（机械电子工程专业论文）环形电镀金刚石线锯在陶瓷材料切割中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 硬脆材料广泛运用于能源、信息、制造和建筑装饰等领域，但硬脆材料在机 械加工过程中凸现出来的加工效率低、表面完整性差、刀具磨损快、加工成本高 等制造难题严重制约着硬脆材料在现代工业中更广泛的应用。 本文设计制造了一台环形电镀金刚石线锯切割试验装置，使用c w 2 2 5 型环形 电镀锯丝，以牌号为l t 5 5 的a 1 2 0 ：n c 陶瓷材料作为试件，对电镀金刚石线锯切 割硬脆材料工艺进行了研究实验中，最大锯丝速度达到1 3 0 8 m s ，最大材料去 除率为6 6 6 5 m m 2 血n ，切割表面粗糙度在0 2 4 7 - - 0 3 5 2i tm 之间，加工表面质量优 于圆盘锯和电火花加工 本文根据对金刚石线锯切割过程的研究，借鉴压痕断裂力学模型近似和切削模 型近似，建立起金刚石线锯切割陶瓷材料模型，推导出金刚石磨粒的平均切削深 度计算公式和有效切削深度计算公式，并根据实验确定了有效切削深度计算公式 的调整系数实验证明陶瓷材料切割主要为脆性加工方式，但在进给配重1 4 n ， 锯丝速度5 2 3 m s 时为半延性材料去除 通过微观形貌观察和有限元模型分析对环形电镀金刚石锯丝磨损与失效的形 式和机理进行了研究。金刚石磨粒主要出现局部破碎、整体破碎、磨平和脱落四 种磨损形式。焊接造成的内部气孔使环形锯丝在该处产生疲劳断裂有限元分析 说明镀层在与磨粒结合面上承受最大拉、压应力，拉应力集中是影响磨粒脱落的 内在因素镀层磨损使磨粒的出刃高度超过其高度的一半后，磨粒承受的最大拉、 压应力急剧上升，磨粒进入快速脱落阶段。 关键词金刚石线锯；陶瓷材料；切割加工 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh a r d b r i t t l em a t e r i a li sw i d e l yu s e di ne n e r g y , i n f o r m a t i o n ，m a n u f a c t u r e ，a n d a r c h i t e c t u r ef i e l d b u tl o wp r o d u c t i v ee f f i c i e n c y , b a ds u r f a c ei n t e g r i t y , r a p i dt o o l sw e a r a n dh i 曲p r o d u c tc o s th o l db a c kt h ew i d e ra p p l i c a t i o no f h a r d - b r i r l em a t e r i a li nm o d e m i n d u s t r y 、 a ne l e c t r o p l a t i n gd i a m o n de n d l e s sw i r es a w ( e d e w s ) w i t hc w 2 2 5w i r ei s r e p o r t e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n d t h e o r e t i c a la n a l y s i so ne d e w si s c a r d e do u tw i t hl t 5 5a 1 2 0 f f r i cc e r a m i c o nc u t t i n gl t 5 5c e r a m i c se x p e r i m e n t , t h e h i g h e s tv e l o c i t yo fw i r ei s1 3 0 8 m s ，t h eh i g h e s tc u r i n ge f f i c i e n c yi s6 6 6 5 m m 2 m i n , a n dt h er o u g h n e s si sb e t w e e n0 2 4 7a n do 3 5 2 p m t h es u r f a 哆q u a l i t ya c h i e v e df r o m e d e w sm a c h i n i n gi ss u p e r i o rt ot h eo n ef r o mc i r c l es a wo re l e c t r o nd i s c h a r g e l m a c h i n i n g ( e d m ) ： t h ei n d e n t a t i o nf r a c t u r em e c h a n i c sa p p r o a c ha n dt h em a c h i n i n ga p p r o a c ho nt h e g r i n d i n gm e c h a n i s m sf o rc e r a m i c sh o l dt r u ei nt h ee d e w sm a c h i n i