懸浮上砂金剛石線鋸的鋸切性能試驗(yàn)分析*

鄭楚夕， 馬曉賓， 謝 乾， 畢文波， 葛培琪, 2， 龔 洋， 柳廷全

(1. 山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061) (2. 山東大學(xué)， 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061) (3. 山田研磨材料有限公司， 山東 臨沂 276700)

近年來，光伏行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速，對硅、碳化硅、藍(lán)寶石等硬脆性材料的需求日益增多，對這些材料加工質(zhì)量的要求越來越高，材料的切割技術(shù)受到了廣泛重視[1]。傳統(tǒng)游離磨料線切割存在加工效率低、懸浮液回收困難，對環(huán)境污染嚴(yán)重、切片質(zhì)量較差等缺點(diǎn)。因此，固結(jié)磨料金剛石線鋸得到了越來越多的應(yīng)用[2]。

電鍍金剛石線鋸是以電鍍的方式把高硬度、高耐磨性的金剛石磨料牢固地固結(jié)在鋼絲基體上而制成的一種切割工具[3]。電鍍金剛石線鋸制造的主要工序有基體前處理、預(yù)鍍、上砂、加厚、后處理等。其中上砂工序至關(guān)重要，上砂質(zhì)量決定了金剛石線鋸的質(zhì)量，上砂速度決定了鋸絲的生產(chǎn)效率。根據(jù)上砂方式的不同，電鍍金剛石線鋸的制備工藝可分為刷鍍法、埋砂法和懸浮上砂法。懸浮上砂是將金剛石磨粒加入到電鍍液中，通過攪拌使磨粒懸浮，再通過金屬的電沉積將磨粒固結(jié)到金屬基體上[4]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率，一般采用一機(jī)多線的鋸絲生產(chǎn)設(shè)備，即同時(shí)生產(chǎn)多根鋸絲。由于上砂過程影響因素較多，所以不同上砂位置的鋸絲之間可能存在性能差異?；趯?shí)際生產(chǎn)，試驗(yàn)主要研究六線懸浮上砂電鍍金剛石線鋸的鋸切性能，對不同上砂位置的鋸絲的鋸切性能進(jìn)行對比。

1 試驗(yàn)方法

鋸切試驗(yàn)選用恒進(jìn)給力往復(fù)式線鋸切割機(jī)，如圖1所示：硅棒在鋸絲下方，用配重塊調(diào)節(jié)進(jìn)給力，在鋸切過程中，鋸絲沿垂直于硅棒進(jìn)給的方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，保持恒定進(jìn)給力使硅棒向上運(yùn)動(dòng)，完成鋸切過程。冷卻液通過微型潛水循環(huán)泵抽取，再通過噴嘴將冷卻液澆在切割區(qū)域。鋸切試驗(yàn)工藝參數(shù)如表1所示。

鋸絲采用六線懸浮上砂電鍍金剛石線鋸，其上砂位置示意圖如圖2所示。由于上砂位置是對稱分布的，兩側(cè)上砂情況相似，所以試驗(yàn)選取生產(chǎn)速度為16 m/min，磨粒尺寸為6～12 μm，直徑70 μm，編號為1、2、3的3種鋸絲，其上砂位置分別為圖2所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處，電鍍結(jié)束后，用掃描電鏡觀測3種鋸絲的表面形貌，統(tǒng)計(jì)磨粒密度。

選取1、2、3號鋸絲進(jìn)行鋸切試驗(yàn)，切好的硅片編號為w1、w2、w3，用水作為冷卻液，記錄鋸切用時(shí)。

參數(shù)數(shù)值 進(jìn)給力F/N2.8 走絲速度vs /(mm/s)800 往復(fù)行程l/mm600 硅棒直徑d/mm25

鋸切結(jié)束后，將切好的硅片用丙酮清洗、干燥，保證硅片的表面清潔；對切后的鋸絲進(jìn)行取樣，經(jīng)超聲波清洗、烘干后，用掃描電鏡觀測鋸絲的受損情況。

用表面粗糙度儀測量硅片的表面粗糙度，硅片表面區(qū)域劃分如圖3所示，分別在其A、B區(qū)域內(nèi)取點(diǎn)測量后取平均值；用掃描電子顯微鏡觀察金剛石線鋸的磨損情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋸絲的上砂情況

圖4為電鍍金剛石線鋸的SEM形貌圖。統(tǒng)計(jì)3種鋸絲的磨粒密度，數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知：居于上砂槽中間位置的鋸絲(3號)的磨粒密度明顯高于居于上砂槽邊緣位置的鋸絲(1號)的磨粒密度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是懸浮在電鍍液里的金剛石磨粒分布不均勻。

鋸絲編號磨粒密度η/(顆/mm)144625473585

2.2 鋸絲的鋸切效率

鋸絲的鋸切效率為每分鐘鋸絲切割硅片的面積，結(jié)果如表3所示。由表3可知：3號鋸絲的鋸切效率最高，1號的最低，結(jié)合表2數(shù)據(jù)可說明磨粒密度影響鋸切效率。

