摘要：利用自制的實驗設備研究了電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工脆性材料。實驗結果表明，該種加工方法與相同實驗條件下的非施加超聲振動相比，具有加工效率高、表面質量好、破碎小等特點，為硬脆材料的切割提供了一種新的有效的加工方法。
　　
　　0、前言
　　
　　用金剛石線鋸切割脆性半導體材料的工藝最早由Mech于20世紀70年代提出。Ｗ.Ebner進行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成的往復式試驗機床,金剛石鋸絲的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端,電機驅動輪鼓帶動鋸絲往復運動。Ｗ.Ebner用之進行切割,得到了小于0.4ｍｍ的切片厚度。20世紀80年代,出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。
　　
　　Anderson,J.R使用日本Yasunager公司的YQ100金剛石多線鋸進行了硅切片實驗,得到的切縫寬度小于0.16ｍｍ,表面損傷層深度小于5μｍ。尤其是近幾年來,金剛石線鋸得到了快速發(fā)展,對其研究也更為深入。
　　
　　 一、電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工
　　
　　目前,固結磨料金剛石線鋸受制造工藝限制,應用和研究相對較少。Clark等人使用木材和泡沫陶瓷作為試件,對切割力進行在線測量,研究了固結磨料的金剛石鋸絲的壽命以及工藝參數(shù)對切割力、力比和加工表面粗糙度的影響。由于設備、資金和工藝的限制,國內的研究多為自制實驗設備,并用石材作試件進行實驗,從金剛石線鋸設備制造、切割質量、切割機理和失效機理幾方面進行了探索。樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出,線切割硅片表面粗糙度大,外表面損傷大,但損傷層的厚度要小于常規(guī)內圓鋸切割硅片,并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。高偉對固結磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進行了研究,進行了花崗巖的切割實驗,建立了鋸切力的理論模型,研究了鋸絲失效機理,用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。
　　
　　本文設計的超聲波線切割實驗裝置，主要是使金剛石線鋸實現(xiàn)直線往復切割加工和超聲波切割加工及復合加工。要實現(xiàn)以上功能，實驗裝置要完成的運動包括：
　　
　　（1） 線鋸的往復運動；
　　
　?。?） 線鋸的超聲波縱振動；
　　
　?。?） 線鋸的低速扭轉運動；
　　
　?。?） 工作臺X向的移動；
　　
　?。?） 工作臺Y向的移動；
　　
　　其中，線鋸的往復運動、超聲波振動是超聲波線切割加工的基本運動；工作臺的方向移動是為了加工成型表面，同時便于工件的裝夾和定位。此外，線鋸的扭轉運動是保證工具的磨損均勻和工件的加工質量。
　　
　　1、實驗方法
　　
　　1.1實驗設備 實驗采用自制的USDW-1型超聲波線切割實驗機，主機功率0.75KW,調速范圍80~400rpm,行程為50~150mm連續(xù)可調；
　　
　　工具采用JR2型金剛石，線鋸直徑為Ф0.3~1.0mm, 金剛石粒度為200~280#；如圖1
　　
　　超生發(fā)生器的功率為250W，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20μm；
　　加工對象是氧化鋯陶瓷、玻璃。

圖1 電鍍金剛石線鋸的放大100倍的圖片

　　2、實驗結果及分析
　　
　　2.1 粒度對加工效率的影響
　　
　　圖2表示當其他條件不變的情況下，線鋸直徑為Ф0.5mm, 金剛石粒度為140~280#轉速為200rpm,行程為100mm，側向壓力為5N，超生發(fā)生器的功率為250W，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20μm；加工對象是氧化鋯陶瓷，金剛石粒度對加工效率的影響。由圖3可知，無論施加超聲振動的切割，還是未施加超聲振動的直線往復切割，其加工效率均是隨著金剛石的目數(shù)的增加，即粒度直徑的減小，加工效率降低。但是相同的條件下，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復切割的效率要高。

圖2 磨料粒度與加工速度的關系

　　2.2 線鋸的轉速對加工效率的影響
　　
　　圖3表示當其他條件不變的情況下，線鋸直徑為Ф0.8mm, 金剛石粒度為200#,行程為100mm，側向壓力為5N，超生發(fā)生器的功率為250W，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20μm；加工對象是氧化鋯陶瓷，線鋸的轉速對加工效率的影響。由圖4可知，無論施加超聲振動的切割，還是未施加超聲振動的直線往復切割，其加工效率均是隨著線鋸的轉速的增加，加工效率提高。相同的條件下，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復切割的效率平均提高2.5倍。很顯然，隨著線鋸速度的提高，單位時間內參加切割的金剛石磨粒數(shù)增多，因此，鋸切效率隨著轉速的提高而提高。同理，在相同條件下當施加超聲振動后加工效率進一步增加，也容易理解。

圖3 線鋸的轉速與加工效率的關系

　　2.3 側向力對加工效率的影響
　　
　　從圖4的側向壓力與加工速度的關系可以看出，隨著側向壓力的增大，加工速度越高，當側向壓力大于6N時，線鋸彎曲很嚴重，使加工不能正常進行。相同的條件下，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復切割的效率平均提高2.6倍。根據(jù)M. C.Shaw、G.E.Miller和V.F. Kazantsevetal的理論都表明：壓力越大金剛石壓入材料越深，所以加工效率越高。同時，切向力也相應增加。
 

　圖4側向力與加工效率的關系

　　3、表面質量分析
　　
　　本實驗表面分析采用上海產(chǎn)的金相顯微鏡和哈爾濱量具廠生產(chǎn)的2201型粗糙度儀分別對這兩種加工方法加工的零件表面進行分析如圖5(a) (b)所示. 圖5(a)為未施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值Ra=1.3~1.5μm，圖5 (b) 為施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值Ra=0.7~0.8μm，由此可見，施加超聲振動時的金剛石線鋸切割得到的表面粗糙度要低。

圖5(a) 未施加超聲振動時金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值

　圖5 (b) 施加超聲振動時金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值

 　　圖6為未施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷放大200倍金相照片，圖7為施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷放大200倍金相照片，從圖6和可以明顯地看到未施加超聲振動時，金剛石線鋸

圖6 為未施加超聲振動

圖7為施加超聲振動

　　割氧化鋯陶瓷所產(chǎn)生明顯的切割條紋，而圖7中施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷雖然可以看到切割條紋，但是其切割條紋與圖6相比不很明顯，這一結果與測量到的粗糙度值相一致。
　　
　　4、結論
　　
　　利用自制的實驗設備研究了電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工脆性材料，通過大量的實驗研究及測試,可得出如下結論：
　　
　　(1) 該方法在硬脆材料切割方面是一種
　　切實可行的高效的加工方法，具有材料去除率高、加工質量好、經(jīng)濟性好等特點；
　　
　　(2) 該加工方法與相同條件下的普通鋸切相比，加工速度平均提高2.5倍；
　　
　　(3) 該加工方法與相同條件下的普通鋸切相比，表面粗糙度降低了近1倍；其表面粗糙度為Ra=0.7~0.8μm；而且表面無明顯的切削條紋；
　　
　　(4) 上述的實驗結果只是初步的，有許多問題有待進一步深入系統(tǒng)的研究。