n g a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c h i n go fc u r i n gp r o c e s s ，ae d e w sc u r i n gm o d e li ss e tu p t h ef o r m u l a s f o ra v e r a g ec u r i n gd e p t ho f g r a i na n df o rv i r t u a lc u r i n gd e p t ho f g r a i na r ei n d u c e d t h e a c c o m m o d a t i o nc o e f f i c i e n ti nf o r m u l af o rv i r t u a lc u r i n gd e p t ho fg r a i ni sc a l c u l a t e db y t h et e s t t h ec e r a m i c sm a t e r i a lm o s t l yi sc u to f fo i lb r i t t l er e g i m e ，b u ti ti sc u to f fo n h a l f - d u c t i l er e g i m ea t1 4 nd r i v ew e i g h 45 2 3 m sv e l o c i t yo f w i r e t h em i c r o s c a l eo b s e r v e sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m e t h o d sw e r e e m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ef a i l u r eo fw i r e t h ed i a m o n dg r i t ss u f f e rf o u rw e a rs t a t e s ： m i c r o f r a c t u r e d ，m a c r o f r a c t u r e d , w o r n - f l a ta n dp u l l o u tg r a i n t h eh o l e si nw e l d i n g a r e am a i n l yc a u s et h ef a t i g u e dw i r et ob r e a k t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) i m p l i e s t h a tt h eh i g h e s ts t r e s so c c u r sa tt h ei n t e r f a c ec l o s et ot h es u r f a c eo f t h ep l a t i n gl a y e nt h e h i g h e s tt e n s i o ns t r e s sr e s u l t si nt h eg r i tf a l l i n go u t t h em a g n i t u d eo fp u l l i n gs t r e s sa t t h et e n s i o ns i d eo ft h ep a r t i c l ei n c r e a s ed r a s t i c a l l yw h e nt h ep l a t i n gl a y e ri sw o r na w a y , n 山东大学硕士学位论文 w h i c ha c c e l e r a t ed i a m o n dg r i t st od e b o n do rf a l lo u t k e y w o r d ：d i a m o n d w i r es a w ；e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ；c u t t i n gp r o c e s s i l l 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： f 鸳垒堑 日期：堕兰：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：2 纪丕玉导师签名 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的进步和现代工业的发展，硬脆材料在能源、信息、制造和建 筑装饰等领域得到了日益广泛的应用硬脆材料指硬度高、脆性大的材料，通常 为非导电体或半导体，如光电材料、半导体材料、宝石、工程陶瓷和石材等硬 脆材料特有的机械力学性能，光、声、电、磁、热、弹性等性能或功能耦合效应 是其他材料难以具备的，利用这些特性，硬脆材料被制成光电池板、电子芯片、 精密机械零件和建筑装饰材料等，出现在科技、生产和生活的方方面面 事物总具有两面性，硬脆材料在使用上呈现出的独特优点，往往成为其加工 中的拦路虎。