表3 鋸絲的鋸切效率Table 3 Cutting efficiency of wire saw

2.3 鋸絲的磨損及損傷情況

鋸絲的磨損主要包括磨粒的磨損與鍍層的磨損。磨粒的磨損包括磨粒的正常磨損、磨粒的脫落、磨粒的整體破碎和折斷[5]等；鍍層的磨損主要是由于磨粒被磨平或者脫落后，鍍層直接和工件接觸，產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)造成的磨損，一般發(fā)生在鋸切加工的后期，此時(shí)鋸絲已失去加工能力。圖5為本實(shí)驗(yàn)鋸切加工后的鋸絲不同磨損及損傷形式的形貌特征。

(a)鍍層的磨損Coating wear(b)磨粒的整顆脫落Grain shedding(c)鍍層損傷Coating damage(d)鍍層與母線分離Separated coating from the wire圖5 電鍍金剛石線鋸的磨損及損傷形式Fig. 5 Wear and damage patterns of electroplated diamond wire saw

圖5a中，鋸絲上參與鋸切加工的部分磨粒已被磨平，鍍層輕度磨損，并且鋸絲上只有部分磨粒參與鋸切過程。圖5b中，磨粒在鋸切過程中整顆脫落，在鋸絲表面留下凹坑。圖5c中磨粒在鋸切過程中脫落，并在鋸絲和工件間滾動(dòng)，在鋸絲表面留有劃痕，造成鍍層損傷。圖5d中，鋸絲的鍍層與母線明顯發(fā)生分離，損傷部位有部分磨粒脫落，原因可能是由于鍍層與母線的結(jié)合力不好，在磨粒大面積脫落時(shí)使鍍層與母線分離，破壞了鍍層。

2.4 硅片的表面粗糙度

用表面粗糙度儀分別沿進(jìn)給方向和走絲方向?qū)1、w2、w3硅片按圖3所示的A、B區(qū)域取點(diǎn)進(jìn)行表面粗糙度Ra測量，測量結(jié)果取平均值，如圖6所示。

由圖6可以看出：硅片沿進(jìn)給方向的粗糙度值大于沿走絲方向的粗糙度值。原因可能是鋸絲沿進(jìn)給方向加工硅片時(shí)，材料的去除方式是脆性去除，在硅片表面留有凹坑，使粗糙度值增大；鋸絲沿走絲方向的材料去除方式主要是塑形去除，在硅片表面留下劃痕，所以沿該方向的Ra值要小于沿進(jìn)給方向的。另外，由圖6中數(shù)據(jù)可觀察到：進(jìn)給方向和走絲方向上，A區(qū)域的Ra

值均大于B區(qū)域的Ra值。由于A區(qū)域?qū)儆谙燃庸さ膮^(qū)域，當(dāng)新鋸絲開始進(jìn)行鋸切加工時(shí)，鋸絲上一些出露高度較高、把持強(qiáng)度較差的金剛石磨粒脫落，在硅片表面留有劃痕，對硅片表面造成破壞，而且新鋸絲磨粒出露高度一致性差，易在加工表面產(chǎn)生劃痕，導(dǎo)致表面粗糙度值增大。當(dāng)鋸絲在B區(qū)域進(jìn)行切割時(shí)，鋸絲已進(jìn)入穩(wěn)定工作階段，出露過高的磨粒逐漸被磨平，不易在加工表面產(chǎn)生劃痕。

從試驗(yàn)結(jié)果看，3種鋸絲加工出來的硅片的Ra值相差不大，即磨粒密度對鋸切加工硅片表面粗糙度的影響不大。

3 結(jié)論

在恒力進(jìn)給的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行鋸切實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

(1)六線懸浮法鋸絲生產(chǎn)工藝中，鋸絲上砂位置影響鋸絲磨粒密度。通過對比不同上砂位置鋸絲的磨粒密度發(fā)現(xiàn)，居于上砂槽中間位置的鋸絲磨粒密度最大，為585顆/mm，明顯高于居于上砂槽邊緣位置的鋸絲磨粒密度446顆/mm。

(2)當(dāng)磨粒密度由446顆/mm增加到585顆/mm時(shí)，鋸絲的鋸切效率由2.158 mm2/min增大到4.949 mm2/min，增大了138%，表明參與鋸切加工的磨粒數(shù)越多，鋸絲鋸切效率越高。

(3)鋸絲的磨損與損傷形式主要包括磨粒的磨損、磨粒脫落以及鍍層的損傷與磨損。

(4)鋸切加工初始階段，鋸切表面比較粗糙，進(jìn)入穩(wěn)定鋸切加工后，表面粗糙度有所降低。鋸絲磨粒密度對表面粗糙度的影響不大。