硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究.doc
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２００７年６月
金刚石与磨料磨具工程
Ｄａｎ＆Ａｂａｉｅ ｇｎｅｎ ｉｍｏｄｒｓｖｓＥｎｉｅｒｇｉ
Ｊｎ．０７ｕｅ２０
Ｓｉａ．５ Ｎｏ３ｅｒ１１９．
第１９期５
第３期
文章编号：
０６—５Ｘ（０７００５０ １０８２２０）３—０６—４
硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究
盂剑峰韩云鹏葛培琪
（山东大学济南２０６）５０１
摘要本文利用环形电镀金刚石线锯对硬脆材料单晶硅、Ｔ５陶瓷进行了切割试验，究了锯切力、料加工表面质 Ｌ５研材
量及锯丝的磨损。
研究发现，相同加工参数下，在切割Ｌ５Ｔ５陶瓷时的法向力与切向力之比小于单晶硅，与磨削相比，线 锯加工的法向力与切向力之比非常小；在本实验条件下，单晶硅和Ｌ５Ｔ５陶瓷均为脆性去除方式；因为Ｌ５Ｔ５陶瓷断裂韧 性高，同样加工条件下，在陶瓷加工表面质量优于单晶硅；恒进给压力条件下，锯丝速度增加，粗糙度值略微减小，恒进给
压力增加，粗糙度值明显增大；丝首先在焊口处断裂，锯由于锯丝不能自转，沿锯丝圆周方向磨损不均匀。
关键词硬脆材料；环形电镀金刚石线锯；加工试验
Ｔ１４Ｑ６ 文献标识码Ａ 中图分类号
Ｃｕｔｉｇｈａｄ－ｉｔｅｍａｅｉｌ ｔ ｎｌｓ ｔｎ ｒｂｒｔｌ ｔｒａｓｗｉｈｅｄｅｓｅｅｔｏｌｔｄｄｉｍｏｄｗｉｅｓｗ ｌｃｒｐａｅ ａｎ ｒ ａ
ＭｅｇＪａｆｎ Ｈａ ｎｅｇＧｅＰｅｑｎ ｉｎｅｇｎＹｕｐｎ ｉｉ
（ｈｎｄｎ ｎｅｉ，ｉｎ２０６，ｈｎ）ＳａｇｏｇＵｉｒｔＪａ ５０１Ｃｉａ ｖｓｙｎ
ＡｂｔａｔＴｅｃｔｎ ｘｅｍｅｔｆｉｃｎａｄＬ５ ｅａｃｕｉｇｅｄｅｓｅｅｔｐａｅ ｉｏｄｗｒ ａ ｓｃｎｕｔｄｈ ｓｒｃ ｈ ｕｔｇｅｐｒｎ ｌｏ ｎ Ｔ５ｃｒｍｉ ｓ ｎｌｓ ｌｃｒｌｔｄｄａｎ ｉｅｓｗｗａ ｏｄｃｅ．Ｔｅｉｉｏｓｉｎｏｍ
ｃｔｎ ｏｃ，ｃｔｎ ｕｆｃｓｑａｉ ｎ ｅｒｏ ｒ ａｗｒ ｔｄｅ．Ｔｅｎｒｌｏｔｎｅｔｌｏｃ ａｉ ｅ ｕｔｇＬ５ ｕｔｇｆｒｅｕｔｇｓｒａｅ ｕｌｙａｄｗａ ｆｅｓｗ ｅｓｉｄｉｉｔｉｗｅｕｈ ｏｍａ－－ａｇｎｉ ｒｅｒｔｗｈｎｃｔｎ Ｔ５ｔａｆｏｉ
ｃｒｍｉ ｓｌｓ ｈ ｈｔｗｅ ｕｔｇｓｉｏ．Ｔｅｎｒａ－－ａｇｎｉｌｏｃ ａｉ ｎｗｉ ａ ｕｔｇｉｌｓ ａ ｒｎｉｇｅａｃｉｅｓｔａｔａ ｈｎｃｔｎ ｉｃｎｈ ｏ ｎｉｌｍｌｔｔｎｅｔ ｒｅｒｔｉ ｒｓｗｃｔｎ ｓｅｓｔｎｉｇｉｄｎ．Ｏ ｏａｆｏｅｉ ｈｎｎ