硬脆材料耐磨性好、脆性大，大部分为非导电材料，加工中容易产 生表面裂纹和亚表面损伤，难于保证加工质量，对刀具和设备的要求高，存在加 工困难、加工成本高的缺点。比如陶瓷材料的加工成本占陶瓷材料总制造成本的 1 3 2 3 1 1 2 1 由于大部分硬脆材料的非导电性，以及加工效率和精度难以保证等原因，在 传统金属加工领域取得良好效果的电化学加工、新兴的激光加工等方法在硬脆材 料加工中的应用受到了很大限制。目前，各种机械加工手段仍然是硬脆材料的主 要加工方法，传统的锯切、磨削和抛光加工，以及广泛用于石材加工的绳锯和用 于光电子行业的线锯在硬脆材料加工中占据了主要位置为适应硬脆材料加工对 工具的特殊要求，通常将金刚石这种自然界硬度最高的物质用于硬脆材料加工工 具的制造，尤其是随着人造金刚石技术的成熟与发展，各种金刚石工具应用日趋 广泛 锯切加工往往作为硬脆材料加工的第一道工序，其效率和质量对后续加工有 着重要影响，随着硬脆材料锯切加工对精密、高效和绿色的要求日趋提高，各种 锯切加工技术得到了迅速发展，新的加工方法和设备不断被探索游离磨料金刚 石线锯就是随着半导体行业中精密切割大尺寸晶圆的要求发展起来的一种有效加 工方法，具有一次切片量大、切缝窄、加工表面损伤小及大尺寸切割能力等优势， 已经取代内圆锯成为硅晶体切片加工的主要手段为进一步提高锯切速度，减小 切缝损失，减小对环境的影响，提高锯切质量，固结磨料的金刚石线锯以其潜在 山东大学硕士学位论文 优势被越来越多的研究者和设备制造商所关注，并在锯丝制造方面取得了突破性 进展【3 ，4 1 本课题积极关注这一新兴锯切加工技术的发展，从设备研制、加工工艺 和机理、工具磨损三方面对电镀金刚石线锯加工进行研究 1 1 本课题研究的目的与意义 目前，硬脆材料的锯切加工主要存在加工效率低、出材率低、表面质量和完 整性差、工具成本高和污染环境等问题使用圆盘锯切割石材、陶瓷等硬脆材料 时，为保证工具的刚度，锯片必须具有一定的厚度，造成锯缝宽、出材率低和污 染严重的后果，而且圆盘锯无法进行成型曲面加工，切割陶瓷材料时表面质量也 较差。半导体工业中，通常使用游离磨料线切割方法加工硅晶体，金刚石磨料浆 对硅片表面和环境污染严重，增加了后续加工和废液处理的成本 金刚石线锯是近十几年来获得快速发展的一种硬脆材料切割方法，主要包括 使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构，也可分为往复 式和单向线锯。目前，使用游离磨料的往复式多线锯在半导体和光电子工业中占 据了主导地位。为解决其切割速度低，磨浆污染等问题，使用固结磨料的金刚石 单向线锯被提了出来。这种线锯结构简单、可实现高速走丝、可作成型加工，对 促进硬脆材料加工装备发展有重要的实际意义固结磨料的金刚石环形线锯具有 以下优点： ( 1 ) 切缝窄，出材率高使用高强度钢丝作基体，可制成直径i m m 以下的多 种锯丝，日本s u m i t o m oe l e c t r i ci n d u s t r i e s ，l i d 公司使用直径为0 1 3 0 加1 5 5 r a m 的 钢丝为基体制造出了平均直径为o 1 7 5 0 1 8 0 m m 的锯丝，对钠玻璃切割实验中得 到实际切缝损失为0 1 9 r a m 5 1 ( 2 ) 锯切速度快，效率高。固结磨料环形金刚石线锯在切割过程中锯丝单向运 动，而且磨粒固定在锯丝上，不存在磨科进入长深切缝困难的问题，相比往复式 结构和使用游离磨料的线锯，易于实现更高速度的切割，加工效率高。 ( 3 ) 切割过程平稳，切片表面质量好。金刚石线锯切割过程中，锯切力小，锯 切柔和，而且没有锯丝往复运动而在工件表面产生的特有凹痕1 6 1 ( 4 ) 对环境污染小固结磨料的金刚石线锯通常使用水作为标准冷却液，甚至 2 山东大学硕士学位论文 在走丝速度较低时可采用干切割方式，废液处理难度低或无须处理 综上所述，在非导电材料、半导体材料及复合材料应用日益广泛的今天，固 结磨料的金刚石线锯在硬脆材料切割中显示出独特优势但目前的研究和应用都 很不够，尤其是在锯丝制作技术、切割工艺与机理、金刚石锯丝失效方式与机理、 精密成形切割中锯丝姿态与运动控制技术等方面，都有许多值得深入探索的空白 点本课题对探索电镀金刚石线锯切割技术，深入理解其切割机理，促进硬脆材 料的精密、高效加工具有重要意义 1 2 硬脆材料切割方法 金刚石作为自然界已知的硬度最高的物质，由其制成的加工工具，如石材加 工中使用的串珠锯、圆盘锯，陶瓷材料加工中使用的砂轮，光电材料切割使用的 线锯等在硬脆材料加工领域得到广泛应用通常，切割硬脆材料工具可按形状分 为如图1 1 所示的几类。 1 2 i 圆盘锯切割 图i - i 硬脆材料切割方法 圆盘锯分为外圆锯和内圆锯。外圆锯以锯片外圆周上的金刚石磨粒作为切割 刀刃，是应用较早的切割方法金刚石外圆锯自1 9 世纪中期开始在欧洲制造1 7 l ， 并随着人造金刚石的大量生产进入全盛时期。 山东大学硕士学位论文 外圆锯主要用于石材的切割，房屋，桥梁、路面等建筑的拆除、改建外圆 锯锯切深度一般不超过l 米，1 9 9 7 年德国研制出直径达5 米圆盘锯片嘲为提高 生产率，生产板材多用先进的多片式圆盘锯，一般不超过3 0 片，多者可达5 5 片 9 - n 】， 外圆切割的线速度较高，在石材加工中通常可达3 0 r a s 。 