割线和更薄硅片,提升了线锯技术,降低了太阳能电力的每瓦成本。见图5.[3]
3 国内金刚石多线锯设备
近年来,由于国家的重视,将大规模集成电路制造装备与成套工艺专项课题列入国家重大科技专项,另外,国内有关设备制造企业也看到了这个巨大的商机,大力投入人力物力开展研制开发,先以仿制为主,逐渐转向自主创新并研制出有自身知识产权的金刚石线切割机,用以替代原游离磨料钢线切割方式。
如:上海某公司生产的NWSS-125D金刚线切方机,如图6。该设备是用纯金刚线切割晶体硅的大型设备,可切(1000×1000×400)mm的晶锭。特点是与传统的砂浆油切割相比,效率高,切割速度可达1.5～2.0mm/min,是传统方式的2倍以上。设备占地面积比传统砂浆线切割设备更小,采用四门柱型结构,装卸料更趋灵活方便。该机使用金刚线切割产品,大大降低了原先用砂浆油切割的污染程度和废液的回收成本,是传统线切方机的升级换代产品。
4 金刚石单线锯机应用前景广阔
国内半导体制造和光伏电池上游加工,包括:去头尾、截断、开方等的加工,大部分仍然采用金刚石带锯设备,加工表面粗糙,浪费材料,使用金刚石线锯机切割加工,能得到更高的质量。
4.1 JXQ-401金刚石单线切割机
北京某单位研制的一款JXQ-401金刚石单线切割机,只是规格太小(110×110mm),若加以放大至300×300mm,即可用于单晶硅切割。该机工件夹持装置设计为6度的摆动机构,保证切割线与工件接触长度均匀,提高切割效率和晶片质量。
JXQ-401金刚石单线切割机主要技术性能:
a) 切割晶体最大尺寸: (110×110)mm
b) 切割线最大线速度: 1000m/min
c) 工作台进给速度: 0.001～0.4mm/s
d) 摆动角度: 6°
e) 切片厚度误差: TTV≤25μm
f) 晶片表面粗糙度: Ra≤ 1.6μm
4.2 瑞士某公司生产的各种型号的环形线锯机
瑞士某公司开发生产系列金刚石线锯机,包括往复式线锯机和环形线锯机。环形线锯机相对往复式线锯机,线速度有了较大的提高,达20m/s;环线周长2.2m～2.4m。如6234型切割机,见图7。
目前,大型往复式金刚石线锯机占金刚石线锯主导地位。但往复式由于受到正反转惯性作用,线速比较低,仅是3～10m/s,效率低,小型单线金刚石切割机也受到同样的局限性,而环形线锯则克服了往复线锯的缺点,线速可高达50m/s,可实现高效生产,因此在一些需要精密切片的工业加工领域,硅晶体、特种陶瓷加工等得到推广应用,并显示出其独特的高效及优越性。随着工业的发展,在晶体硅、蓝宝石、特种陶瓷、石墨模具、名贵石材等行业有着广阔的应用前景。
6 结束语
超硬材料行业除了重视金刚石线锯的研究之外,更要大力投入切割设备的研究,因为两者是密不可分的。当然,硬脆性材料切割设备是高精密设备,除了设计之外,还要配以高精密机械制造装备和高水平的机加工技术,才能保证设备的制造质量和技术性能指标。超硬材料行业应该为我国半导体产业和光伏产业的发展,为减少消耗,降低制造成本,解决生产中的关键工艺技术,打破当前国外设备的垄断局面,作出更大的贡献!
参考文献
[1]高伟,等.用复合电镀法制造环形电镀金刚石线锯[J].金刚石与磨料磨具工程,2004(4).
[2]郑超.硅片切割设备现状与发展综述[J].超硬材料论坛论文集,2011,11(191-196).
[3]吕智,郑超.固结金刚石线锯技术[J].超硬材料论坛论文集,2011,11(186).
[4]李永强.向年两会报告:光伏生产装备国产化仍在路上[J].中国能源报,2011.3.3.
金刚石切割片 篇3
目前,国内外对环形电镀金刚石线锯的研究报道较少。1993年日本进行了环形电镀金刚石线锯的研究,并提出了如何把钢丝基体焊接成环形的方法[1]。Well Diamond Wire saws公司研制的环形电镀金刚石线锯,其锯切线速度可达20m/s[2]。高伟、刘镇昌等人[3]采取复合电镀的方法用Φ0.8mm的65Mn钢丝作基体材料研制了环形电镀金刚石线锯,并在自制的试验设备上进行花岗岩锯切。孟剑锋[4]通过进口环形电镀金刚石线锯加工单晶硅和LT55陶瓷的试验,建立了切片表面粗糙度Ra模型,提出改善切片表面粗糙度的措施,同时还提出减小锯丝磨损的措施。贺东溥[5]对环形电镀金刚石线锯切割SiC的加工质量进行了研究,分析了锯切工艺参数对SiC表面粗糙度和表面形貌的影响规律。总之,环形电镀金刚石线锯具有锯切表面质量好,锯切效率高,切缝窄,锯切力小,污染小等优良特性,尤其适合贵重硬脆材料的切割加工。本文采用Φ0.5mm的不锈钢丝作为基体材料,通过电镀的方法研制出环形金刚石线锯,并在自制的试验设备上对大理石进行了切割。试验表明:工件表面粗糙度随锯丝速度增加和进给速度的减小而降低,随锯丝张紧力的增加先降低后增大。
2 试验设计
本试验采用的天然大理石工件尺寸为120mm×120mm×400mm,邵氏硬度为36.4～44.2,使用自制的环形电镀金刚石线锯切割,切片厚度为2mm。环形金刚石线锯锯丝以直径Φ0.5mm的不锈钢丝为基体材料,金刚石磨粒大小为120～140目,线锯直径约0.75mm,锯丝最大张紧力为150N。
2.1 试验设备
本试验所采用的试验设备是自制的环形金刚石线锯切割机床,锯切线速度最高可达50m/s,进给速度可达20mm/min,但是受工作条件及精度的限制,切割稳定线速度在30m/s,进给速度可达15mm/min。
2.2 试验方案
影响大理石表面粗糙度Ra的锯切工艺参数有锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力三个因素。为了得到切片表面粗糙度最优时的工艺参数,本试验设计了正交试验,取锯丝线速度、工件进给速度、锯丝张紧力3个因素,每个因素水平都为3,见表1。
3 试验结果与分析
表2是锯切工艺参数正交试验设计表。表中的大理石表面粗糙度Ra值是用时代公司生产的TR200手持式粗糙度仪测量的。K1、K2、K3分别表示各因素1、2、3水平所对应的大理石表面粗糙度测量值之和,K1、K2、K3分别表示各因素1、2、3水平所对应的大理石表面粗糙度测量值的平均值,Rj表示极差值。
