多線往復(fù)搖擺線鋸切割水晶玻璃的試驗研究

林志樹 黃 輝

1. 廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院，廈門，361024

2. 華僑大學(xué)制造工程研究院，廈門，361021

0 引言

線鋸切割是以細金屬線為工具，通過其運動來帶動細小的磨料完成工件材料去除的一種加工方式。線鋸切割技術(shù)早期被用于木頭、石材、陶瓷等非導(dǎo)電材料與非金屬材料的鋸切，20世紀90年代后被應(yīng)用于玻璃、KH2PO4晶體、氧化鋯等脆性材料及磁性材料的切片加工[1-4]。近些年來，隨著光伏行業(yè)、半導(dǎo)體照明器件及集成電路的快速發(fā)展，金剛石線鋸切割技術(shù)被應(yīng)用于晶體硅、藍寶石、SiC等一些硬脆性材料的切割加工[5-7]。

WU[8]對金剛石線鋸的切割機理、切割方式及切割技術(shù)發(fā)展等幾個方面進行了研究。在線鋸切割機理的研究中，主要通過對不同工件材料的切割試驗來研究材料的去除機理。高玉飛[9]在線鋸切割單晶硅的試驗中發(fā)現(xiàn)硅材料的去除方式和工件進給速度與鋸絲速度的比值有關(guān)，建立了硅材料在線鋸切割時的亞表面損傷相關(guān)理論模型。趙禮剛[10]用線鋸切割砷化鎵材料，對切割機理及材料的表面損傷層進行研究。HUANG等[11]用線鋸切割SiC工件，獲得了切片的微觀表面形貌，對SiC在線鋸切割中的材料去除進行了探究。線鋸切割的方式主要包括游離磨料線鋸切割和固結(jié)磨料線鋸切割。KAO等[12-13]通過對游離磨料線鋸切割的研究，建立了線鋸切割時的理論模型，并對切割中鋸絲的振動及切片溫度的變化等進行了研究。近些年，由于固結(jié)磨料線鋸制作水平的提高，固結(jié)磨料線鋸逐漸替代游離磨料線鋸成為主要的線鋸切割加工工具[14]。WATANABE等[15]對固結(jié)金剛石線鋸與游離磨料線鋸切割多晶硅的試驗結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)在鋸切能力上，固結(jié)線鋸是游離磨料線鋸的2.5倍，且固結(jié)線鋸切割得到的切片表面損傷層厚度明顯減小。隨著行業(yè)對切割效率要求的不斷提升，線鋸也從單線切割逐漸朝多線切割方向發(fā)展。GUPTA等[16]通過多線切割C面藍寶石，對藍寶石材料的去除過程、切片亞表面損傷與金剛石鋸線磨損之間的關(guān)系進行了相關(guān)的研究。多線線鋸每完成一次切割可以得到幾十片至上千片的切片，具備產(chǎn)量高、材料損失低、切片統(tǒng)一性好等優(yōu)點，在相關(guān)產(chǎn)業(yè)的晶片切割生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

多線往復(fù)搖擺線鋸切割加工技術(shù)是隨加工材料硬度提高及尺寸增大而提出的一種新型線鋸加工方式，相對于傳統(tǒng)的線鋸加工，其運動方式從最初的低速、短距運動發(fā)展為復(fù)雜的多線往復(fù)搖擺運動。目前，有關(guān)多線往復(fù)搖擺運動的研究報道較少，因此筆者采用不同加工工藝參數(shù)對長方體及圓柱體水晶玻璃試樣進行鋸切試驗，測量水晶玻璃切片的表面粗糙度，探索多線往復(fù)搖擺線鋸加工參數(shù)對切片表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 試驗條件

1.1 試驗裝置及切片測量

(a) 機床切割系統(tǒng)

試驗的多線線鋸切割機床型號為X07 M250×350-1D-O，由蘇州赫瑞特電子專用設(shè)備科技有限公司制造。工件通過一定的固結(jié)方法安裝放置在機床上部工作臺，工作臺在滾珠絲桿的驅(qū)動下按設(shè)定的進給速度vf做上下運動，并在另一組齒輪齒條驅(qū)動下繞圓形滑軌以搖擺角度θ做搖擺運動。貯放于供線輪的鋸絲通過換向輪、張緊輪、導(dǎo)輪等與另一側(cè)的收線輪相連，鋸絲在左右導(dǎo)輪間形成線網(wǎng)，并在張緊輪的張緊力T作用下保持張緊狀態(tài)。鋸絲在往復(fù)運動驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動下，以設(shè)定的線速度vs做來回往復(fù)運動。工件在進給運動、搖擺運動、鋸線的往復(fù)運動作用下實現(xiàn)材料的去除。多線往復(fù)搖擺機床切割系統(tǒng)與切割室實物如圖1所示。