金刚石圆锯片高速旋转时会产生振动和噪声，有时噪声甚至超过l l o 分贝。 日本的h a y a s a k a 等人1 1 习就锯片的振动模态及频率对噪音产生的影响进行了仿真研 究研究表明：噪声是由于锯片的波状振动产生的空气涡流造成的西班牙的r i o s 等人1 1 3 i 实验研究了锯片空载情况下的自然频率和共振频率结果表明，直径是锯 片振动最重要的影响因素，随直径的增加，自然频率下降锯片旋转时，自然频 率分解成两个非常接近的共振频率，向后和向前传播的波的频率，向后的波的频 率和转速成正比，而向前的波的频率和转速成反比文献 1 4 1 研究了频率和金刚石 烧结块的数量对金刚石锯片产生振动噪声的影响得到了以下结论：由旋转产生 的噪音随着刀块数量的增加而增加；随着锯片转速的提高，噪音增大；噪音的产 生和锯片的自然频率，开口处产生的空气流动有关 另外，国内外的其它学者对金刚石切割时噪音产生的机理进行了研究，并提 出了一些降噪方法，如开槽法和夹层法等 d - i s l 外圆锯具有操作方便、效率高等优点，但噪音大、锯片刚性差，切割过程中 锯片易产生振摆和跑偏。外圆锯锯切深度受到锯片直径限制，一般不超过直径的 三分之一，若增大锯片直径必然降低其刚度，使切割过程中产生摆动，不易保证 锯切的直线度尽管增加锯片厚度可以提高其刚性，仍不能根本解决问题而且， 增加厚度不仅增加了锯片成本，而且增加了锯缝宽度，降低了出材率邛j 内圆锯将锯片周边张紧在一个框架上，利用圆锯片内径圆周上的金刚石磨料 作切割刀刃进行切割。张紧时刀片由圆心向四周产生拉伸变形，在刀片内张力作 用下增加了刀片的刚性，锯片可以做得很薄，通常可达0 2 m m 。内圆切割技术成 熟，刀片稳定性好，在硬脆材料的切割领域中应用广泛，发展迅速，特别适于切 割硅晶体、陶瓷及硬质合金等硬脆材料1 1 9 - 2 1 内圆锯刀片由于张紧作用产生相应的变形。刃口表面为波浪形，尤其是随着 内圆刀片径向尺寸的增大，这种变形更加明显，导致内圆锯在高速度旋转时除主 山东大学硕士学位论文 轴系统以外还产生附加的轴向振动 2 2 1 内圆锯的结构限制了切割工件的尺寸，在 硅晶体切割中切片直径一般不超过2 0 0 m m ，且会产生较大的翘曲变形，加工表面 会留下较大切痕和微裂纹，表面损伤层可深度达1 0 - - - 5 0 l im 1 2 2 带锯切割 带锯是一种古老的切割方式，目前使用的带锯主要有框架锯、金刚石带锯和 钢片锯。 框架锯很早便被用作石材切割工具，人们对其切割原理进行了深入的研究 1 2 3 - 2 s i 框架锯按其锯框运动轨迹可分为摆式和平移式两种类型。摆式框架锯的锯 框作钟摆式运动，在加工过程中存在很大的空行程( 占整个行程的3 4 ) ，t 作效率 低切割中等硬度花岗石，其平均落锯速度为2 c m h ，最高为3 c m h 。平移式框架 锯是针对摆式框架锯缺点而发展的新式锯机，其主要优点是锯框水平往复运动， 不存在空行程，同时采用有排孔的锯条和机械自动化供砂装置，大大提高了工作 效率。在锯切中硬度花岗石时，其平均落锯速度为3 - - - 4 c m h ，最高可达5 c m h 。由 于锯条不抬起，为防止钢砂挤出，平移式锯条通常比摆式的锯条要增加5 0 左右 的厚度，从而降低了出材率，增加了锯条、钢砂和能源的消耗。为了克服上述设 备的缺点，出现了复摆式框架锯，其运动轨迹由曲线一直线一曲线组成但复摆 式框架锯结构复杂，机械磨损大，维修费用高为此，国外又研制出巨型下摆式 框架锯，其锯框宽度可达3 5 m ，获得了较理想的锯切效果 2 9 1 。 框架锯是生产花岗岩、大理石板材的常用机械设备，特别适合生产大尺寸板 材根据切割介质分，框架锯有使用游离磨料的，也有使用固结磨料的使用游 离磨料的框架锯采用含有钢砂的切割液为切割介质，切割过程中产生的大量废钢 砂浆对环境污染严彭8 l ，切割效率较低，工具磨损较快采用固结金刚石磨料的锯 条是框架锯的一个发展方向，但由于锯条作往复运动，烧结块上金刚石后部无法 形成。鱼尾”状支撑，把持力较小，金刚石容易从胎体上脱落固结金刚石磨料 的锯条是框架锯主要用于锯切大理石等较软的石材各种框架锯的共同缺点是需 要频繁停止、换向，切削速度非常低，一般不超过2 n v s s j 0 1 金刚石带锯以镶焊金刚石烧结块的环形锯条为切割工具，出现于2 0 世纪5 0 山东大学硕士学位论文 年代，国内于8 0 年代研制出该类设备北京有色金属研究总院在不锈钢基带上电 镀金刚石磨粒，研制出电镀金刚石带锯。