ｔｅｃｎｉｏ ｆｘｅｍｅｔｉｃｎａｄＬ５ ｅａｃｗｅｅｒｍｏｅ ｎａｂｔｅｒｇｍｅｈ ｏｄｔｎｏ ｐｒｎ，ｓｌｏ Ｔ５ｃｒｍｉｉｅｉｉｎ ｒ ｅｖｄｉ ｒｔ ｅｉ．Ｂｃｕｅｔｅｆａｔｒ ｕｈｅｓｏ ｅａｃｉｌｅａｓ ｒｃｕｅｔｇｎｓ ｆｒｍｉ ｈｏｃｉ ｉｈｒｔａ ｉｃｎ，ｔｅｃｔｎ ｕａｅｉｂｔｒｔａ ｉｃｎＦｒｃｎｔｔｆｒｅｆｅｓｈｇｅ ｈｎｓｌｏｉｈ ｕｔｇｓｒｃ ｓｅｔ ｈｎｓｌｏ．ｏ ｏｓａ ｏｃ ｅｄ，ｔｅｓｒｃ ｏｇｎｓ ａｄｃｅｅ ｉｆ ｅｉｎｈ ｕａｅｒｕｈｅｓＲ ｅｒａｓｆｓ
ｓｇｔ ｉ ｅｉｃａｅｏ ｒｓｅｄｎ ｈ ｕａｅｒｕｎｓＲｉｃａｅ ｔ ｅｉｒａｅｏ ｏｓｎ ｅ ｏｃ．Ｔｅｌｈｌｗｔｔ ｒｓ ｆｅｐｅ．Ａｄｔｅｓｒｃ ｏｇｅｓ ｎｒｓｓｗｈｔ ｎｅｓ ｆｎｔｔｆｄｆｅｈ ｉｙｈｈｎｅｉｗ ｆｈ ｅｉｈｃｃａｅｒ
ｂｅｋｇ ｆｒ ａｔｏ ｌｃ ｔｔｅｗｌ ｏｎ．Ｆｒｔｅｗｒ ａ ａ ｏ ｅｆｒｔｔｔｅｗｅｌｏ ｓｎｔｅｅ ｒａａｅｏ ｅｓｗ ｏｋｐａｅａ ｈ ｅｄｐｉｔｏ ｈ ｉｅｓｗＣｎｔｓｌ ａｅ，ｈ ａｆｔｗａ ｏ ｖｎ．ｉｗｎｏ＂ｉＫｅｗｏｄ ｈｒ?
ｒｔ ｔｒａｓｅｄｅｓｅｅｔｏｌｔｄｄａｎ ｉｅｓｗ ｕｔｎ ｘｅｍｅｔｙｒｓａｄ?
ｉｌｍａｅｌｎｌｓ ｌｃｒｐａｅ ｉｍｏｄｗｒ ａｃｔｇｅｐｒｎ ｂｔｅｉ ｉｉ
随着科学技术的不断发展，晶硅、程陶瓷等硬 单工脆材料在半导体工业、械工业、化工业等领域的应 机石用越来越广泛。
切片是材料加工的一道重要工序，其
采用电主轴和变频调速器，现了主轴的无级调速，实即
锯丝速度的无级调速；了使进给速度能够自动适应 为
锯丝的切割能力，利于保护锯丝，件进给采用恒压 有工
加工质量的好坏直接影响后续工序的加工及最终加工 质量。
环形电镀金刚石线锯切片这一新的加工技术具
有切缝窄、切效率高、片质量好、环境污染小等 锯切对优点。
因此，对这一加工技术进行深人系统的试验研
力进给方式；冷却。
环形电镀金刚石锯丝长度为 水２２ ｍ，．５ｍ直径０５ｍ金刚石磨粒平均尺寸为０６ ． ｍ，．４
ｍ。
－
试验以锯丝速度、进给压力、恒材料作为可变的因
究，揭示加工工艺参数与锯切力、加工质量、锯丝磨损
问的关系具有重要意义。
素，考察材料的锯切力、加工质量、锯丝磨损等。
被加工硬脆材料为单晶硅、东大学自制的Ｌ５ 山Ｔ５陶瓷，其性能如表１所示。
ｌ试验设置
环形电镀金刚石线锯加工机床为自己设计：
过 通
山东省自然科学基金资助项目（２０Ｆ６ Ｙ０６Ｉ）
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第３期
孟剑峰等：
硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究
５ ７
表１Ｌ５ Ｔ５陶瓷与单晶硅的材料性能
的，法向力时无退让作用。
另外，刚石线锯加工与 受金磨削加工不同之处还在于金刚石锯丝在切割过程中锯 丝整个加工面受到工件的夹持作用，要较大的切向 需力来克服切屑和加工表面对锯丝的摩擦。
所以线锯加 工时力比Ｆ／小于磨削时的力比Ｆ／， Ｆ。
２２￣－表面微观形貌分析 ．ｊｒｎ
图３图４分别为单晶硅和Ｌ５、Ｔ５陶瓷在锯丝速度