从表中可以看出:R2﹥R1﹥R3 三个参数对表面质量都有不同程度的影响,其中工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之,锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。为了进一步确定锯切大理石表面粗糙度的最优工艺参数,根据正交试验结果分别做出了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响,如图1、图2和图3 。
由图1可以看出:随着锯丝线速度的增大,大理石表面粗糙度值减小。这是因为锯丝速度增加使得单个磨粒的切削深度减小,这样单个磨粒的材料去除率减小,表面质量得到改善。但是随着线速度的增大,锯丝振动也越来越大,当线速度超过30m/s时,工件处锯丝振幅约为0.3mm,张紧轮处锯丝振幅约为0.5mm,显然对锯丝的工作寿命造成一定程度的影响。
从图2的曲线可以看出:随着工件进给速度的增大,大理石表面粗糙度值增加。造成这一现象的原因是工件进给速度的增大使得锯丝与工件之间的作用力增大,这样就增加了单个磨粒的切削深度,表面质量降低。
从图3中得知:随着锯丝张紧力的增加,大理石表面粗糙度先降低后升高。增加锯丝张紧力,有利于减小锯丝的振动,降低表面粗糙度值。当张紧力超过100N时,锯丝与工件间的应力增大,使得单个磨粒的切削深度增加,又加上锯丝磨损也较快,磨损和脱落的金刚石颗粒随机械冲击力被压入到工件表面,大理石表面粗糙度又开始增加。所以调节张紧力时要留有一定的余度,不要过紧。
根据上述分析,用环形电镀金刚石线锯锯切大理石时,要获得较好的表面粗糙度,又要得到较高的切割效率,在本试验参数范围内,工件进给速度为10mm/min,锯丝线速度为30m/s,锯丝张紧力为100N是最好的切割工艺。
4 金刚石锯丝磨损分析
锯丝的磨损包括磨粒磨损和镀层磨损两方面。为了锯丝制作工艺的进一步改进,降低锯丝的磨损,延长锯丝的使用寿命,必须弄清锯丝的磨损机理。借助JSM-6380LV扫描电子显微镜(SEM)观察切割后锯丝的磨损情况。图4是环形电镀金刚石线锯使用前和使用后SEM图。
4.1 金刚石磨粒磨损
锯丝锯切过程中,磨粒与材料表面接触,不断受到工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作用,使金刚石磨粒不可避免地出现磨损、破碎和脱落。磨粒磨损可分为磨粒局部破碎、局部折断、磨平、整体破碎和磨粒脱落等形式。磨粒局部破碎使金刚石磨粒产生新的切削刃,提高了金刚石线锯的切削能力,属正常磨损。随着切割过程的进行,磨粒受工件和切屑对它的冲击、摩擦以及锯丝引起的热冲击作用影响越来越大,金刚石磨粒被磨平或整体破碎,有效切削刃的数量越来越少,线锯的切削能力随之下降,可见它们属于有害的磨损形式。
锯丝在使用一段时间后出现磨粒脱落(图4b)现象,这往往是由于金刚石磨粒在摩擦和冲击作用并加上镀层把持力降低的情况下从基体上直接脱落的。
4.2 镀层的磨损
镀层是把金刚石磨粒固结在钢丝基体上的媒介,所以镀层对磨粒的把持力是非常重要的。镀层的磨损(图4b)会降低对磨粒的把持力,造成磨粒的脱落,缩短锯丝的使用寿命,镀层的磨损主要发生在磨损的后期,它的表现形式为镀层局部与完全脱落、镀层裂纹和磨损。在锯丝磨损的初期,主要是金刚石磨粒的脱落和破碎,随着磨损的加剧,镀层也开始受到工件材料的直接摩擦。由于镀层的硬度较低,镀层急剧磨损,这就降低了它对磨粒的把持力,使磨粒迅速脱落,锯丝整体进入急剧磨损阶段,此时线锯失去切割能力。
4.3 减少锯丝磨损措施
锯丝的主要磨损形式是磨粒的脱落,要想减少锯丝磨损,延长锯丝的使用寿命,应采取以下措施:(1)增加镀层的强度,提高镀层对金刚石磨粒的把持力,减少锯丝磨损。(2)在现有的实验条件下尽可能提高机床的精度,以减小锯丝的振动,延长锯丝使用寿命。(3)在切割工艺参数范围内进一步提高锯丝线速度,因为随着线速度增大,锯切力减小,锯丝磨损也减少。
5 结论
通过正交试验,利用环形电镀金刚石线锯对大理石进行了切割,并详细分析了锯切线速度、工件进给速度和锯丝张紧力等锯切工艺参数对大理石表面粗糙度的影响,得出如下结论:
(1)工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,随着工件进给速度的增大,大理石表面粗糙度值增加。同时进给速度还影响大理石的锯切效率,两者兼顾,最优工件进给速度取10mm/min。
(2)锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响没有工件进给速度的影响大,随着线速度的增大,大理石表面粗糙度值减小。但是随着线速度的增大,锯丝振动也越来越大,影响了线锯的工作寿命。考虑到线速度对大理石表面粗糙度的影响不是最大的,所以最优锯丝线速度取30m/s。
(3)锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响最小,随着锯丝张紧力的增加,大理石表面粗糙度先降低后升高。锯丝张紧力为100N,大理石表面粗糙度最好。
(4)锯丝的磨损机理是磨粒的脱落,要想减少磨粒的脱落,必须提高镀层的把持力,减小锯丝的振动和提高锯丝线速度,从而减少锯丝磨损,延长锯丝的使用寿命。
摘要：选用环形电镀金刚石线锯切割大理石,分析了锯丝线速度、工件进给速度和锯丝张紧力对大理石表面加工质量的影响,研究了金刚石锯丝的磨损机理。结果表明:工件进给速度对大理石表面粗糙度的影响最大,锯丝线速度对大理石表面粗糙度的影响次之,锯丝张紧力对大理石表面粗糙度的影响再次之。在本试验参数范围内,最优工艺参数为:工件进给速度为10mm/min,锯丝线速度为30m/s,锯丝张紧力为100N。
关键词：环形金刚石线锯,大理石,正交试验,表面粗糙度
参考文献
[1]1Kao et al.Wafer Slicing and Wire Saw Manufacturing Tech-nology[J].The NSF Grantees Conference.1997.
