游離磨料線鋸切割機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究

王金生 姚春燕 彭 偉

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310032

0 引言

游離磨料多線切割技術(shù)主要應(yīng)用于光伏和微電子產(chǎn)業(yè)，它通過一根細(xì)小的金屬線將碳化硅磨料帶入切割區(qū)域，實(shí)現(xiàn)材料的去除。近年來游離磨料線鋸切割機(jī)理的研究取得了一些重要進(jìn)展。如美國紐約州立大學(xué)Kao等［1－2］進(jìn)行了游離磨料線鋸切割機(jī)理研究，認(rèn)為自由磨料線鋸切割過程構(gòu)成一個(gè)三體磨粒磨損環(huán)境，磨粒作為第三體在鋸絲與工件之間滾動并嵌入工件中，在鋸絲的切向運(yùn)動下，向前滾動，從而去除材料。Li等［3］也得到了類似的結(jié)論，認(rèn)為線鋸在切割時(shí)，力通過線鋸作用于磨粒，在磨粒上產(chǎn)生法向力和切向力，同時(shí)由于線的運(yùn)動，使磨粒在工件表面產(chǎn)生“滾壓”運(yùn)動，如果力很小，工件表面將產(chǎn)生彈性變形，不會去除材料；但如果力足夠大，就會使磨粒壓入工件表面產(chǎn)生切屑和微裂紋，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。

德國弗賴堡工業(yè)大學(xué) M?lle等［4－5］對游離磨粒線鋸的切割機(jī)理進(jìn)行了研究并指出：磨漿中的磨粒在工作中處于兩種狀態(tài)：一種是磨粒同時(shí)與線和硅直接接觸，稱之為“半接觸狀態(tài)”；另一種是既不和線接觸也不和硅接觸，稱之為“非接觸狀態(tài)”。處于“半接觸狀態(tài)”下的磨粒在鋸絲的作用下對硅材料表面產(chǎn)生“滾壓”去除；而處于“非接觸狀態(tài)”下的磨粒只是在磨漿橫向剪力的作用下產(chǎn)生滾動。

Yang等［6］認(rèn)為線鋸在切割過程中，在線鋸速度v的帶動下，漿料中的磨粒在工件表面滾壓、劃擦并產(chǎn)生微裂紋，從而達(dá)到去除材料的目的。

Bhagavat等［7］應(yīng)用雷諾方程建立了自由磨料線鋸切片過程中的流體動壓模型，得到了切割區(qū)域的流體動壓力及油膜厚度分布曲線，結(jié)果表明最小油膜厚度大于磨料平均直徑，線鋸在切割過程中磨料不是直接通過鋼線壓入硅錠表面的，而是處于“非接觸狀態(tài)”，磨粒在流體剪切力和動壓力的共同作用下實(shí)現(xiàn)材料的“滾壓”去除。葛培琪、桑波［8－9］也得到了類似的結(jié)論。

由上述分析可知，目前游離磨料線鋸切割去除機(jī)理主要有“滾壓”去除、“動壓”去除、“滾壓－劃擦”去除，但均未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 磨粒運(yùn)動狀態(tài)分析

磨粒運(yùn)動觀測平臺主要由VW－6000/5000動態(tài)三維顯微系統(tǒng)（用于觀測切割過程中磨粒的運(yùn)動狀態(tài)）和WXD170型往復(fù)金剛石線切割機(jī)兩部分組成，如圖1所示。

圖1 磨粒運(yùn)動觀測平臺

拍攝時(shí)設(shè)置放大倍率為100，記錄幀速為每秒1000幀；進(jìn)給速度為0.375mm/min，張緊氣缸壓力為0.2MPa，線鋸速度為0.5m/s。工件為光學(xué)玻璃K9，線鋸為φ0.5mm的鋼絲線，攝像頭從切縫的側(cè)面進(jìn)行拍攝。為了增強(qiáng)拍攝效果，在拍攝時(shí)磨粒采用180＃的黑剛玉，并與PEG300以1∶20（質(zhì)量比）的比例配制而成。

圖2a～圖2c為拍攝的連續(xù)三幀磨粒運(yùn)動圖，從圖中可以看出磨粒在切縫底部與工件和線鋸接觸，并在線鋸的作用下向前滾壓運(yùn)動，速度大約為0.2mm/s。

圖2 接觸磨粒運(yùn)動

圖3為非接觸磨粒運(yùn)動圖。磨粒在切縫底部，它在油膜中處于非接觸狀態(tài)，即磨粒與線鋸和工件均不接觸，在流體的作用下向前運(yùn)動。

圖3 非接觸磨粒運(yùn)動圖

從圖2、圖3中也可以看出切割區(qū)域油膜厚度是變化的，這可能是由線鋸振動、磨粒作用等因素引起的。當(dāng)油膜厚度較小時(shí)，磨粒處于接觸狀態(tài)；而當(dāng)油膜厚度較大時(shí)，磨粒則可能處于非接觸狀態(tài)。因此，在實(shí)際切割中，磨粒的存在狀態(tài)隨著油膜厚度的變化而變化。

通過觀測磨粒運(yùn)動可知，游離磨料線鋸切割過程中，磨粒存在兩種狀態(tài)：一種為接觸狀態(tài)，另一種為非接觸狀態(tài)，處于接觸狀態(tài)的磨粒對工件進(jìn)行“滾壓”去除，而處于非接觸狀態(tài)的磨粒，則很可能在流體“動壓”的作用下去除工件材料。但這兩種去除機(jī)理以哪一個(gè)為主，卻無法證實(shí)，因此需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 切割實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