带锯条基体规格有长1 6 6 3 m m 、宽 4 5 1 0 m m 、厚0 4 r a m 和长2 3 5 0 m m 、宽4 8 , - 1 0 r a m 、厚0 4 8 m m 等不同型号这种 带锯金刚石颗粒把持牢固，锯缝窄，出材率高，并具备一定曲面加工能力，不仅 可以切割石材，还可以切割玻璃材料【3 1 1 与框架锯和圆盘锯相比，金刚石带锯的显著优点是：锯切速度快，锯切规格 大，能锯切超过一米宽的大规格薄板；锯切厚度调节范围大；生产灵活性大，在 锯切小荒料时仍能保持高产量；锯口小，出材率高；加工精度高，锯口表面整齐 平整，锯切厚度能保持一致；可省去粗磨、半细磨，而直接进行细磨抛光；刀具 材料消耗小；噪音小，稳定性好其缺点是要求荒料规整，锯带质量要求高，不能 进行多片切割p 2 4 f 1 钢片切割机利用一排按一定间隙张紧的钢片在工件上作往复运动进行切割， 磨液不断地浇注到钢片与工件的接触部位，钢片将磨液带入工件切缝中形成切割 作用通常用于大量生产石英谐振器的石英振子，计算机磁头用的陶瓷铁氧体结 合荆，彩电用的延时玻璃片，陶瓷等的切断、切槽加工嘲钢片切割机精度较好、 效率高，但坯料长度受限、污染环境。 1 2 3 线锯切割 线锯( w s a w ) 可分为金刚石串珠锯和金刚石线锯，国内往往称前者为绳锯， 而称后者为线锯 金刚石串珠锯是7 0 年代初期国外研制开发的开采大理石的高效专用设备，首 先在意大利应用于石材的开采【3 7 l ，后来广泛应用于建筑物、桥梁等混凝土结构的 拆除和改造，也用于切割玻璃等材料p o 】金刚石串珠锯由钢丝绳芯、金刚石串 珠和隔离套组成，串珠以一定间隔穿在绳芯上，并由隔离套分开。最初的金刚石 串珠是通过电镀的方法制造，1 9 8 3 年后开始用烧结的方法生产d 0 1 前者为单层金 刚石磨料，切割速度较快，但磨损速度也较快；而后者的金刚石磨料可不断更新， 切割速度较慢，但使用寿命长两种串珠的共同缺点是金刚石磨粒随机分布，分 布不均；切割中串珠在半径方向上产生不均匀磨损，影响串珠锯的使用寿命，因 6 山东大学硕士学位论文 此有人研究了串珠可旋转的串珠锯h ”一般串珠的最小直径为8 - 1 0 衄，台湾生 产的d i a g r i d 串珠最小直径达到6 r a m 3 0 1 金刚石串珠锯性能优良，既能加工石材，也可加工玻璃等其它硬脆材料，各 国对串珠锯的研究都非常重视。早在1 9 9 1 年，p e l l e g r i n im e c c a n i c a 公司就研制开 发出了一种机器人串珠切割系统，通过编程可切割各种外形的石料和板材【4 2 】奥 地利开发生产了一种金刚石串珠锯，可以加工玻璃和石材，完成切割斜面，垂直 面，内部凹槽以及切割圆形等二维曲面加工切割速度为3 0 m s ，进给速度为 5 c m m i n ，串珠直径9 r j l n 4 3 意大利的b i d e s e i m p i a n t i 公司1 9 9 7 年研制了一种计 算机控制的4 轴联动的金刚石串珠锯，可加工不同长度的柱体、锥体及其它成形 曲面，曾由整块石料加工出旋转楼梯。切割速度为l o - - 4 0 m s ，进给速度为1 1 m h t 3 引。 金刚石串珠锯不但能切割直面，而且还能切割曲面 4 4 1 ，切割板料时，还可进 行多道串珠锯切割，生产效率非常高嘲，其用途非常广泛但受到串珠直径影响， 切缝比较宽，通常在数毫米以上，不适于细微结构和贵重材料的切割加工 国内往往将使用游离磨料的钢丝锯和固结磨料的金刚石线锯统称为线锯游 离磨料金刚石线锯利用钢丝快速运动将磨料浆带入工件切缝产生切割作用，多采 用往复式结构，且常用多根钢丝同时切割。固结磨料金刚石线锯通常采用电镀、 压嵌和树脂结合等方法将金刚石磨粒镶嵌在钢丝基体上，以此为工具实现切割。 目前，游离磨料金刚石线锯在半导体材料切割中占据了主导地位，固结磨料金刚 石线锯则作为一种新兴的极具发展潜力的硬脆材料切割方法正引起人们的极大关 注 1 3 金刚石线锯技术的发展 1 3 i 游离磨料金刚石线锯 使用游离磨料往复式线锯切割硬脆材料的方法最早由m e c h1 4 6 4 7 i 于7 0 年代 提出。e b n e r l 4 3 l 进行了早期线锯加工实验。使用往复式试验机床得到了小于0 4 r a m 的切片厚度8 0 年代，出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。a n d e r s o njr 1 4 9 i 使用日本y a s u n a g a r 公司的y q - 1 0 0 进行了硅切片实验，得到的切缝宽度小于0 1 6 山东大学硕士学位论文 m m ，表面损伤层深度小于5 9 r a i t o 和m u r a t a i s o l 、t o k u r a 等人( 5 l 】和i s h i k a w a 等人 1 5 2 1 也对金刚石线锯的切割特性进行初步实验研究。 游离磨料金刚石线锯多采用多线往复式结构，为满足大截面切片和提高产量 的需求，导轮间距、导轮槽数和锯丝长度不断增大，提高了大尺寸硅锭的多件， 多片同时切割能力目前，d i a m o n dw ht e c h n o l o g y 公司生产的金刚石线锯最大 已能切割直径4 5 0 m m 的硅锭1 5 3 1 m e y e rb u r g e r 公司产生的d s 2 6 2 型线锯能 同时切割4 根长5 2 0 m m ，截面为1 5 3x1 5 3 m m 或直径为6 英寸的硅棒，一次切出 4 4 0 0 片i s 4 1 。