[2]http://www.well diamond wire saws.com.
[3]高伟,刘镇昌.用复合电镀法制造环形电镀金刚石线锯[J].金刚石与磨料磨具工程.2004(2):48-51.
[4]孟剑峰.环形电镀金刚石线锯加工技术及加工质量研究[D].山东大学博士论文.2006,9.
金刚石切割片 篇4
蓝宝石的组成为氧化铝 (Al2O3) , 是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成, 其晶体为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane, C-Plane及R-Plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽, 从近紫外光 (190nm) 到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上, 具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高 (2045℃) 等特点, 它是一种相当难加工的材料, 因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓磊晶 (GaN) 的材料品质, 而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关, 蓝宝石 (单晶Al2O3 ) C面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小, 同时符合GaN 磊晶制程中耐高温的要求, 这使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。
蓝宝石基片的原材料是晶棒, 晶棒由蓝宝石晶体加工而成。其相关制造流程有:定向-掏棒-切片-研磨-倒角-抛光-清洗-品鉴, 其中切割工序位于整个流程的最前端, 切割加工的好坏将直接影响后续加工。LED蓝宝石硬度高, 切片厚度要求在330um～430um, 切割难度较大。目前切割蓝宝石晶片主要使用金刚石多线锯, 线锯直径在0.25～0.35mm, 而开方、截断、晶棒两头主要使用带锯加工。金刚石线在国内已经较成熟, 而且价格比国外进口的便宜, 但多线锯切割的主要技术还是由国外少数厂家控制[1]。
切割蓝宝石多使用金刚石多线锯, 切割加工的运动是往复的。由于线锯需要换向, 所以线锯速度低且经常变化, 这带来两个问题:一是线速度低, 限制加工效率;二是材料加工表面存在线锯换向时的痕迹, 影响表面质量[2,3]。使用往复式金刚石线 (0.3mm) 切割2英寸蓝宝石晶棒需要耗时3～4个小时。而环形金刚石线切割时锯丝单方向运动, 线速度较高 (20m/s) , 30分钟即可完成2英寸蓝宝石晶棒的切断。本文对环形金刚石线锯切割蓝宝石晶体进行了研究, 分析了切割工艺对蓝宝石切片表面粗糙度及晶片总厚度偏差及表面形貌的影响。实验表明:环形金刚石线锯克服了多线锯切割的缺点, 在切割线速度20m/s、进给速度0.5㎜/min及张紧砝码质量5kg时切割效果最好。
2 试验
切割实验在自制的环形金刚石线切割机上进行, 设备示意如图1所示。
切割时环形金刚石线锯采用重锤法调节张力, 可以根据进给量的大小, 自动调整线锯的受力, 不至于使锯丝局部受力过大断开。切割采用自来水冷却及切屑的清除。由于切缝不到1毫米, 水流量较小时, 清屑不彻底会引起切割表面的不平整, 有明显切痕, 故切割时应保持水量在100ml/min以上。
晶片表面粗糙度Ra值使用时代公司TR200手持式粗糙度仪测量, 测量值为5个测量值的平均值。
3 结果分析
3.1 切割工艺参数对晶片粗糙度的影响
影响晶片表面粗糙度的切割工艺参数有锯丝线速度Vs、进给速度Vw、砝码配重G等因素。因此为了提高晶片表面质量, 提高锯切效率有必要对锯切工艺参数优化, 为此, 设计了一组正交试验。基于提高晶片表面质量和锯切效率的影响因素有锯丝线速度Vs、进给速度Vw、砝码配重G, 因此, 每个因素取三个位级, 因素位级见表2。锯切工艺参数优化正交试验计划及试验结果见表2、表3。
正交实验结果表明:金刚石线运行速度, 进给速度, 张紧配重对切割表面质量都有不同程度的影响。由试验结果可以看出, 环形金刚石线锯切割蓝宝石表面粗糙度均在1微米以下, 试验4号线速度20 m/s, 进给0.5mm/min, 张紧砝码重50N时切割表面质量最好, 为0.473μm。切割线速度是切割工艺中一个重要的参数, 特别是对于金刚石工具而言。金刚石工具在高速运行的情况下, 单位面积去除率极高, 更能体现其优越性能, 试验7、8、9号均获得了较好的晶片表面质量。但是在实际的加工过程中发现, 切割硬度较高材料时, 速度过高会加速金刚石的磨损, 随着时间的推移, 切割每片的时间在延长, 切割线会更弯曲, 切割力变大, 最终导致环形金刚石线受力过大而断开。实验表明, 在线速度20m/s时较好, 既可以保持平稳进刀, 也可以保持金刚石的持久锋利。试验3、6、9号粗糙度值较大, 原因是3组实验线锯进给速度较快, 而进给速度是影响切割表面质量的主要因素, 进给速度适当时切割表面平整, 随着进给速度的增加, 单颗粒去除率增加, 切割力随之增加, 表现在切割表面上就成为线痕, 另外切割片整个表面也表现出不平整、弯曲现象, 甚至会产生一边厚一边薄的现象。由表3可知, 从极差角度, 张紧力对粗糙度的影响较小, 在不影响锯丝振动和锯丝受力在屈服强度以下应当尽量增加砝码重量, 根据线锯基体的抗拉强度计算, 配重在50N时为宜。