２试验结果及讨论
２１加工工艺参数对锯切力之比的影响 ．
为１ ／，０ｍｓ恒进给压力为４Ｎ时的加工表面微观形貌
图。
图１图２为法向锯切力Ｆ与切向锯切力Ｆ之比 、 （ Ｆ）Ｆ／ 的变化曲线。
可以看出，Ｔ５陶瓷的比值在 Ｌ５０９．５—１０．３之间，晶硅的范围为１４单．６—１６。
Ｌ５ ．８Ｔ５陶瓷比值小于单晶硅，因为对于单晶硅，此加工条 是在
件下，给速度在０１３ｍｍｓ０７１ｍ／之问，进．４ ／至．４ ｍｓ而 切割Ｌ５Ｔ５陶瓷时，给速度在００２ｍ／进．１ ｍｓ至０００．６
ｍ／范围内，ｍｓ加工Ｌ５Ｔ５陶瓷时进给速度与锯丝速度 相比非常小，小于加工单晶硅的进给速度与锯丝速度
之比，而进给速度与锯丝速度之比越小，比Ｆ 力／Ｆ越
小。
图３单晶硅线锯加工ＳＭ图 Ｅ
霍
晕
蝼
（丝速度Ｖ：
１ ／，锯ｓ０ｍｓ恒进给压力Ｆ＝ ４Ｎ）
锯丝速度Ｖｍｓ，／ （）
图１锯丝速度对力比的影响（恒进给压力Ｆ＝Ｎ） ４
霍
量
霍
趟
图４Ｌ５ Ｔ５陶瓷线锯加工ＳＭ图 Ｅ
（丝速度Ｖ＝１ ｓ恒进给压力Ｆ＝Ｎ）锯ｓ０ｍ／， ４
恒进给应力Ｆ（ Ｎ）
图２恒进给压力对力比的影响（丝速度 ＝１ ｓ锯０）
从图中可以看出，晶硅和Ｌ５单Ｔ５陶瓷加工表面都
存在断续划痕和凹坑，面产生破碎，在微裂纹，表存材
由文献［５知，３～］使用ＣＮ砂轮磨削氧化锆陶瓷 Ｂ时力比Ｆ ３—１，削氮化硅陶瓷时力比Ｆ／ ／Ｆ为５磨 Ｆ为４９使用金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷时力比Ｆ—，／ Ｆ为５—５５与之相比，刚石线锯切割时力比Ｆ／ ．，金 Ｆ很小。
这是因为锯丝与砂轮比较很软，在法向力的作 用下锯丝会弯曲，即锯丝有一定的退让，而砂轮是刚性
料为脆性去除方式。
产生断续划痕的原因有两方面：
一
是锯丝上凸出高的磨粒随锯丝运动时产生的划痕，
或脱落的磨粒粘附在锯丝上，随着锯丝的运动产生的 划痕；二是锯丝不可避免的振动，丝的振动会促使金 锯刚石磨粒任意地在材料表面产生划痕。
凹坑的产生是
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金刚石与磨料磨具工程
总第１９期 ５
由于金刚石磨粒在切割过程中脱落后，被挤压嵌入加 工表面所造成 凹坑比划痕的深度大，材料表面质 对
量的损害更严重。
表面粗糙度研究，现：
本试验的加工参数下，发在环形 电镀金刚石线锯切割Ｌ５Ｔ５陶瓷材料得到的表面粗糙 度比磨削抛光加工大，于金刚石锯片加工和电火花 优加工，采用某些尺寸磨料的超声波加工相当。
与
２４锯丝的断裂与磨损 ．
由图３及图４还可看出，陶瓷表面质量优于单晶 硅。
这是因为陶瓷断裂韧性高，４Ｎ恒进给压力的 在 情况下，瓷进给速度仅为００ ／，远小于单晶 陶．２ｍｍｓ远
图７所示为锯丝断面的ＳＭ照片，图可见，Ｅ由锯
硅的０２８ｍ／，．３ ｍｓ小的进给速度使得单个磨粒的最大
压入深度减小。
２３加工工艺参数对加工表面粗糙度的影响 ．
