薄型砂轮片的种类及制造原理介绍

薄型砂轮片的种类及制造原理介绍——核工业第八研究所第六研究室摘要本文简单介绍薄型砂轮片的结构原理、种类、磨料、结合剂、制造工艺、国内外发展概况以及我室研制并生产薄型金刚石砂轮片的情况。引言薄型砂轮片一般由磨料和粘合剂等组成的一个园环薄片状（如图1）。厚度在0.015-0.3毫米之间的一般称为薄型砂轮片，而厚度小于0.1毫米的也称为超薄型砂轮片。广泛应用于电子工业对各种硬脆材料进行切割或开槽加工，如硅、锗、磷化镓、神化镓、磷砷化镓、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷、光学陶瓷、玻璃等。具有切割精度高、割缝窄、使用寿命长等特点。使用时装在专用设备上可单刀使用也可多刀同时使用（如图2和图3）结构薄型砂轮片根据其结构可分为：a、整体型；b、金属基板支承型；c、表面电镀型；血与法兰一体型等。（图4为几种砂轮的结构原理图）种类薄型砂轮片的种类如图5。磨料砂轮片对工件的切割实际是对工件进行磨削，磨削时起主要作用的是砂轮片中的磨料。4.1磨料种类磨料种类主要有：刚玉类、SiC、金刚石、CBN（立方氮化硼）等。磨料选择时主要是基于磨料和工件材料的理化性能，依据磨料对工件材料的磨削能力及加工适应性来选择。刚玉类磨料适合磨削抗拉强度较高的材料；而SiC磨料则适合磨削抗拉强度低的材料。磨削难加工材料，高速及超高速磨削可选用CBN和金刚石超硬磨料。考虑化学磨损因素，人造金刚石砂轮适于磨削硬质合金、陶瓷等非金属难加工材料；而CBN砂轮可用来加工高钒高速钢、工具钢、耐热合金等一些金属难加工材料；SiC砂轮则不宜用来磨削钢，刚玉砂轮不宜磨削玻璃。薄型砂轮片主要用于电子工业对硬脆非金属材料的精密切割或开槽，所以在制造砂轮片时一般采用金刚石磨料或立方氮化硼磨料。金刚石磨料的特点：硬度高，硬度可达10000KG/MM2，耐磨性好，耐温在900r以下，高温下容易与铁属金属发生粘连。所以金刚石磨料一般适用于对硬脆非金属材料的切削，切削时必须要有强制冷却的条件；CBN（立方氮化硼）磨料的特点：硬度高，硬度可达8000-9000KG/MM2，硬

度仅次于金刚石，耐磨性好，耐温高可达1600°C，比金刚石高一倍；另外，对

铁元素的化学惰性高。所以CBN磨料一般能适用于对金属材料的切削，切削时可

以在自然的环境下进行而不需要强制冷却的条件。4.2磨料粒度砂轮片中磨料粒度的大小将影响割缝的性能，因此必须选择合适的磨料粒

度。粒度选择时主要根据工件材料和加工效率要求来确定，此外还要考虑磨削条

件如磨削液、机床及修整条件等。一般在满足割缝要求的前提下，为保证加工效

率，尽可能选择较粗粒度。薄型砂轮片为了保持砂轮形状精度及受到砂轮片厚度的限止，一般选用粒度在3u-60u之间的细粒磨料。薄型砂轮片在切割不同材料时，必须选择合适的磨料粒度，才能得到最佳的切割效果。表1为不同材质所选金刚石粒度时的参考。表1金刚石粒度切割材料金刚!|石粒度切割材料粒度号粒度尺寸（V）粒度号粒度尺寸（V）W55-3.5硅、磷化镓、砷化镓、磷神化镓、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂等W2828-20光学陶瓷、氧化铝陶瓷、未烧结陶瓷等W77-5硅、铁氧体、铌酸锂、钽酸锂、压电陶瓷等W4040-28W1010-7280#50-40氧化铝陶瓷、未烧结陶瓷、玻璃等W1414-10超厚硅片、铁氧体、压电陶瓷等240#63-50W2020-14光学陶瓷、压电陶瓷等4.3磨料浓度磨料浓度指砂轮片中磨料的多少，是砂轮片的重要持性之一。浓度过底，切削效率不高；浓度过高，砂轮强度差和砂轮消耗大。磨料浓度在粉末压制烧结型或树脂结合剂砂轮片中的定义为：每立方厘米的