3.3 晶片表面形貌分析
扫描电子显微镜是视觉描述加工表面粗糙度的一个非常好的方法。
图3-图4为晶片表面的扫描电镜 (SEM) 照片, 更直观地展现了晶片表面粗糙度的变化。照片显示不同工艺切割的晶片表面, 沿着切割丝运动的方向均存在划痕和凹坑。可以看出:4号试验切割的晶片表面划痕相对较少, 划痕的宽度较窄。
图3a、图4a也充分证明了在较大进给工艺下单颗金刚石压入深度增加, 材料去除率和切割力的增加, 晶片表面脆性断裂加剧, 凹坑、线痕加宽、加深, 最终表现出粗糙度的增加。主要是因为材料在脆性模式下去除, 切屑的形成是裂纹扩展交叉的结果, 最终以微观与宏观破碎的块状去除。个别凹坑看起来较严重, 整个区域看起来破碎不堪, 看起来好像是崩掉的, 其实可能是由于在切割过程中脱落金刚石磨粒被挤压嵌入加工表面所造成的, 这对材料表面质量的损害更严重。
3.2 锯丝失效机理
从整个加工过程来看, 最终是环形金刚石线的断开使切割无法进行。对环形金刚石线进行扫描电镜观察后发现, 锯丝的断开可以用金刚石的磨损和脱落来解释。环形金刚石线锯丝表面的金刚石脱落的相对较少, 镍层的磨损, 开裂现象不明显, 金刚石颗粒的磨损情况比较严重。由图5、图6可知, 金刚石长期的切割作业, 由原来的尖角锋利刃变成了圆球形, 有的已被磨平, 这样就丧失了切割的能力。当大部分金刚石丧失切割能力后, 恒位移仍进给仍在继续, 切割力急剧增加, 金刚石颗粒就会从钢丝基体上脱落下来。随着时间的推移, 钢丝上的金刚石脱落殆尽, 超过锯丝的承受能力时, 锯丝就会断裂。
4 结语
通过使用环形金刚石线锯切割蓝宝石试验, 分析了切割蓝宝石切割工艺对蓝宝石晶片表面粗糙度的影响。
使用环形金刚石线锯具有切割效率高, 切割效果好的优势, 切割片厚度最薄在0.2毫米, 切割表面粗糙度在1微米以下, 约半小时时间即可切断直径53毫米的晶棒;
切割线速度25米/秒或者更高, 进给速度1.5毫米/分或更高, 实验表明:在线速度20米/秒, 进给速度0.5毫米/秒时, 切割效果最好;
增大张紧力, 有助于减少锯丝的振动, 也可提高晶片表面的质量;
锯丝的失效原因为金刚石磨损, 导致切割力增大使切割力大于钢丝基体的承受力而断开尽而失效的。
摘要：使用环形金刚石线直径为0.70毫米, 长4米, 切割直径53毫米的蓝宝石晶体, 30分钟即可完成切割。论文研究切割线速度, 进给速度等对蓝宝石切割面粗糙度的影响。通过试验找到环形金刚石线切割蓝宝石片的最佳工艺参数并对其切割机理进行了探讨。
关键词：蓝宝石,环形金刚石线锯,切割机理
参考文献
[1]张波, 刘文涛, 胡晓冬, 李伟.线锯切割技术的应用与发展[J].超硬材料工程, 2008, 20 (1) :45-48.
[2]黄波, 高玉飞, 葛培琪.金刚石线锯切割单晶硅表面缺陷与锯丝磨损分析[J].金刚石与磨料磨具工程, 2011, 31 (1) :53-57.
金刚石切割片 篇5
近些年来,随着世界航空工业高效数控加工技术的发展,飞机制造大量采用大型整体结构件取代通过铆接、焊接或其他方式将众多模锻件、挤压件或机加件连接到一起的装配件,以减轻机身质量,缩短制造周期,提高飞机性能[1,2]。大型整体结构件以铝合金和钛合金为主, 铝合金大型整体结构件占据70%以上的份额[2],且主要由铝合金厚板下料后高效数控加工而成。为了能够机加工出飞机用大型整体结构件,必须增加传统航空用厚板的最大厚度,大飞机铝合金超厚板的厚度有些竟在300mm以上,有的甚至达到了500mm[1,2],这一变化带来许多新问题,其中,如何解决这些超厚板的高效成形切割下料问题,是突出问题之一。目前,切割下料的手段主要是圆片锯、带锯之类,都只能作切断加工,不能进行成形切割,原材料浪费严重,后续的机加工量大。而固结金刚石线锯切割是近年来快速发展起来的一种切割方法,具有切缝窄、锯切效率高、切面品质好、对环境污染小等优点,但目前电镀法、树脂结合剂法和机械碾压法等制作的金刚石线锯都存在金刚石磨粒和锯丝基体物理固结,磨粒易脱落,而钎焊金刚石线锯实现了金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面的化学结合,结合强度高,并且金刚石线锯切割目前主要用于硬脆材料的加工,尚未有金刚石线锯切割铝合金厚板的报道。本文就这一切割技术在铝合金厚板切割下料上的应用进行初步的研究。
1 试验条件
1.1 金刚石锯丝的制作
由于高频感应钎焊能够实现金刚石、结合剂(钎焊合金材料)和金属基体界面上的化学冶金结合,具有较高的结合强度,粒度的裸露高度可达70%～80%,容屑空间大,不易堵塞,磨料的利用更加充分[3],因此本试验采用钎焊方法制作锯丝。
锯丝的芯线采用65Mn钢,直径0.8mm;结合剂为Ni-Cr-B-Si合金钎料,金刚石粒度为80～100目。制作工艺为:将粉末状Ni-Cr-B-Si钎料与绿色环保液体胶均匀混合成浆液;钎料浆液厚度适中且均匀粘附在芯线表面;金刚石磨料均匀镶嵌于芯线表面的钎料浆涂层上;气体保护氛围中加热至钎料熔化,冷却后金刚石磨料就牢固钎焊于芯线表面上。图1是金刚石涂覆示意图,图2是钎焊后的金刚石线锯形貌图。从图2可以看出金刚石晶形完整,棱角分明,无裂纹和石墨化显现;钎料铺展均匀,金刚石爬升良好。
1.2 切割运动的实现及试件的选择