丝断面中央存在气孔缺陷。
气孔是锯丝在焊接过程 中，溶解在焊接熔池金属中的气体在焊缝冷却时快速
析出，焊接接头处形成的。
图７说明，丝的拉断首 在锯
图５图６为加工工艺参数对加工表面粗糙度的 、
影响。
由图可见，恒进给压力为４Ｎ的前提下，在 当锯
丝速度由６ｍｓ加至１ ｓ时，于Ｌ５ ／增６ｍ／对Ｔ５陶瓷材
先发生在焊口处，即焊口处强度低于锯丝基体强度。
料，粗糙度值Ｒ 由０２１Ｉ．４ ｍ减小至０１２Ｉ对于 ｘ．７ ｍ；ｘ单晶硅，粗糙度值Ｒ由０７２ｍ减小至０６６Ｉ ．３ ．５ ｍ，ｘ
即锯丝速度增加，粗糙度数值减小，但因为是恒压力进 给，化较小，当锯丝速度大于１ ／时，变且４ｍｓ由于锯丝
振动，粗糙度数值反而增加。
当恒进给压力从４Ｎ增
加至７Ｎ时， 对于Ｌ５Ｔ５陶瓷材料，粗糙度值Ｒ 由０． １５９ ｍ增大至０４８Ｉ对于单晶硅，．７ ｍ；ｘ粗糙度值Ｒ
由０６９．８ 增大至１０１ｍ。
即恒进给压力增大，．９
ａ锯丝断口）
粗糙度数值增加。
同时可以看出，同样加工条件下，在
Ｌ５Ｔ５陶瓷的加工表面粗糙度数值小于单晶硅。
ｇ
憾
爨 爨
图５
ｂ气孔 ）
图７锯丝断口ＳＭ图 Ｅ
图８是切割厚度为５ｍ长度为３ ｍ的Ｌ５ ｍ，０ｍＴ５陶瓷材料后锯丝镀层的磨损情况。
由图可见，由于锯 丝在切割过程中无法实现绕自身轴线的旋转，与切 参割的始终为锯丝的一侧（图示中央部分）而另一侧则 ，与主动轮产生摩擦力带动锯丝运动。
所以在锯丝的圆 周方向，丝磨损是不均匀的。
参与切割的一侧磨损 锯
恒进给应力Ｆｆ） Ｎ
严重，粒已完全脱落（落凹坑Ｄ）镀层磨损严重，磨脱，
图６恒进给压力对粗糙度的影响（锯丝速度Ｖ＝１ ／）ｓ０ｍｓ
对比文献［］Ｌ５６中Ｔ５陶瓷的磨削抛光加工、刚 金石锯片切割加工、声波加工和电火花线切割加工的 超
而与导轮接触的一侧磨损较少，在锯丝上，还能看到完 整的磨粒Ａ、局部破碎磨粒Ｂ、整体破碎磨粒ｃ 。
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第３期
孟剑峰等：
硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究
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（）３恒进给压力条件下，锯丝速度增加，Ｔ５陶瓷 Ｌ５粗糙度值Ｒ由０２１ｍ减小至０１２Ｉ单晶硅由 ．４ ．７ ｍ，ｘ ０７２Ｉ．３ ｍ减小至０６６ｘ．５ ｍ，即粗糙度值略微减小；恒 进给压力增加，Ｊ５陶瓷粗糙度值ＲＩ５Ｔ 由０１５ｍ．９
增大至０４８ｍ，晶硅由０６９ｍ增大至１０１．７ 单．８ ．９
Ｉ粗糙度值明显增大。
线锯切割Ｉ５ｘｍ，Ｊ５陶瓷的表面 Ｔ
粗糙度比磨削抛光加工大，于金刚石锯片加工和电 优火花加工，与采用某些尺寸磨料的超声波加工相当。
（）４由于焊口处强度低于锯丝基体强度，丝的 锯断裂首先发生在焊口处；因为锯丝不能自转，锯丝圆 沿