機床的左右導(dǎo)輪槽距為0.75 mm，切割所使用的鋸絲為電鍍金剛石線。鋸絲的線徑為0.25 mm，鋼芯直徑為0.18 mm，鋸絲上金剛石磨粒粒徑為30～40 μm，每毫米鋸絲約有30～40顆金剛石磨粒。工件為長100 mm、寬100 mm、厚18 mm的長方體水晶玻璃和直徑100 mm、厚18 mm的圓柱體水晶玻璃。為讓水晶玻璃在鋸切加工中得到有效固定，圓柱體玻璃做切邊處理。試驗中，鋸絲的張緊力為45 N；鋸絲往復(fù)運動的加減速時間均設(shè)為4 s。

一次切割水晶玻璃試樣得到的總切片數(shù)為24，但工件最外側(cè)2片切片的厚度不均，故取中間相同厚度的22片為有效片。切片以面朝供線端為正面，以面朝收線端為反面，從供線端到收線端，取第2、5、…、23片進行粗糙度值Ra的測量，按8片切片的平均值與標準差計算Ra。測量中，對切片正反兩個面的粗糙度均進行測量。

采用時代集團公司的TIME 3220手持式粗糙度儀對水晶玻璃晶片表面進行粗糙度值測量。測量前，把切片放入事先標記好的位置，并標記切片不同位置測量點的進給方向和線速度方向。測量前，先用隨機樣板進行粗糙度示值的較準，取樣長度l=0.8 mm，評定長度la=4 mm。選取晶片的9個位置進行測量，如圖2所示，取每個位置正反兩面的粗糙度平均值為該位置的粗糙度值。方形晶片位置1～3對應(yīng)的區(qū)域是晶片切入位置，位置7～9對應(yīng)的區(qū)域是晶片切出位置，沿晶片2→8的方向為進給方向，沿晶片4→6的方向為線速度方向。圓形晶片位置A對應(yīng)的區(qū)域是晶片切入位置，位置E對應(yīng)的區(qū)域是晶片切出位置，沿晶片A～E的方向為進給方向，沿晶片a→e的方向為線速度方向。圖2中，兩種形狀晶片9個位置圓圈中間的“+”是粗糙度儀測量時觸針分別沿線速度方向和進給方向的實際測量位置，記錄并計算兩個方向上的表面粗糙度值。

(a)方形晶片測量位置

1.2 試驗工藝參數(shù)

1.2.1切割方形水晶

設(shè)置線速度20 m/s，進給速度0.5 mm/min，單片用線量10 m，鋸絲往復(fù)頻率為 0.7次/min。先進行無搖擺切割試驗，然后設(shè)置工件最大搖擺角度為10°，搖擺頻率為15次/min，進行對比試驗。

1.2.2切割圓形水晶

試驗中，鋸絲的往復(fù)頻率為0.7次/min，工件最大搖擺角度為8°，搖擺運動頻率為15次/min。線與工件的接觸弦長隨工件形狀而變化，因此在試驗過程中，根據(jù)弦長的變化改變不同位置的進給速度，以獲得更好的試驗效果。如圖3所示，在切割圓形工件的不同階段采用N種不同的進給速度，每一個等分區(qū)域內(nèi)采用一個進給速度，因此在直徑2R范圍內(nèi)，第i(i=0，1，…，N-1)個點的位置yi=R-Rcos(πi/N)。i=N時，yi=2R，工件切割完成。實際切割中，為使工件切透并方便切片取出，切割終點的y坐標為102 mm。

圖3 圓形工件坐標系

試驗中，N=60，進給速比u=vm/v0，其中，v0為工件剛開始切割時的進給速度，vm為鋸絲切到工件中間位置的進給速度。改變進給速比，可以保證加工晶片的總切割時間不變，選取進給速比0.70、0.45、0.20進行鋸切試驗。線速度20 m/s時，工件的進給速度見圖4。

圖4 不同速比的進給速度-切割工件位置曲線

選取進給速比同為0.33，線速度vs為15 m/s、20 m/s、25 m/s進行另一組鋸切試驗，該組試驗的進給速度vf如圖5所示。

圖5 相同速比的進給速度-切割位置的曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 有無搖擺運動的方形水晶切割試驗結(jié)果