图3是钎焊金刚石线锯切割铝合金的试验装置。利用MMD7125磨床,把平口钳固定在磨床的工作台上,钎焊金刚石线锯安装在锯弓上,锯弓由平口钳夹持固定。磨床工作台的往复运动实现线锯的往复运动,试样的上下、前后进给运动由磨床工作台的升降系统、前后运动系统来实现。线锯往复运动的平均速度vs为14m/min,上下、前后进给速度都可达到vw为0.05mm/s,切割过程中不使用冷却液。
试样选用主要用于飞机结构、导弹构件、螺旋桨元件及其他结构件2A12,厚度30mm,加工时由两个螺栓固定在磨床的保护壳上面,表1是试验用铝合金型号及其物理力学性质。
2 试验结果与分析
2.1 切割铝合金后线锯表面形貌
金刚石硬度高,表面与铝合金亲和力小,所以金刚石是非常适合加工铝合金的刀具材料。图4是线锯切割加工铝合金面积3000mm2后线锯的不同区域表面形貌。
从图4(a),(b),(c),(d)中可以看出,由于钎焊工艺制造的金刚石线锯磨粒的平均裸露高度可达磨粒平均粒径的70%～80%,容屑空间大,线锯切割铝合金时只有很少的局部区域发生堵塞现象,对切割过程影响甚微。
线锯堵塞的部分属于嵌入型堵塞,是磨屑机械性地填充在磨粒之间的空隙中的堵塞现象。这是因为线锯在切割过程中,法向锯切力Fn大于切向锯切力Ft[4],并且铝合金延展性较好,切屑在法向力的作用下,被机械地挤进磨粒之间的空隙里,如图4(c)所示。
金刚石线锯在锯切铝合金材料时,要经受工件和切屑的摩擦和冲击,金刚石磨粒被钎焊在钢丝基体上,钎焊层也会逐渐磨损。图4(d)是钎焊金刚石线锯切割铝合金后的表面磨损情况。由于在切割过程中无法实现绕自身轴线的旋转,参与切割的始终为锯丝的一侧。由于钎焊层和基体要为金刚石磨粒提供支承和保护,钎焊层的磨损会降低对磨粒的把持力,同时还会降低锯丝本身的强度,导致锯丝断裂。
2.2 切割轨迹
图5是切割铝合金厚板的轨迹图,可以看出钎焊金刚石线锯不但可以直线切割,还可以实现曲线切割。
2.3 切屑
由于锯丝的运动速度和磨削速度相比很小,因此加工过程中不会产生像磨削中那样的高温,切屑一般不会形成熔球状、蝌蚪状切屑。另外铝合金属于延展性大的材料、硬度低,很容易形成带状切屑。
图6是锯切铝合金过程中产生的典型切屑形状。图6(a)为带状切屑,这是切割中最常见的切屑,有一定的弯曲而且切屑比较宽。图6(b)是细条状切屑,特点是切屑细且长,长宽比达到30∶1以上,也是切割铝合金中较多见的切屑。图6(c)是卷曲状切屑,特点是前部切屑较宽且卷曲,后部比前部较细。
3 结论与展望
1) 用高频感应钎焊方法制作的金刚石线锯,金刚石焊接牢固,裸露高度高、容屑空间大,是一种新式的线锯制作方法,应用前景广泛。
2) 用钎焊金刚石线锯切割铝合金厚板不仅能切割直线轨迹,还能切割曲线轨迹。
3) 下一步主要是改善焊接后的线锯品质,进一步提高线锯的耐用度;制作更长的钎焊金刚石锯丝(或制成环形),提高切割速度,进行成形切割等。
参考文献
[1]江志邦,宋殿臣,关云华.世界先进的航空用铝合金厚板生产技术[J].轻合金加工技术,2005,33(4):1-8.
[2]骞西昌,杨守杰,张坤,等.铝合金在运输机上的应用与发展[J].轻合金加工技术,2005,33(10):1-7.
[3]肖冰,徐鸿钧,武志斌,等.Ni-Cr合金真空单层钎焊金刚石砂轮[J].焊接学报,2001,22(02):23-24.
金刚石切割片 篇6
目前对于大型的金属构件的切割, 主要是采用火焰切割的方式, 该方式利用气体火焰 (称预热火焰) 将钢材表层加热到燃点, 并形成活化状态, 然后送进高纯度、高流速的切割氧, 使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣的同时放出大量的热, 借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘使之也达到燃点, 直至工件的底部。与此同时, 切割氧流的动量把熔渣吹除, 从而形成切口将钢材割开。该方式存在以下问题:a、割缝厚, 工件损耗较大;b、切割面不平整及留有大量残渣, 后续加工处理较困难;c、工作环境温度高, 劳动强度大, 尤其是对质量要求高的工件, 需要在预热状态下进行切割 (常温下切割容易产生裂纹) ;d、切割面积具有局限性, 采用火焰法切割半径一般不超过1m;e、不能切割高铬钢、铬镍不锈钢、铝及铝合金等材料 (切割这些材料时产生高熔点的氧化物将以固态覆盖于切口, 阻碍后面材料的氧化, 使切割过程难以进行) 。
金刚石绳锯切割是一种柔性的加工方式, 它的切割方式不受加工件的厚度影响, 可以轻松、随意调整切割方向;采用金刚石绳锯进行大型金属体的切割, 其切割缝只有11~12mm, 大大降低了金属材料的损耗, 其切割面平整、光滑, 后续加工量也大大降低;金刚石绳锯切割也是一种操作十分简单、有利于采用自动化加工的新型加工方式。
金刚石绳锯从面世至今, 已有40多年的发展历史, 从最初的电镀技术, 发展到以烧结技术为主流的制造技术;从只能切割软质石材到广泛应用于花岗岩矿山的荒料开采及广泛应用的钢筋混凝土切割。在制造技术推陈出新的同时, 应用范围也越来越广, 目前国内外金刚石绳锯在大型金属构件上的切割应用尚没有报道, 但金刚石绳锯在胎体设计、金刚石性能、制备、切割操作、切割设备上都已经有较为成熟的基础, 因此根据大型金属体的特点, 利用已有的资源、经验, 金刚石绳锯在大型金属体上的切割应用是具有可行性的。
2 实验部分
2.1 切割对象及切割工具
本次实验切割对象是直径0.7m的合金冒口 (35CrMo) , 该冒口内部组织均匀没有气孔或其他杂质, 但冒口表面覆盖一层约2mm厚的氧化硬皮。
