摘要：利用自制的實驗設(shè)備研究了電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工脆性材料。實驗結(jié)果表明，該種加工方法與相同實驗條件下的非施加超聲振動相比，具有加工效率高倘秸、表面質(zhì)量好、破碎小等特點眼骗，為硬脆材料的切割提供了一種新的有效的加工方法轨皮。

0、前言

用金剛石線鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mech于20世紀(jì)70年代提出。Ｗ.Ebner進(jìn)行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成的往復(fù)式試驗機床,金剛石鋸絲的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端,電機驅(qū)動輪鼓帶動鋸絲往復(fù)運動燎厘。Ｗ.Ebner用之進(jìn)行切割,得到了小于0.4ｍｍ的切片厚度脖嗽。20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。

Anderson,J.R使用日本Yasunager公司的YQ100金剛石多線鋸進(jìn)行了硅切片實驗,得到的切縫寬度小于0.16ｍｍ,表面損傷層深度小于5μｍ拆座。尤其是近幾年來,金剛石線鋸得到了快速發(fā)展,對其研究也更為深入。

一冠息、電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工

目前,固結(jié)磨料金剛石線鋸受制造工藝限制,應(yīng)用和研究相對較少挪凑。Clark等人使用木材和泡沫陶瓷作為試件,對切割力進(jìn)行在線測量,研究了固結(jié)磨料的金剛石鋸絲的壽命以及工藝參數(shù)對切割力、力比和加工表面粗糙度的影響逛艰。由于設(shè)備躏碳、資金和工藝的限制,國內(nèi)的研究多為自制實驗設(shè)備,并用石材作試件進(jìn)行實驗,從金剛石線鋸設(shè)備制造、切割質(zhì)量散怖、切割機理和失效機理幾方面進(jìn)行了探索菇绵。樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內(nèi)圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出,線切割硅片表面粗糙度大,外表面損傷大,但損傷層的厚度要小于常規(guī)內(nèi)圓鋸切割硅片,并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。高偉對固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進(jìn)行了研究,進(jìn)行了花崗巖的切割實驗,建立了鋸切力的理論模型,研究了鋸絲失效機理,用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因镇眷。

本文設(shè)計的超聲波線切割實驗裝置咬最，主要是使金剛石線鋸實現(xiàn)直線往復(fù)切割加工和超聲波切割加工及復(fù)合加工。要實現(xiàn)以上功能欠动，實驗裝置要完成的運動包括：

（1） 線鋸的往復(fù)運動永乌；
（2） 線鋸的超聲波縱振動；
（3） 線鋸的低速扭轉(zhuǎn)運動具伍；
（4） 工作臺X向的移動翅雏；
（5） 工作臺Y向的移動；

其中枉俗，線鋸的往復(fù)運動咒娶、超聲波振動是超聲波線切割加工的基本運動；工作臺的方向移動是為了加工成型表面营俘，同時便于工件的裝夾和定位吗罪。此外，線鋸的扭轉(zhuǎn)運動是保證工具的磨損均勻和工件的加工質(zhì)量毛凶。

1付昧、實驗方法

1.1實驗設(shè)備 實驗采用自制的USDW-1型超聲波線切割實驗機，主機功率0.75KW,調(diào)速范圍80~400rpm,行程為50~150mm連續(xù)可調(diào)找肤；

工具采用JR2型金剛石严齿，線鋸直徑為Ф0.3~1.0mm, 金剛石粒度為200~280#；如圖1

超生發(fā)生器的功率為250W踩林，頻率為20KHz骄闺，工具的最大振幅為20μm；
加工對象是氧化鋯陶瓷醋掖、玻璃剃袍。

圖1 電鍍金剛石線鋸的放大100倍的圖片

2黄刚、實驗結(jié)果及分析

2.1 粒度對加工效率的影響

圖2表示當(dāng)其他條件不變的情況下，線鋸直徑為Ф0.5mm, 金剛石粒度為140~280#轉(zhuǎn)速為200rpm,行程為100mm民效，側(cè)向壓力為5N憔维，超生發(fā)生器的功率為250W，頻率為20KHz畏邢，工具的最大振幅為20μm业扒；加工對象是氧化鋯陶瓷，金剛石粒度對加工效率的影響舒萎。由圖3可知程储，無論施加超聲振動的切割，還是未施加超聲振動的直線往復(fù)切割臂寝，其加工效率均是隨著金剛石的目數(shù)的增加章鲤，即粒度直徑的減小，加工效率降低咆贬。但是相同的條件下败徊，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復(fù)切割的效率要高。