圖4 “動壓”去除示意圖

應(yīng)用表面涂有樹脂的線鋸和普通線鋸（鋼絲線）進(jìn)行切割對比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證游離磨料線鋸切割去除機(jī)理。如果以“動壓”去除為主，那么磨粒大部分處于非接觸狀態(tài)，如圖4所示，涂有樹脂的線鋸將不影響切割效率，兩種線鋸的切割效率應(yīng)該基本相同；如果是“滾壓”去除，磨粒將與工件和線鋸直接接觸，如圖5所示，那么普通線鋸的切割效率要明顯優(yōu)于涂有樹脂的線鋸的切割效率，因?yàn)橥坑袠渲木€鋸表面相對比較軟，磨粒容易嵌入樹脂層，降低了切割能力。

圖5 “滾壓”去除示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

采用WXD170型往復(fù)切割機(jī)進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。工件材料為光學(xué)玻璃K9。磨漿由聚乙二醇300和1500＃的碳化硅以1∶0.92（質(zhì)量比）的比例配制而成。圖6為使用MasterSizer2000激光粒度分析儀得到的碳化硅磨粒粒度分布。

圖6 碳化硅粒度分布

采用φ0.16mm的普通線鋸和表面涂有樹脂的線鋸進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。樹脂為廣州回天精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的HTU－363紫外線固化樹脂，通過涂敷設(shè)備制成φ0.16mm表面涂有樹脂的線鋸［10－12］，樹脂層厚度為0.02mm，線鋸基體直徑為0.12mm。圖7a所示為鋼絲線線鋸（未涂樹脂），圖7b所示為表面涂有樹脂的線鋸。采用VAGA3掃描電鏡（SEM）對切割后的工件表面進(jìn)行形貌觀察。采用VW－6000/5000動態(tài)三維顯微系統(tǒng)對切割后的線鋸表面進(jìn)行形貌觀察。切割條件為：走絲速度2m/s，進(jìn)給速度0.375mm/min，張緊氣缸壓力0.2MPa。

2.3 結(jié)果分析

圖7 普通線鋸和涂有樹脂的線鋸

切割速率是評價(jià)線鋸切割性能的重要指標(biāo)，筆者采用單位時(shí)間內(nèi)切割的長度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即切割速率為切割長度和切割時(shí)間的比值。圖8為切割速率對比圖。從圖中可以看出普通線鋸的切割效率大大高于涂有樹脂的線鋸的切割效率，高出了1倍多。圖9為涂有樹脂的線鋸切割后的表面形貌。從圖中可以看出切割后的線鋸表面有很多磨粒嵌入樹脂層中：有完全嵌入的，也有部分嵌入的，還有嵌入的磨粒在切割過程中脫落而留下凹坑的。

圖8 切割速率對比

圖9 涂有樹脂的線鋸切割后的表面形貌

上述結(jié)果均說明游離磨料在切割過程中，部分磨粒與線鋸、工件處于“接觸”狀態(tài)，而且很容易嵌入樹脂層中。但由于樹脂較軟，嵌入的磨粒很容易脫落，不像固結(jié)磨料線鋸一樣不易脫落；如果不脫落，那么磨粒將在線鋸的作用下進(jìn)一步嵌入樹脂層中，有的甚至完全嵌入，減小或喪失了磨粒與工件接觸的概率，從而降低切割能力。也就是說涂有樹脂的線鋸，將一部分“滾壓”去除的磨粒給“吸收”了，起不到切割的作用，從而導(dǎo)致切割效率急劇下降。這就表明游離磨料線鋸在切割過程中主要靠“滾壓”去除材料，而非“動壓”去除。

圖10為普通線鋸切割后的工件表面形貌。從圖中可以看出切割后的表面沒有劃痕，均為不規(guī)則凹坑，主要是磨粒在工件表面“滾壓”去除后形成的凹坑，屬于三體磨損去除，此結(jié)論與文獻(xiàn)［13］的結(jié)論相同。

圖10 普通線鋸切割后的工件表面形貌

圖11為普通線鋸切割后的表面形貌。從圖中可以看出，切割后的表面形貌明顯比切割前（圖7a）要粗糙得多，表面具有很多微細(xì)凹坑，這是磨粒在“滾壓”去除工件材料的過程中，同樣與線鋸相接觸，線鋸也被磨?！皾L壓”去除，從而形成了凹坑。

圖11 普通線鋸切割后的表面形貌

3 結(jié)語

本文總結(jié)分析了目前三種典型的游離磨料線鋸切割去除機(jī)理，即“滾壓”、“動壓”和“滾壓－劃擦”去除機(jī)理。采用VW－6000/5000動態(tài)三維顯微系統(tǒng)對磨粒運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，并對表面涂有樹脂的線鋸和普通線鋸進(jìn)行切割對比實(shí)驗(yàn)，可知游離磨料線鋸在切割過程中存在著兩種狀態(tài)，一種為接觸狀態(tài)，另一種為非接觸狀態(tài)，而且磨粒的存在狀態(tài)隨著油膜厚度的變化而變化，兩者之間在切割過程中不斷地相互轉(zhuǎn)換。處于接觸狀態(tài)的磨粒，對工件進(jìn)行“滾壓”去除；而處于非接觸狀態(tài)的磨粒，可能對工件進(jìn)行“動壓”去除，但起主要作用的是“滾壓”去除，而非“動壓”去除。

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