体积中含4.4克拉金刚石定义为100浓度。薄型砂轮片其浓度一般在75-150之

间较为合适。电铸成型型砂轮片的金刚石含量一般用重量百分比表示，其含量一般控制在9-20%比较合适。结合剂结合剂在砂轮片中起到固结磨料作用，从而达到切削的要求。结合剂一般有

树脂型、金属型等，而金属型又有铜合金、竦合金等。每种结合剂都有一定的适

用范围。树脂结合剂有较好的弹性、自锐性及工艺性好，但耐热性及耐磨性较差，

一般用于割缝光洁度要求较高场合。金属结合剂具有强度高，耐磨性好，导热性

好等特点，所以是薄型砂轮片较为理想的结合剂。其缺点是自锐性较差，不易修

整。制造工艺6.1树脂结合剂制造工艺树脂结合剂薄型砂轮片主要由金刚石磨料或CBN磨料、酚醛专用树脂等组

成。目前厚度最薄的砂轮片可做到0.1毫米。制造原理及工艺流程如下：原理：将树脂粉与金刚石混合后加入到成型模具中，用热压的方法压制固化而成。6.2金属结合剂制造工艺金属合金结合剂薄型砂轮片主要由金刚石磨料或CBN磨料、金属合金等组成。制造工艺主要采用粉末冶金法和电铸成型法二种。6.2.1粉末冶金法制造工艺粉末冶金法制造工艺可制取多种不同合金成份结合剂的砂轮片，以满足不同材料的切割要求，而被广泛应用。其制造工艺一般有二种，艮即热压法和冷压法。二种方法的制造原理及工艺流程如下：a、 热压法原理：将金属粉末与金刚石混合后加入成型模具用热压的方法压制烧结而成。特点：此工艺所需压机砘位可较小，制取砂轮片精度较好，砂轮片强度高、使用寿命长；但模具由于采用石墨模，故模具寿命较短，采用真空热压机设备，所以设备资金投入较大，批量生产周期长效率低，生产成本较高；另外，砂轮片厚度最薄只能做到0.1毫米以上。b、 冷压法原理：将金属粉末与金刚石混合后加入成型模具用冷压的方法压制成型，然后再烧结而成。特点：此工艺较简单，模具寿命长，批量生产周期短效率高，生产成本低；但所需压机砘位较高，制取的砂轮片精度不高。砂轮片厚度最薄只能做到0.1毫米以上。6.2.2电铸成型法制造工艺原理：用一个金属基板作阴极，一个电解镍板作阳极，将二极板放入含有金刚石磨料的电铸溶液中，将阴极接直流电源的负极，阳极接直流电源的正极，当接通电源后，溶液中的磨料与金属离子在阴极上均匀共析，以获得金属与金刚石磨料均匀混合的复合电铸层。当电铸层厚度达到要求后将阴极取出溶液，清洗烘干后再将电铸层与阴极基板分离，然后用冲模冲制成规格尺寸。特点：工艺简单、批量生产周期短、制取的砂轮片精度好、强度高、寿命长、生产成本低等；砂轮片厚度最薄可做到0.015毫米。因此，被广泛用于制取超薄型砂轮片。工艺的不足之处：只能制取镍合金结合剂的砂轮片，此结合剂的砂轮片不能满足所有材料的切割要求。6.2.3表面电镀法制造工艺原理：将金属薄板加工成一定直径的园基片，在园基片的外园处，用电镀的方法镀上一层金属和金刚石的复合层而制成砂轮片。特点：工艺简单，生产成本低；但精度差，使用寿命短，砂轮片厚度只能做到0.3毫米以上。7.薄型砂轮片被广泛应用于电子工业对各种硬脆非金属材料的精密切割或开槽加工。表2举例说明薄型砂轮片的使用领域、加工材料及加工方式。表2序号使用领域加工材料加工方式1二极管、三极管、集成电路、太阳能电池板、发光二极管、PCB板、封装器件等硅、锗晶片、树脂材料等切割（或称划片）2B超机探头压电陶瓷开槽3贴片电阻、贴片电容、厚膜电路、热敏电阻等陶瓷片切割4制冷元件锑化铋切割5氧化膜、金属膜电阻氧化膜、金属膜层螺旋形切割6光电器件玻璃、石英晶体切割或开槽7磁头铁氧体、陶瓷切割或开槽8照明器件石英管、玻璃管等切割9滤波器铌酸锂、钽酸锂切割或开槽随着信息电子产业的飞速发展，对微型电子元器件及集成电路的切割要求越