周方向锯丝的磨损不均匀，降低了锯丝的使用寿命。
图８切割Ｌ５Ｔ５陶瓷的磨损锯丝ＳＭ图 Ｅ
参考文献
１汪久根，ｙｕａ．硅晶体纳米压痕实验与应力场分析．Ｒｍｚ Ｚ摩擦学学 报［］２０，１６：
８Ｊ．０１２（）４８—４０９ ２艾兴，萧虹．陶瓷刀具切削加工［］Ｊ．北京：
机械工业出版社，９８ １８．
３Ｓｉ Ｊ，ｎｓｏｉＭ，Ｇｒｎ ｈｈＡ ＹｏｕｈｎｓＴａｔＭ Ｂ，ｅａ．Ｖｉｅｕ ｏｄＣｔ１ｔｏｓｂｎ ＢＮｗｅｌｆｒｒｈｅｏ
３结论
通过环形电镀金刚石线锯切割单晶硅和Ｌ５Ｔ５陶 瓷的试验，出如下结论：
得 （）Ｔ５陶瓷的法向力与切向力之比在０９ １Ｌ５．５～１０间，晶硅的范围为１４．３之单．６～１６，Ｔ５陶瓷比 ．８Ｌ５值小于单晶硅；线锯加工的力比小于磨削加工。
（）２由加工表面微观形貌图可见，本试验的加 在
ｈ曲ｓｅ ｒｄｎ ｆｃｒｍｃａｄＭ ｔｌＪ．Ｔｎａｔｎｏ ｅＮｒ ｉｐｅｇｎｉｇｏ ｅａｉｎ ２ｓ［］ａｓｃｏ ｆｔ ｏｔｄｉ ｅｉｈｈＡｅｉＭｎｃｕｉＲｓａｈＩｓｔｔｎｏ Ｍ．１９（６：
５－０ ｍｒａａ￣ａｔｎｅｅｒｎｔｕｏ ｆＥ９８２）１２０ｃｎｒｇｃｉｉＳ９４Ｓｉ ，ＧａｔＭＢ，ＹｎｈｎｓＴＭ．ｔａ．Ｈ曲ｓｅ ｄｈ曲 ｈＡＪｒｎ ｈ ｏｕｏｉ ，ｅ１ｓ ｉｐｅａ ｉｄｎ
ｍａｅｉｌｅｖｔｌ ｒｄｎ ｆｃｒｍｉｓｕｉｔｅｖｔｅｕｏｎ ＢＮｗｅｌｔｒ ｍｏａａｅｇｉｉｇｏ ｅａｃｓｎｈ ｉｏｓｂｄＣａｒｌｎｇｒｈｅ
［］ａｈｎｎ ｃｎａｄＴｃｎｌｙ２ｏ（）４５ Ｊ．ＭｃｉＳｉｃｎｅｈｏｇ．０ｏ４：
ｉｇｅｅｏ３－８
５Ｒｈｎｙ Ｋ，Ｓｉ Ｊ，Ｓａｔｒｏｄ ｏｅ ＢｈｈＡ ｃｔｅｇｏ Ｒ Ｏ，ｅ ａ．Ｃｙｉｄｉａ ｗｉ ｔ１ｌｒｃｎｌｒｅ
ｅｅｔｃ ｉｃａｇ ｃｉｉｇｏ ｔ ｏｄｄａｎ ｅｌｆｒｃｒｍｉ ｌｃｒａｄｓｈｒｅｍａｈｎｎ ｆｍｅａｂｎ ｉｍｏｄｗｈｅｓｏ ｅａｃｉｌｌ
ｇｉｄｎ［］ｎｒａｉａＪｕｎ ｆｃｉｅＴｏｓ０２４）１５ ｒｉｇＪ．Ｉｔｎｔｎ ｏｒａｏＭａｈｎ ｏｌ０（２：
３５—ｎｅｏｌｌ．２
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工条件下，单晶硅和Ｌ５Ｔ５陶瓷的线锯加工表面都存在 断续划痕和凹坑，因Ｌ５但Ｔ５陶瓷断裂韧性高，加工表
面质量优于单晶硅。
６邓建新．陶瓷材料加工表面完整性及其对材料可靠性的影响［］Ｊ． 硅酸盐通报．０５５：
８—２２０（）３４
作者简介 孟剑峰，，９５年生，女１６工学博士，山东大学副教授。
Ｅｍｌｍｅ，＠ｓｕｅｕｃ —ａ：
ｎｆｄ．ｄ．ｎ
收稿日期：
０７—０２０２—１ ０
（编辑：
王琴）
（接第４上６页）
４Ｌｉ ｎｋｎ ｕＹｅ—ａｇ，ＴｏＰｅ—ｍ．Ｔｅｏｔｌ ｉｍｏｄｗｈｅｓｆｒｇｉｄｎ ｓ ｉｌｕｈ ｐｉｍａｄａｎ ｅｌｏ ｒｉｇ ｎ
３结论
（）晶玻璃经
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