不同搖擺條件下的方形水晶切片沿進給方向與沿線速度方向的表面粗糙度值測量結(jié)果如圖6、圖7所示。

(a) 沿進給方向

如圖6所示，無搖擺切割時，進給方向上工件同一高度左右兩側(cè)的粗糙度值略大于中間位置的粗糙度值，位置4～6比位置1～3的粗糙度值略大、位置7～9比位置4～6的粗糙度值略大。由沿線速度方向所測的粗糙度值可以看出，從左往右、從下往上的粗糙度值變化都很小。取切片9個位置粗糙度的平均值計算整體粗糙度值，沿進給方向的粗糙度值為0.59 μm，沿線速度方向的粗糙度值為0.29 μm，這表明不同測量方向的表面粗糙度值明顯不同。

(a) 沿進給方向

最大搖擺角度為10°時，由沿進給方向所測的粗糙度值可以看出，工件同一高度不同位置的粗糙度值近似，從下往上的粗糙度值呈減小趨勢。由沿線速度方向所測的粗糙度值可以看出，工件同一高度不同位置的粗糙度值幾乎相同，位置1、2、3的粗糙度值略大。取切片9個位置粗糙度的平均值計算整體粗糙度值，沿進給方向的粗糙度值為0.48 μm，沿線速度方向的粗糙度值為0.22 μm。從試驗結(jié)果中可以看出，有搖擺時切片的表面粗糙度值比無搖擺時的切片表面粗糙度值在進給方向減小了18.64%，在線速度方向減小了24.14%。

2.2 不同線速度的圓形水晶切割試驗結(jié)果

圓形水晶切片在3種不同線速度下，切片位置A～E的粗糙度測量結(jié)果如圖8所示，切片位置a～e的粗糙度測量結(jié)果如圖9所示。

從進給方向的粗糙度值可以看出：vs=15 m/s時，位置A、B、C的粗糙度值近似相等，位置C、D、E的粗糙度值呈減小趨勢；vs=20 m/s時，位置A、B、C的粗糙度值近似相等，位置C、D、E的粗糙度值呈增大趨勢；vs=25 m/s時，位置A、B、C的粗糙度值呈減小趨勢，位置C、D、E的粗糙度值呈增大趨勢。

從沿線速度方向的粗糙度值可以看出：vs=15 m/s時，除位置A的粗糙度值稍大、位置D的粗糙度值稍小外，其他各位置的粗糙度值相等；vs=20 m/s時，位置A、B、C的粗糙度值減小，位置C、D、E的粗糙度值增大；vs=25 m/s時，位置B、C、D的粗糙度值近似相等，位置A、E的粗糙度值較大。

(a) 沿進給方向

(a) 沿進給方向

從沿進給方向的粗糙度值可以看出：vs=15，20，25 m/s時，位置a～e的粗糙度值變化趨勢相同，即從左往中間(位置a→c)增大，從中間往右(位置c→e)減小。沿進給方向的粗糙度值可以看出：隨著線速度vs的增大，位置a→e的粗糙度值呈減小趨勢。

從沿線速度方向的粗糙度值可以看出：vs=15 m/s時，從左往中間(位置a→c)略增大，從中間往右邊(位置c→e)略減??；vs=20 m/s時，左右兩邊的粗糙度值近似相等，中點位置的粗糙度值稍?。籿s=25 m/s時，除位置e的粗糙度值稍大外，其他點的粗糙度值近似相等。從沿線速度方向粗糙度所測結(jié)果看出：vs=15 m/s時的粗糙度值稍大，vs=20，25 m/s的粗糙度值近似相等。

取切片9個位置粗糙度的平均值計算整體粗糙度值，vs為15 m/s、20 m/s、25 m/s時，沿進給方向的粗糙度值分別為0.53 μm、0.45 μm與0.33 μm，沿線速度方向的粗糙度值分別為0.23 μm、0.18 μm與0.17 μm，可以看出，隨著線速度的增大，切片表面粗糙度呈減小趨勢。

2.3 不同進給速比的圓形水晶切割試驗結(jié)果

從圖9中可以看出，位置a～e的粗糙度值變化不大，因此在以下的試驗結(jié)果中，只取位置A～E的粗糙度值進行分析。不同進給速比條件下，沿進給方向與沿線速度方向的粗糙度值測量結(jié)果如圖10所示。