h c t 公司的e 5 0 0 e d 8 型线锯则可同时对6 根长5 0 0 m m ，直径3 英寸 的硅棒进行切割，一次切出6 0 0 0 片【5 5 1 对游离磨料金刚石线锯切割机理的研究中，通常认为金刚石磨粒的微观切削 运动是一个滚动、嵌入过程l i 等人1 5 6 1 提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切 削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成表面裂纹和剥落片屑，形成 宏观的切割作用同时还发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之 下，并据此对磨料的选择进行优化k a o 等人瞪7 1 指出在“滚动一嵌入”模型中， 磨粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦，三者共同形成切削作用b h a g a v a t 等 人1 5 8 , s 9 1 n 在这个模型中考虑了磨浆的作用，通过有限元方法分析得到磨料浆薄膜 厚度和压力分布关于走丝速度、磨料浆粘度和切割条件的函数。文章认为磨料浆 薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生了切削 s a h o o 等人唧1 用有限元方法对薄片切割过程中锯丝的振动模型和热应力进行 了分析，提出了一个反馈控制算法，根据在线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度 等参数对切割过程进行控制w e i 等人陋1 1 对单晶和多晶棒以及氧化铝陶瓷材料进 行切割实验，建立了一个轴向运动的锯丝振动模型，通过振动仿真研究了锯丝张 紧力、切片的池壁效应和磨料浆阻尼对锯丝振动幅度的影响，认为锯丝振动受走 丝速度影响很小 1 s h i k a w a t 和s u b w a b e 等人 6 2 - 6 4 1 对磨浆在切割区的运动行为切割效率的影响进 行了研究o i s h i 等人【6 5 j ，c o s t a n t i n i 和c a s t e r l 6 6 1 ，n i s h i j i m a 等人i 叫分别从磨料浆 开发，分离、净化和回收设备等方面进行了研究 游离磨料金刚石线锯存在的主要问题是：为保持良好的切割能力，必须设法 s 山东大学硕士学位论文 保持磨粒的锐利性和在磨浆中合适的浓度；切割大尺寸坯料时，磨粒难以进入到 长而深的切缝；磨浆的处理和回收成本高；加工高硬度材料时，磨粒对相对较软 的钢丝磨损剧烈 1 3 2 固结磨料金刚石线锯 目前，固结金刚石线锯制造方法主要有三种：一种是将金刚石磨粒电镀于钢 丝基体上；第二种类似树脂结合剂砂轮采用树脂结合的方法制造；第三种则用机 械力将磨粒压嵌到钢丝中固结磨料的线锯切割与其它切割方法相比具有切割质 量更好、切缝更窄、效率更高、污染更小等优势，设备生产商和研究人员对之表 现出了极大兴趣并取得了一些突破性成果 文献 s n f j 使用树脂结合的方法得到了平均直径o 1 7 5 - - o 1 8 0 r a m 的金刚石锯 丝，日本的a l m t 公司则利用其专利树脂结合技术生产出了1 0 0 k i n 长的电镀金 刚石锯丝 3 1 c r y s t a ls y s t e m 公司使用电镀金刚石锯丝制造出了一台往复式多线 锯，利用圆柱形工件的自转和锯丝往复运动实现切割，用其切割直径5 0 r a m 的刚 玉，用时8 小时，切片总体厚度误差小于0 0 2 0 r a m ，表面粗糙度小于0 0 0 1 r a m ： 切割直径5 0 m m 的标准s i c 坯料表面粗糙度小于0 0 0 7 r a m 6 引 文献 6 9 ，7 0 对木材和泡沫陶瓷进行了切割试验，研究了固结磨料的金刚石锯 丝的寿命以及工艺参数对切割力、力比和加工表面粗糙度的影响文献【6 】使用d i a m o n dw i r et e c h n o l o g y 生产的固结金刚石线锯对单晶s i c 进行切割实验，研究了 进给速度对切片表面粗糙度和子表面损伤的影响，以及金刚石磨粒脱落和锯丝换 向时在加工表面产生的刮痕 高伟【7 l j 对环形电镀金刚石线锯的锯丝制造进行了探索，进行了花岗岩的切割 实验。建立了锯切力的理论模型，研究了锯丝失效机理 从固结磨料金刚石线锯技术发展来看，许多突破性技术申请了专利保护，设 备生产商在锯丝和设备研制方面进展较快，相对而言机理性研究滞后一些，尤其 是微观切削机理、表面质量控制、锯丝失效等方面的研究报道较为少见 9 山东大学硕士学位论文 1 4 硬脆材料加工机理研究 硬脆材料具有脆性大、断裂强度和屈服强度接近的特点，其锯切和磨削加工 不同于金属材料的塑性剪切过程，众多研究者深入研究了石材和陶瓷材料的加工 过程，建立起一系列硬脆材料加工模型，一定程度上揭示了硬脆材料的加工机理。 1 4 1 石材加工机理 石材的开发利用较早，其加工机理研究较为深入。文献【7 2 ，7 3 】认为在岩石材料 去除过程中，脆性崩碎行为占主导地位，同时，仍存在塑性变形区，而后者取决 于被划伤矿物的成分b i e n e r t i v 4 在博士论文中提出了单颗粒金刚石切削岩石的模 型，王成勇等【 5 j 6 1 提出了一个类似的大理石切削机理模型，如图1 2 所示m e d i n g 7 7 1 则提出如图1 3 所示的岩石切削机理。