圖2 磨料粒度與加工速度的關(guān)系

2.2 線鋸的轉(zhuǎn)速對加工效率的影響

圖3表示當(dāng)其他條件不變的情況下呆逼，線鋸直徑為Ф0.8mm, 金剛石粒度為200#,行程為100mm虫喝，側(cè)向壓力為5N，超生發(fā)生器的功率為250W秸铣，頻率為20KHz俊揣，工具的最大振幅為20μm；加工對象是氧化鋯陶瓷朱泞，線鋸的轉(zhuǎn)速對加工效率的影響乐太。由圖4可知，無論施加超聲振動的切割膀琐，還是未施加超聲振動的直線往復(fù)切割莉孽，其加工效率均是隨著線鋸的轉(zhuǎn)速的增加，加工效率提高苦旋。相同的條件下火晕，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復(fù)切割的效率平均提高2.5倍。很顯然偏秦，隨著線鋸速度的提高液珠，單位時間內(nèi)參加切割的金剛石磨粒數(shù)增多，因此辅甥，鋸切效率隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高酝润。同理，在相同條件下當(dāng)施加超聲振動后加工效率進(jìn)一步增加，也容易理解要销。

圖3 線鋸的轉(zhuǎn)速與加工效率的關(guān)系

2.3 側(cè)向力對加工效率的影響

從圖4的側(cè)向壓力與加工速度的關(guān)系可以看出构回，隨著側(cè)向壓力的增大，加工速度越高疏咐，當(dāng)側(cè)向壓力大于6N時纤掸，線鋸彎曲很嚴(yán)重，使加工不能正常進(jìn)行浑塞。相同的條件下借跪，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復(fù)切割的效率平均提高2.6倍。根據(jù)M. C.Shaw缩举、G.E.Miller和V.F. Kazantsevetal的理論都表明：壓力越大金剛石壓入材料越深，所以加工效率越高匹颤。同時仅孩，切向力也相應(yīng)增加。

圖4側(cè)向力與加工效率的關(guān)系

3卡催、表面質(zhì)量分析

本實驗表面分析采用上海產(chǎn)的金相顯微鏡和哈爾濱量具廠生產(chǎn)的2201型粗糙度儀分別對這兩種加工方法加工的零件表面進(jìn)行分析如圖5(a) (b)所示. 圖5(a)為未施加超聲振動時责名，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值Ra=1.3~1.5μm，圖5 (b) 為施加超聲振動時绘菲，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值Ra=0.7~0.8μm液炼，由此可見，施加超聲振動時的金剛石線鋸切割得到的表面粗糙度要低雄工。

圖5(a) 未施加超聲振動時金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值

圖5 (b) 施加超聲振動時金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值

圖6為未施加超聲振動時枕络，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷放大200倍金相照片，圖7為施加超聲振動時番产，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷放大200倍金相照片搜澈，從圖6和可以明顯地看到未施加超聲振動時，金剛石線鋸割氧化鋯陶瓷所產(chǎn)生明顯的切割條紋逞翰，而圖7中施加超聲振動時乏傀，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷雖然可以看到切割條紋，但是其切割條紋與圖6相比不很明顯吝都，這一結(jié)果與測量到的粗糙度值相一致杆坪。

圖6 為未施加超聲振動

圖7為施加超聲振動

4、結(jié)論

利用自制的實驗設(shè)備研究了電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工脆性材料鸿市，通過大量的實驗研究及測試,可得出如下結(jié)論：

(1) 該方法在硬脆材料切割方面是一種
切實可行的高效的加工方法锯梁，具有材料去除率高、加工質(zhì)量好焰情、經(jīng)濟(jì)性好等特點涝桅；

(2) 該加工方法與相同條件下的普通鋸切相比，加工速度平均提高2.5倍；

(3) 該加工方法與相同條件下的普通鋸切相比冯遂，表面粗糙度降低了近1倍蕊肥；其表面粗糙度為Ra=0.7~0.8μm；而且表面無明顯的切削條紋蛤肌；

(4) 上述的實驗結(jié)果只是初步的壁却，有許多問題有待進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。

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