從圖10沿進給方向的粗糙度值可以看出：進給速比u=0.70，0.45，0.20時，位置A的粗糙度值明顯大于其他4個位置的粗糙度值；u=0.70時，位置B→C的粗糙度值增大，位置C→E的粗糙度值減小；u=0.45時，位置B的粗糙度值比位置的C的粗糙度值大，位置D、E的粗糙度值近似相等且比中間(位置C)的粗糙度值略??；u=0.20時，位置A→C的粗糙度值呈減小趨勢，位置C→E呈增大趨勢。

從圖10沿線速度方向的粗糙度值可以看出：進給速比u=0.70，0.45，0.20時，位置A的粗糙度值略大于其他4個位置的粗糙度值；u=0.70時，位置B～E的粗糙度值近似相等；u=0.45時，位置B的粗糙度值比位置C～E的粗糙度值稍大，且位置C～E的粗糙度值略微增大；u=0.20時，位置A→C的粗糙度值呈減小趨勢，位置C→E的粗糙度值呈增大趨勢。

(a) 沿進給方向

從上述試驗結(jié)果均能看出，沿進給方向的粗糙度值明顯比沿線速度方向的粗糙度值大。

3 分析與討論

用Zygo NewView 7300 3D光學(xué)輪廓儀測量進給速比u=0.2的第2片水晶玻璃切片正面位置A、C、E的表面形貌，如圖11所示。從圖11中可以看出，位置A、E的鋸齒狀特征較明顯，位置C的鋸齒狀特征較弱。沿進給方向的粗糙度測量如圖11中vf所示方向進行，沿線速度方向的粗糙度測量如圖11中vs所示方向進行，沿進給方向的粗糙度值會比沿線速度方向的粗糙度值大。

MALKIN等[17]認為，單顆磨粒的切削厚度會影響加工表面質(zhì)量。線鋸切割加工中，工件材料的去除是靠線鋸的運動帶動磨粒來完成的。定義單位長度鋸線的材料去除量(單位長度材料去除量)[18]

R=vflcd/vs

(1)

式中，lc為鋸絲與工件的接觸弧長；d為鋸縫的寬度，可假設(shè)為鋸絲的直徑。

(a) 切片A位置

圖12 單位長度材料去除量

根據(jù)式(1)可得有無搖擺運動時單位長度材料去除量曲線，如圖12所示。搖擺切割方形件時，開始切割點的y坐標為-8 mm，以便工件漸進式地切入。從圖12可以看出，切割方形工件時，有無搖擺運動的單位長度材料去除量分別為0.0052 mm3/m與0.0104 mm3/m，有搖擺運動的單位長度材料去除量是無搖擺運動的一半。從圖6、圖7中可以看出，有搖擺的切片粗糙度值比整體無搖擺的切片粗糙度值小，說明較小的單位長度材料去除量獲得的切片表面粗糙度值較小。

不同線速度時，單位長度材料去除量的曲線見圖13。線速度15 m/s、20 m/s、25 m/s對應(yīng)的單位長度材料去除量分別為0.005 56 mm3/m、0.004 17 mm3/m、0.003 33 mm3/m。在其他切割參數(shù)不變的情況下，線速度與單位長度材料去除量成反比，線速度越大，單位長度材料去除量越小。

圖13 不同線速度的單位長度材料去除量

結(jié)合圖8、圖9可以看出，線速度越大，切片整體的粗糙度值越小，說明較小的單位長度材料去除量獲得的切片表面粗糙度較小。切割件的單位長度材料去除量和水晶玻璃切片的整體表面粗糙度值的關(guān)系如圖14所示，可以看出，無論是沿進給方向，還是沿線速度方向，隨著單位長度材料去除量的增大，切片粗糙度值近似線性增大。

1.圓形件，θ=8°，vs=25 m/s，沿進給方向 2.圓形件，θ=8°，vs=25 m/s，沿線速度方向 3.圓形件，θ=8°，vs=20 m/s，沿進給方向 4.圓形件，θ=8°，vs=20 m/s，沿線速度方向 5.方形件，θ=10°，vs=20 m/s，沿進給方向 6.方形件，θ=10°，vs=20 m/s，沿線速度方向 7.圓形件，θ=8°，vs=15 m/s，沿進給方向 8.圓形件，θ=8°，vs=15 m/s，沿線速度方向