实验用的切割工具是烧结方式的直径11.2mm孕镶金刚石绳锯, 绳锯每米装40 粒串珠, 绳锯总长15m。
2.2 试验设备
我们开发了用于大型钢件切割的试验设备, 该系统由驱动单元 (绳锯机) 、控制系统、导向轮、切割工具、绳锯自动开刃机、绳锯扭转机及工件固定平台组成。绳锯机是市场可售设备, 绳锯自动开刃机、绳锯扭转机及工件固定平台根据试验条件需要自行设计。切割大型合金冒口的工艺设备组成如图1所示。
烧结串珠切割钢件时金刚石的容屑空间很快就充满钢屑, 由于钢屑的覆盖会造成金刚石串珠的结合剂不能磨耗, 导致金刚石不能裸露出来, 绳锯就失去了切割作用。为了能及时把覆盖在金刚石上的钢屑去除, 我们在切割时候增加自动开刃装置, 在切割的同时用开刃材料把串珠上面的钢屑去除。开刃机可以把开刃材料纵向提升和横向移动, 通过自动控制系统可以让开刃材料一直压着金刚石绳锯, 当绳锯在开刃材料上面滑动时可以把粘在串珠上的铁屑去除。
金刚石绳锯切割钢件时由于串珠胎体磨损较快和单粒串珠受力大的原因, 经常发生串珠部分磨损至基体而其他部分还有很厚工作层的严重偏磨现象, 即使是在绳锯对接时增加了绳锯扭转圈数后还是避免不了偏磨发生。为了避免绳锯严重偏磨发生, 我们在绳锯切入处设计安装了绳锯强制扭转机, 通过旋转支架的三个小导轮来夹紧绳锯, 支架旋转时带动三个小导轮绕绳锯轴线旋转, 同时绳锯跟着旋转, 从而提高绳锯轴线旋转的能力。
2.3 试验流程
金刚石绳锯是在水平面上包裹工件切割的, 在切割过程中每粒串珠均处于相同的负荷环中, 每一粒不连续串珠的切割受力条件可以认为一致。随着切割过程的进行, 切割轮廓不断变化, 切割条件也跟着变化。切割大型合金冒口过程状态如图2所示。
切割步骤如下:
(1) 按照切割高度调整所有导轮在同一水平面上;
(2) 按照绳锯切割方向把绳锯穿过扭转机, 按逆时针方向预扭绳锯 (扭2圈/米) ;用专业接头把绳锯两端接起, 组成闭环;
(3) 把绳锯套在所有的导轮上, 移动绳锯机张紧绳锯, 检查套在冒口上的绳锯位置是否合适;
(4) 调整开刃机, 选择“纵向开刃”模式, 按计划设定开刃机速度;
(5) 开启冷却水泵, 调整冷却水管位置, 保证切割位置充分冷却;
(6) 绳锯机切换到手动模式, 按照绳锯切割方向启动主电机, 10秒后停机, 检查冒口上绳锯是否切在设定高度上;
(7) 重新启动主电机, 转速与电流同步提高到一定数值, 同时启动开刃机、扭转机构, 切割电流和转速达到要求后绳锯机切换到自动控制方式, 让切割电流和转速保持不变;
(8) 记录串珠外径大小变化 (是否有锥度, 偏磨) , 金刚石出刃等情况;
(9) 切割后期切割转速和电流调整至前期的60%, 直至切断整个冒口。
3 结果和讨论
3.1切割效率与工作压力有很大关系
对于切割过程, 最根本的是串珠要有足够的工作压力, 串珠压力大材料去除率就高。工作压力是通过绳锯机切割电流控制的, 通过实验知道37kW绳锯机切割电流控制在50A~60A比较合适, 更高的切割电流绳锯机就会报警自动停机。电流过小金刚石串珠受力小只有金刚石刃尖参与切割, 会导致金刚石刃尖磨平后不能继续切割。电流大金刚石破碎及脱落加快, 有利于新的切屑刃参与切割, 切割效率提高。
3.2自动开刃速度对切割效率的影响
烧结串珠由于正常生产时金刚石开刃露出高度不是很高, 切割钢件时金刚石的容屑空间很快就会充满钢屑, 由于钢屑的覆盖而造成金刚石串珠的结合剂不能磨耗, 导致金刚石不能裸露出来, 绳锯就失去切割作用。钢件切割时使用自动开刃装置, 在切割的同时用开刃材料把串珠上面的钢屑去除, 可以有效地提高切割效率。开刃速度大小影响铁屑去除率和胎体磨损率, 对切割效率有很大影响。
3.3 绳锯扭转机转速的选择
绳锯内的钢丝绳在张紧状态有绕轴线自转的能力, 使得绳锯切割时候会沿前进方向看的顺时针方向转动, 绳锯自转的速度与绳锯切割速度和绳锯预扭程度有关。切割钢件状态下绳锯上正在切割的串珠受到的压力较大, 阻住了绳锯自身的转动。绳锯扭转机可以对绳锯提供额外的扭转力, 帮助绳锯轴线转动。扭转机的转速必须与正常状态下绳锯自转速度相符, 转速过低对绳锯提供的扭转力有限。因此扭转机转速与绳锯切割速度需要满足一定关系, 通过反复测试使用, 我们掌握了扭转机转速与绳锯线速度对应关系。
3.4 绳锯金刚石浓度和粒度很关键
浓度选择原则是:高浓度适合于小接触面积, 低浓度适合于大接触面积。同样切割条件下低浓度金刚石受力大, 金刚石容易脱落, 绳锯寿命低。但也并不是金刚石浓度越高越好。浓度必须与切割对象, 设备参数相匹配才能达到理想切割效果。
金刚石粒度选择要偏向粗粒度的, 细粒度金刚石露出高度很低, 胎体表面容屑空间很小, 切割金属时铁屑很快就会把容屑空间堵满。通过实验发现35目以粗的金刚石更适合用于切割钢件。
4 结论
用绳锯切割大型钢质构件是可行的。考察金刚石绳锯切割金属材料能力的主要因素是绳锯磨损、加工时的作用力、工具设计 (包括金刚石浓度和粒度配比) 等。下一步研究的主要方向是提高金刚石绳锯的切割效率和使用寿命, 让金刚石绳锯能切割更大型的钢质构件。
参考文献
[1]徐润泽.粉末冶金结构材料学[M].长沙:中南工业出版社, 1998:231.
[2]葛世荣, 朱华.摩檫学的分形[M].北京:机械工业出版社, 2005:163.
[3]叶世学.铁铜基湿式烧结摩擦材料[J].粉末冶金技术, 1995:282-284.
[4]黄培云.粉末冶金原理 (第二版) [M].北京:冶金工业出版社, 1997:279.