来越高，而且切割的量也越来越多。据资料介绍，世界上薄型砂轮片的年销售额

达5亿多美元。目前，该类产品的市场主要被日本、美国、以色列等世界领先的

公司所占领。这些公司所生产的刀具性能稳定、规格种类齐全、具有很高的切割

精度。我国电子工业正步入一个飞速发展期，对精密切割工具的需求也进入了高速增长期。但是由于国内该类产品发展起步较晚，其性能还存在诸多的缺陷，不能满足国内市场快速发展的要求，每年从国外进口大量的各种类型的薄型金刚石砂轮片，消耗国家大量的外汇。在国内，对薄型砂轮片进行研究和制造并打入市场的企业很少，目前，在这一领域处于国内较领先的企业只有我们所和国内XX。现将二家的产品及特点例于表3。从表3看，二家的产品不完全相同，但都有其特点，不能相互取代，因此，都有其发展前景。我所有开发用粉末冶金法制取薄型砂轮片的计划，目前在做这方面的调研和试验工作。表3企业名称制造工艺结合剂厚度范围（MM）特点国内XX粉末冶金法铜合金0.1以上制造工艺复杂、成本高，厚度0.1毫米以下制造难度较大，但砂轮片自锐性较好，割缝光洁好。核工业第八研究所电铸成型法镍合金0.015-0.5制造工艺简单、成本低，厚度最薄可以做到0.015毫米，但砂轮片的自锐性没有铜合金结合剂好。8. 我所研制并生产薄型金刚石砂轮片的情况介绍8.1我所薄型砂轮片发展概况我所从80年代初开始从事金刚石薄型砂轮片的研制，20多年来，先后成功研制了END-112型、CND型、END-421型金刚石砂轮片、金刚石外园切割片、金刚石滚磨砂轮、金刚石倒角砂轮、ENB型电阻刻槽砂轮等产品。其中END-112型和CND型金刚石砂轮片是我所第一个通过技术鉴定的军转民项目。目前，END-112型金刚石砂轮片和ENB型电阻刻槽砂轮已成为我室的主要产品，其它产品每年也有一定的销量。20多年来，由于市场不景气，发展不快，但我室一直坚持了下来。近年来，随着我国电子信息产业的飞速发展，我室的薄型金刚石砂轮片产品也得到了较快速度的增涨。我所研发并生产的金刚石砂轮划片刀其性能不断在提高（切割3英寸硅片，

寿命达30-50万条线），并已逐步形成了规格的系列化，销售价格也相当的便宜

（软刀的价格是disco同类产品的三分之一），但在实际推广应用上也碰到较大因

难。首先，我国在一些高端划片企业，很多是国外及台湾的独资或合资企业，这

些企业很少采购国内的产品；另外，我所的划片刀与进口的品牌产品相比，在某

些方面确存在一定的差距，因此很多高端划片企业不会轻易使用；其次，我所在

产品的宣传上做得不够，实际上很多划片企业对我所的产品并不了解。今后我们

将加倍努力，加快赶上国际先进水平，使我所的超薄型金刚石砂轮片更好地为我

国电子工业的快速发展而服务。END型金刚石砂轮片和ENB型电阻刻槽砂轮的结构END型金刚石砂轮片和ENB型电阻刻槽砂轮的实物如图6、图7、图8。END112及ENB型砂轮片为一园环薄片状（也称软刀），END412型砂轮片为铝合金法兰与园环薄片状砂轮片组合而成（也称硬刀）；外径一般在50-100毫米之间，内径一般在6-40毫米之间，厚度在0.015-0.5毫米之间；结合剂为金属镍合金；磨料：为人造金刚石磨料，粒度一般在5-60微米。END型金刚石砂轮片和ENB型电阻刻槽砂轮的用途8.