这些研究得出如下结论： 崩一 图卜2 大理石切削机理模型 图卜3 岩石切削机理模型 ( 1 ) 第一变形区( 磨粒前部及其附近区域) 压应力产生的剪切破坏，使岩石材料颗粒形成主切屑破碎，崩出和挤出加工区； 山东大学硕士学位论文 中央裂纹和侧向裂纹扩展生成切屑，中央裂纹在垂直于工件表面的平面内沿划痕 的方向扩展，最后或强或弱地转向加工表面，裂纹周期性呈现在划伤表面上；在 微划伤时，只有微剪切裂纹破坏产生，它使工件表面沟痕在光学显微镜下呈现出 发光点。 ( 2 ) 第- - 变形区( 磨粒底部) 对于石灰岩和大理石而言，在磨粒与岩石接触范围内的工作表面上，形成了一 个塑性变形区，工作表面光滑( 主要由压应力引起) ；强烈塑性层只有几微米厚； 花岗岩在接触区高温高压作用下，也会产生局部塑性变形。 ( 3 ) 第三变形区( 磨粒后部) 在与磨粒紧邻的地方，划痕表面的应力由压应力转化为拉应力，由于突然的弹 性应力释放，导致较大的切屑生成；同时产生由宏观细小岩石颗粒组成的塑性变 形切屑翘起 徐西鹏等【7 8 1 通过用扫描电镜观察石材的锯切表面发现：石英岩的断裂主要是 沿晶和穿晶形式，其变形方式主要由石英的变形方式所决定；花岗岩的主要构造 为石英、正长石和斜长石，变形特征由三者共同决定；其中云母解理最完整，最 易去除，其次是正长石和斜长石，而石英几乎不发生解理断裂，最难切割。 1 4 2 陶瓷磨削机理 陶瓷磨削机理研究主要集中在压痕断裂力学模型近似与切削模型近似研究 上压痕断裂力学模型近似是把陶瓷磨削中的磨粒与工件的相互作用看作小规模 的压痕现象陶瓷在维氏四面体压头作用下变形和断裂情况如图1 4 所示【叫在 压头作用下。在其正下方产生塑性变形区，从塑性区开始形成中央裂纹和横向裂 纹，中央裂纹通常导致材料强度降低，横向裂纹引起材料的去除。 研究发现中央裂纹的扩展不仅发生在加载过程，也发生在卸载过程中，卸载 后的稳定裂纹大小c 与加载力p 的关系为喁o l ： 寺啦卜t 妒略，督 小t ， 式中为硬度，e 为弹性模量，k l c 为断裂韧性，嘞压头相对棱边的夹角， 山东大学硕士学位论文 ；为常数。 图l _ 4 压痕断裂力学模型 上式所表达的关系只适用于所加载荷大于产生中央裂纹临界载荷的情况。临 界载荷p 为【s l 】： 矿4 p 5 4 5 c a b 7 2 ，2 x - “- 矛一- ) ( 1 - 2 ) j 其中，口、刁、，是常数，对维氏压头而言，口= 2 玎，q 一- - 1 ，j ，m 0 2 。 切削模型近似研究则主要使用磨削力测量、磨屑和加工表面形貌观察来研究 磨削机理 文献【8 2 ，8 3 】对不同硬脆材料磨屑的观察发现硬脆材料去除方式主要为脆性去 除。a 1 2 0 3 陶瓷的单磨粒刮擦实验表明：切深小于ll lm 时仅观察到塑性变形引起 的耕犁脊峰出现；切深为1 3 5i lm 时，在沟痕表面可同时观察到鳞状破裂和塑性 变形；切深大于1 0um 时引起大规模的破碎 文献【8 5 】研究了相邻磨粒划痕间距对材料去除率的影响，发现当间隔太大划痕 问不产生相互作用或间隔太小划痕重叠时，材料的去除率都很小，间隔适中时材 料去除率更大 文献 8 6 以- - 定切入角度模拟单个磨粒磨削陶瓷过程，材料经过摩擦和塑性变 形阶段达到一定临界深度后，进入脆性破碎阶段法向切削力在塑性区随切深增 大呈线性增加，进入脆性破碎阶段后则有所下降并不断波动表明虽然绝大多数 的材料是以脆性断裂方式去除。但磨削力和磨削能主要是被塑性流所消耗。 1 5 本课题研究的主要内容 根据以上综述和讨论，与传统切割工具相比环形电镀金刚石线锯( 为叙述方 山东大学硕士学位论文 便，下文中线锯均指环形电镀金刚石线锯) 具有加工能力强、切割速度高、切缝 损失小、切割表面完整性好等潜在优势而作为一种新兴的切割技术，目前的研 究和应用都很不够，尤其是在锯丝制作技术、切割工艺与机理、金刚石锯丝失效 方式与机理、精密成形切割中锯丝姿态与运动控制技术等方面，都有许多值得深 入探索的空白点。 本课题在已有的硬脆材料切割研究基础上，对金刚石线锯设备研制开发、切 割工艺技术、切割机理和锯丝磨损形式进行研究与探索。 ( 1 ) 设计制造满足实验要求的环形电镀金刚石线锯切割设备环形电镀金刚石 线锯目前还没有成熟的产品，本课题与外协厂商共同设计制造了一台实验切割机 床，使用外购锯丝组成实验切割设备 ( 2 ) 研究环形金刚石线锯切割工艺及其与加工质量问的关系目前尚无环形电 镀金刚石线锯切割陶瓷材料的相关报道，往复式电镀金刚石线锯切割实验研究也 很少，本课题使用陶瓷作为试件，对锯丝速度、进给压力和切削液对工艺和加工 质量的影响进行了初步探索 ( 3 ) 使用a 1 2 0 n c 陶瓷材料作为加工对象，研究金刚石线锯切割硬脆材料机 理。金刚石线锯切割与磨削加工同属磨料加工，在微切屑刃形态上具有相似性， 可借鉴陶瓷材料磨削加工的研究成果：同时线锯在工具形状、磨粒运动方式上不 同于磨削，加工机理具有其特殊性。 ( 4 ) 研究环形金刚石线锯磨损形式和过程，探索其磨损失效机理金刚石锯丝 的磨损是一个复杂过程，磨损锯丝的微观形貌观察仍是目前的主要研究手段。