進給速比不同時，單位長度材料去除量隨工件切割位置的變化如圖15所示。從圖15中可以看出，單位長度材料去除量在工件上下半圓位置呈對稱分布，位置A與E、B與D對應(yīng)的單位長度材料去除量相等。從圖10所得的切片表面粗糙度來看，位置A比位置E、位置B比位置D的粗糙度值大，這可能是因為鋸絲在A與B位置(開始切割)時磨粒較為鋒利，鋸切到D與E位置時磨粒已磨損至正常切削狀態(tài)(能得到較為均勻的切割面)。結(jié)合圖10與圖15可以看出：圖15中，位置A與位置E在u為0.70、0.45、0.20時的單位長度材料去除量分別為0.0036 mm3/m、0.0041 mm3/m、0.0049 mm3/m；圖10中，位置A在u=0.70、0.45、0.20時，沿進給方向粗糙度值的Ra分別為0.62 μm、0.74 μm、0.81 μm；位置E在u=0.70，0.45，0.20時，沿進給方向粗糙度值的Ra分別為0.44 μm、0.51 μm、0.58 μm，即小的單位長度材料去除量得到小的粗糙度值、大的單位長度材料去除量得到大的粗糙度值。圖15中，位置C在u=0.70，0.45，0.20時的單位長度材料去除量分別為0.0049 mm3/m、0.0045 mm3/m、0.0040 mm3/m；圖10中，位置C在u=0.70，0.45，0.20時，沿進給方向粗糙度值的Ra分別為0.58 μm、0.57 μm、0.29 μm，即大的單位長度材料去除量得到大的粗糙度值、小的單位長度材料去除量得到小的粗糙度值。上述的結(jié)果說明較小單位長度材料去除量獲得的表面粗糙度值較小。

圖15 不同進給速比下的單位長度材料去除量曲線

圖10中，位置A的粗糙度值明顯比其他位置的粗糙度值大，這是因為在工件剛開始切割階段，切片寬度較小，鋸絲切割工件時與工件的接觸長度小，鋸絲的振動較大，造成工件剛開始在切割位置的粗糙度值較大。隨著工件向下進給，鋸絲與工件間的接觸長度增大，鋸絲的振動慢慢變小，對工件表面粗糙度值的影響減小。因此以下的粗糙度值統(tǒng)計將不計入位置A的粗糙度值，以消除鋸絲振動的影響，進給速比不同時，4個位置粗糙度值與單位長度材料去除量的關(guān)系曲線見圖16。從圖16中可以看出，沿進給方向和沿線速度方向的切片表面粗糙度都隨單位長度材料去除量的增大而近似線性增大。

圖16 單位長度材料去除量與切片粗糙度的關(guān)系

由圖12、圖13與圖15可知，由于線鋸切割工藝參數(shù)的變化，單位長度材料去除量的大小隨工件切割位置的不同而變化，單位長度材料去除量的變化會引起切片表面粗糙度的變化。由圖14與圖16可知，單位長度材料去除量與切片表面粗糙度值有較好的對應(yīng)關(guān)系，小的單位長度材料去除量能獲得較小的切片表面粗糙度值。隨著單位長度材料去除量的減小，單位鋸絲的載荷相應(yīng)的減小，鋸絲磨損隨之減小，加工過程更加穩(wěn)定，加工質(zhì)量也相應(yīng)提高[19]。

理論分析和試驗結(jié)果均證實，單位長度材料去除量作為一個綜合指標，可以較好地反映多線往復(fù)搖擺線鋸的運動過程及加工質(zhì)量，通過對單位長度材料去除量的合理調(diào)控，可以較好地控制切片的表面粗糙度值。

4 結(jié)論

(1)在多線往復(fù)搖擺線鋸切割中，搖擺運動的加入可以有效減小工件加工表面的粗糙度值。對于方形水晶玻璃，在試驗條件下，有搖擺時切片的表面粗糙度值與無搖擺時的切片表面粗糙度值相比，沿進給方向減小了18.64%，沿線速度方向減小了24.14%。

(2)隨著線速度的增大，切片表面粗糙度值呈減小趨勢，線速度從15 m/s增大到20 m/s與從20 m/s增大到25 m/s時，圓形水晶玻璃切片沿進給方向的粗糙度值分別減小0.08 μm與0.12 μm，沿線速度方向的粗糙度值分別減小0.05 μm與0.01 μm。

(3)進給速比對切片不同位置的粗糙度值有較大的影響，隨著進行速比的減小，圓形水晶玻璃切片兩端的粗糙度值增大、中間的粗糙度值減小。

(4)水晶玻璃形狀的變化及加工工藝參數(shù)的變化會引起切割過程單位長度材料去除量的變化，單位長度材料去除量及其變化趨勢反應(yīng)了切片表面粗糙度值Ra的大小與變化趨勢，兩者之間有一定的對應(yīng)關(guān)系。