金刚石切割片 篇7
目前使用的金刚石超薄切割砂轮按使用结合剂的不同可大致分为树脂、电镀及金属烧结三大类。常规电镀金刚石超薄切割砂轮能获得较薄的厚度, 但切割寿命短;常规树脂结合剂超薄切割砂轮由于其硬度较低等原因, 在切割时容易出现偏摆和大槽宽等现象[2];烧结型金属结合剂金刚石超薄切割砂轮 (下文简称金刚石超薄切割砂轮) 具有结合强度高、耐磨、形状保持性好、寿命长等优点, 是硅晶圆划片加工的重要工具[3]。由于热压烧结工艺的限制, 烧结出的金刚石超薄切割砂轮毛坯的厚度并不能满足划片工艺的要求。为了避免在使用中被划切材料出现大切宽、崩边、裂片等现象以及砂轮本身在极高的转速条件下发生碎裂而产生的危险, [4]就必须对烧结毛坯进行减薄修整。
目前, 国内外对普通的金刚石烧结砂轮有多种修整方式, 但对金刚石超薄切割砂轮减薄加工的研究报道很少。由于金刚石超薄切割砂轮具有厚度薄、平面度要求高等特殊要求, 传统的砂轮修整方法难以适应。有研究者进行了金刚石超薄切割砂轮减薄研磨工艺的研究[5], 利用平面研磨虽然能对金刚石超薄切割砂轮进行减薄修整, 但是存在效率低、加工过程控制难度大、不易实现自动化等缺点。因此本课题提出采用电火花加工方法代替传统平面研磨加工, 以期在保证减薄精度的基础上提高减薄效率, 降低生产成本。
本课题通过正交试验与方差分析, 研究不同峰值电流 (ie) 、脉冲宽度 (ti) 、脉冲间隔 (to) 对减薄后金刚石超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率的影响, 以探求最佳减薄工艺。
1 试验条件与方案
1.1 试验工件与试验原理
试验所用金刚石超薄切割砂轮由W40的金刚石微粉和300目的铜锡合金等粉末均匀混合烧结而成。试样尺寸规格为:外径58mm, 内径40mm, 厚度0.4mm (±0.05mm) , 相对翘曲度0.15mm (±0.01mm) , 如图1所示。
试验在DM7140型汉川精密电火花成型机上进行, 利用无机导电胶将试样工件固定在不锈钢工具盘上, 将工具盘放置在装有工作液的机床工作台上, 打开脉冲电源, 在工具电极和试样工件之间建立起放电通道, 依靠放电通道内部瞬时产生的大量热量在电极两端达到极高的温度, 该温度足够使砂轮结合剂材料局部熔化、汽化而被蚀除掉, [6]以便金刚石自然脱落, 使试验试样变薄, 试验加工示意如图2、图3所示。试验中电极材料为紫铜, 采用负极性加工 (工件接电源负极) , 工作液选用煤油, 采用浸油方式, 设定主轴定时抬刀, 改善排屑条件。
1.2 试验评价指标及检测方法
厚度尺寸均匀性和相对翘曲度对超薄切割砂轮的安装精度、切割过程中的切缝宽度、崩边大小等都有很大的影响, 因此将这两个几何参数作为金刚石超薄切割砂轮电火花减薄精度的评价指标。厚度尺寸均匀性采用Mitutoyo高精度数显千分尺检测, 仪器测量精度1μm, 沿超薄切割砂轮周向连续随机测量30次, 取最大值与最小值的差值表示厚度尺寸均匀性;相对翘曲度检测则采用基恩士激光位移传感器 (LK-G150) , 将金刚石超薄切割砂轮置于光滑的大理石平面上处于自由状态, 采用无接触式并沿其圆周方向连续随机进行测量30次, 最高点和最低点的差值即为相对翘曲度。
电火花加工表面不同于普通金属切削表面, 其表面是由无数个不规则的放电凹坑组成的。如果凹坑过深会影响金刚石超薄切割砂轮基体的力学性能, 降低砂轮强度, 因此, 将间接反应放电凹坑深浅的表面粗糙度Ra作为金刚石超薄切割砂轮电火花减薄后表面质量的评价指标之一。采用Mahr XR20表面粗糙度仪进行测量, 取样长度为1.75mm, 测量速度0.25mm/s, 沿其周向连续随机测量20点取其平均值。
同时我们把电火花减薄效率作为试验评价指标。减薄效率用单位时间内被加工掉的材料体积来表征, 单位为mm3/min。试验通过测量单位时间内超薄切割砂轮厚度的减少量, 再乘以砂轮端面面积得到减薄效率。
1.3 试验方案
本试验有三个因素, 每个因素有三个水平, 按正交试验设计试验点, 选用L9 (34) 正交表中的三列安排正交试验, 如表1所示。试验中金刚石砂轮厚度由0.4mm减薄至0.2mm。
2 结果与讨论
2.1 正交试验结果与方差分析
表2为不同峰值电流、脉冲宽度及脉冲间隔对电火花减薄后的金刚石超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率影响的正交试验结果。
对正交试验结果进行处理, 分别得到金属结合剂超薄切割砂轮的厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率的方差分析结果, 如表3、表4、表5和表6所示, 其中F为各因素的偏差平方和与误差的偏差平方和的比值, 它服从自由度为 (2, 2) 的F分布。
从以上方差分析表中的分析可知, 对厚度尺寸均匀性而言, 峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隔的影响均不大。对相对翘曲度而言, 峰值电流的影响显著, 脉冲宽度和脉冲间隔的影响不大。对表面粗糙度而言, 峰值电流的影响显著, 脉冲宽度的影响较大, 脉冲间隔的影响不大。对整形效率而言, 峰值电流的影响显著, 脉冲间隔的影响较大, 脉冲宽度的影响不大。
2.2 各因素的影响分析
分别把正交试验同一水平峰值电流、同一水平脉冲宽度、同一水平脉冲间隔下得到的试验结果加以平均, 即得到峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔与厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率之间的对应关系, 如图4、图7、图8所示。
2.2.1 峰值电流的影响