此 外，本课题使用有限元方法仿真分析了固定切向载荷条件下不同镀层磨损对磨粒 脱落的影响。 山东大学硕士学位论文 第2 章金刚石线锯实验切割装置的设计与制造 目前，固结磨料的环形金刚石线锯切割技术还处于实验研究阶段。国外一些 设备生产商研制了一些切割设备，其结构和原理各不相同，主要用于实验研究， 尚无实际应用的成熟实例为了节约实验经费，满足实验中安装测量仪器的需要， 并有利于下一步改进线锯设备，本课题与外协工厂共同设计制造了一台环形金冈i j 石线锯实验切割设备，型号j s c g 5 0 0 2 1 金刚石线锯切割设备工作原理 环形电镀金刚石线锯实验切割机结构原理以及切割力测量装置组成如图2 1 所示 123458 7嚣9i ot ij 21 3t 卜秸的2 - 张紫艳3 一床身- 导轮5 一t i i 熊6 一冷却喷嘴7 - e 动轮8 一上件 9 一夹具l o 一测力仗1 l - 丁件台1 2 - 也苟放大器1 3 - 数据采艇箱1 4 - 计算机 图2 - 1 环形电镀金剐石线锯实验台原理图 实验切割机床由床身、动力源，执行装置、进给装置、冷却系统和控制系统 组成，其中迸给装置使用恒力进给方式，结构简单，迸给力控制容易，进给速度 能够自动适应锯丝的切割能力，有利于保护锯丝和提高加工表面质量。具体工作 山东大学硕士学位论文 过程为：环形电镀金刚石锯丝5 套在主动轮7 ，导轮4 和张紧轮2 上，由张紧轮预 紧；主动轮由电主轴驱动，电主轴的转速由变频调速器控制，从而实现锯丝的可 调速切割运动；工件台l l 由砝码l 的重力牵引沿精密直线导轨运动，实现工件的 水平恒力进给；喷嘴6 用于对切割区施加冷却液，并在工作台下方设有冷却液回 收沟槽，循环使用冷却液。 切割力测量装置包括传感器、信号调理装置、记录和分析显示部分，其中， 压电式测力仪l o 将锯切力值转变成电荷信号，电荷信号由电荷放大器1 2 放大后 送入数据采集箱1 3 ，最后由计算机1 4 进行记录和显示 2 2 实验设备制造 2 2 1 实验台 根据上述原理，实验切割机床制造的关键是动力源、进给单元以及主动轮和 ： 导轮的制造装配精度实验机床采用博特科技有限公司的j s z d l 2 0 - 3 0 5 x g i 电主 轴，这是一种高速电主轴单元，采用精密高速角接触球轴承作支承，轴承使用油 脂润滑，定予座壳开通水槽用循环水强制冷却，电主轴在高速下运转工作平稳可 靠，其主要技术参数如表2 - l 所示。 表2 - 1i s z d l 2 0 - 3 0 5 x g i 电主轴技术参数 电主轴电源由时代公司的t v f 7 0 0 0 变频调速器提供，这一变速器具有高品质、 低噪声、多功能的特点，速度调节方便，故障保护功能完善变速器使用3 8 0 v 交 流电源，额定输出电流9 6 a ，适用电机功率范围为0 7 5 k w ，输出频率分辩率为 0 1 h z ，频率控制范围0 至4 0 0 h z 常用的导轨有滑动导轨和滚动导轨，滚动导轨的优点是摩擦系数小，动，静 摩擦系数很接近不会产生爬行现象，可以使用油脂润滑。相比较而言，本实验 装置首先要求导轨摩擦力小，而对承载能力和刚度要求较低，所以选择滚珠式直 山东大学硕士学位论文 线导轨。这种导轨运动平滑灵敏，可由砝码配重牵引实现恒压力进给。 锯丝振动是切割质量的重要影响因素，而主动轮和导轮的振动是锯丝振动的 主要激励源。主动轮和导轮振动一方面是由于加工和装配引入了位置误差，另一 方面是在高速旋转下由于质量不均匀而引起的动不平衡现象本装置主要考虑了 加工和装配的因素，装配时主动轮和导轮的端面跳动度控制在o 0 5 m m 以内，径向 跳动小于o 0 5 r a m ，主动轮和导轮的共面误差小于o 1 0 m m 。 加工区上方安装冷却液喷嘴，使用功率4 0 w ，排量1 2 l m i n 的三相电泵供液 工作台下方设有回收沟槽，使用过的冷却液通过导管回到水箱，经过滤处理循环 使用 2 2 2 锯丝 如何将金刚石磨粒可靠固结到细而柔软的钢丝上是众多设备制造商面临的难 题，目前主要使用图2 - 2 中所示的几种固结方法。图2 - 2 ( a ) 是使用电镀方法制成 的锯丝，镀前通常对磨粒表面预镀金属，以增加磨粒与镀层的固结强度；有的在 镀后使用激光处理以增强镀层的强度和耐磨性以及对金刚石磨粒的把持力。图2 - 2 所示锯丝使用树脂结合的方法制成，为提高耐磨性和抗扭曲强度，往往在树脂 结合剂中添加金属粉末。图2 - 2 ( c ) 则采用机械滚压的方法将金刚石磨粒压嵌到钢 丝上，磨粒部分露出表面形成切削刃。 a ) 电镀b ) 树脂结合c ) 压嵌 圈2 - 2 不同方法制造的金刚石锯丝 一般来说，电镀金刚石锯丝质量较好，但生产过程中镀液对环境污染严重， 长锯丝的制造效率低，因而生产成本较高【8 7 】：树脂结合荆金剐石线锯易于制造。 1 6 山东大学硕士学位论文 但耐磨性和耐热性均比电镀锯丝差，在硬质材料或加工点温度高的切割加工中难 以应用【8 8 】；而压嵌方法制成的锯丝其基体强度受到破坏，磨粒把持不够牢固，较 为少见。 本实验采用w e l ld i a m o n dw i r es a w s 公司生产的c w 2 2 5 环