由图4 (a) 可知, 随着峰值电流的增大, 厚度尺寸均匀性值小幅增大, 相对翘曲度明显变大。这是因为峰值电流越大, 工具电极与工件之间的放电间隙越大, 可能产生的间隙变化量也越大, [7,8]这会在一定程度上影响仿形加工精度, 引起超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性的降低。在电火花整形过程中, 火花放电最先在超薄切割砂轮较厚处产生, 由于砂轮毛坯本身厚薄不均匀, 各部分受火花放电的作用效果不同, 则导致的冷热程度和热胀冷缩程度也不一样, 这会在砂轮厚处与薄处的过渡区域内形成相互作用的内应力。内应力在整个砂轮内部是相互平衡的, 当超薄切割砂轮从工具盘拆开后, 内应力就要寻求新的平衡, 由于超薄切割砂轮的刚度很低, 因此当应力释放时会发生变形, 如图5所示。峰值电流增大, 脉冲能量增大, 电火花整形过程中产生的热量也增大, 超薄切割砂轮由于自身厚度不一产生的内应力也增大, 因此, 加工完成拆胶后产生的翘曲变形也会增大。
图4 (b) 中, 当峰值电流从1.15A增加到4.15A时, 加工效率增加了8倍, 由4.15A增加到7.15A时却仅增加了1倍。这是因为, 当峰值电流仅为1.15A时, 放电间隙过小, 不易排屑, 致使放电短路的概率大大增加, 有效脉冲放电所占比例大大降低, 从而大大降低了加工效率。当峰值电流增加到4.15A时, 一方面, 放电间隙随之增大, 排屑状况得到很大改善, 有效放电概率大大增加;另一方面, 峰值电流增大, 单个脉冲能量增大, 单次脉冲放电的蚀除量也增大, 从而加工效率得到很大的提高。当峰值电流继续增大到7.15A时, 放电间隙的增大对加工效率的影响大大降低, 因此加工效率增加的速率变缓。随着峰值电流的增大, 单个脉冲能力增大, 单个脉冲放电留下的蚀坑会增大, 如图6所示, 因此, 表面粗糙度会变差。
2.2.2 脉冲宽度的影响
由图7 (a) 可知, 随着脉冲宽度的增加, 厚度尺寸均匀性得到小幅提高, 相对翘曲度变大。因为, 随着脉冲宽度的增加, 工具电极对工作液中热分解产生的碳黑“吸附效应”增强, [7,8]工具的相对损耗减少, 由电极损耗产生的超薄切割砂轮厚度尺寸误差就会减小。但是当脉冲宽度增大时, 脉冲能量增大, 从2.2.1节中关于峰值电流对相对翘曲度的影响分析可知, 超薄切割砂轮内部产生的内应力也增大, 故超薄切割砂轮的翘曲变形增大。
图7 (b) 中, 随着脉冲宽度的增大, 表面粗糙度变差, 加工效率提高。主要是因为随着脉冲宽度的增加, 一方面, 单个脉冲能量增大, 单个脉冲蚀除的材料体积增大, 留下的蚀坑变大, 因此, 表面粗糙度值变大;另一方面, 单次脉冲放电时间增加, 单位时间内脉冲放电时间所占比例增大, 单位时间内的总蚀除量也就增大, 从而加工效率得到提高。
2.2.3 脉冲间隔的影响
由图8 (a) 可知, 随着脉冲间隔的增大, 厚度尺寸均匀性变差, 相对翘曲度先减小后趋于稳定。这是由于脉冲间隔增大, 工具电极对介质中热分解产生的碳黑“吸附效应”减少, [7,8]使得工具电极损耗增大, 导致厚度尺寸均匀性降低。随着脉冲间隔的增大, 放电频率减小, 单位时间内产生的热量减少, 超薄切割砂轮表面温度降低, 因此超薄切割砂轮所受的热应力降低, 从而相对翘曲度降低。
图8 (b) 中, 随着脉冲间隔的增加, 粗糙度值缓慢减小, 加工效率明显降低。这是因为, 当脉冲间隔增大, 放电通道消电离充分, 可避免电弧等有害放电的产生, 有利于得到较好的加工表面质量。但是, 随着脉冲间隔的增加, 放电频率降低, 实际参与放电时间减少, 从而加工效率降低。
2.2.4 各因素对超薄切割砂轮减薄效果影响的总体评价
由图4可知, 当ie从1.15A增加到4.15A时, 厚度均匀性增幅13.8%, 相对翘曲度增幅279%, 粗糙度增幅43.7%, 加工效率增幅826.2%;ie由4.15A增加到7.15A时, 厚度均匀性增幅6.1%, 相对翘曲度增幅27.3%, 粗糙度增幅26.8%, 加工效率增幅104.4%。综合考虑, ie选取4.15A。
由图7分析可知, 当ti由20μs升高到60μs时, 厚度均匀性降幅为1.4%, 相对翘曲度增幅2.4%, 粗糙度增加18.5%, 加工效率增加44.4%;ti由60μs增加到100μs时, 厚度均匀性降幅13.2%, 相对翘曲度升幅13.8%, 粗糙度增加21.3%, 加工效率提高25.1%。综合考虑, ti取60μs时可获得较好的整形质量和效率。
由图8可知, 当to从10μs增加到20μs时, 厚度均匀性增幅5%, 相对翘曲度降幅20.2%, 粗糙度降幅3.6%, 加工效率降幅14.2%;to从20μs增加到40μs时, 厚度均匀性增幅15.9%, 相对翘曲度降幅1.2%, 粗糙度降幅6.3%, 加工效率降幅47.7%。综合考虑, 脉冲间隔选取20μs时, 可以得到较好的整形质量和效率。
3 结论
1) 随着峰值电流的增大, 厚度尺寸均匀性有变差的趋势, 相对翘曲度、表面粗糙度以及加工效率都显著增大。
2) 随着脉冲宽度的增加, 厚度尺寸均匀性有变好的趋势, 相对翘曲度缓慢增大, 表面粗糙度和加工效率也增大。
3) 随着脉冲间隔的增大, 厚度尺寸均匀性变差, 相对翘曲度和表面粗糙度得到改善, 但加工效率明显降低。
4) 综合分析各因素的影响规律, 当ie=4.15A、ti=60μs, to=20μs时, 可以获得较好的减薄效果。
参考文献
[1]唐营, 何伟春.超薄金刚石切割片的研究及应用现状[J].超硬材料工程, 2010 (9) :36-37.
[2]STEPHANS, MATTHIASE, et al.Investigatio-ns of the influence of dicing techniques on th-e strength properties of thin silicon[J].Micr-oelectr-onics Reliability, 2007 (47) :168-178.
[3]侯长红.电子信息行业用超硬材料切割工具综述[J].金刚石与磨料磨具工程, 2010, 2 (1) :60-62.
[4]甄万财.砂轮划片机划切技术的研究[J].电子工业专用设备, 2004 (9) :68-71.
[5]刘海峰, 何亮, 郭桦.金刚石超薄切割砂轮减薄研磨工艺的研究[J].金刚石与磨料磨具工程, 2013 (2) :14-18.
[6]刘志东, 高长水.电火花加工工艺及应用[M].北京:国防工业出版社, 2011.
[7]赵万生.先进电火花加工技术[M].北京:国防工业出版社, 2003.