硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究

硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究.txt43风帆，不挂在桅杆上，是一块无用的布；桅杆，不挂上风帆，是一根平常的柱；理想，不付诸行动是虚无缥缈的雾；行动，而没有理想，是徒走没有尽头的路。

44成功的门往往虚掩着，只要你勇敢去推，它就会豁然洞开。

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维普资讯 ２００７年６月金刚石与磨料磨具工程Ｄａｎ＆ＡｂａｉｅｇｎｅｎｉｍｏｄｒｓｖｓＥｎｉｅｒｇｉＪｎ．０７ｕｅ２０Ｓｉａ．５Ｎｏ３ｅｒ１１９．第１９期５第３期文章编号：０６—５Ｘ（０７００５０１０８２２０）３—０６—４硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究盂剑峰韩云鹏葛培琪（山东大学济南２０６）５０１摘要本文利用环形电镀金刚石线锯对硬脆材料单晶硅、Ｔ５陶瓷进行了切割试验，究了锯切力、料加工表面质Ｌ５研材量及锯丝的磨损。

研究发现，相同加工参数下，在切割Ｌ５Ｔ５陶瓷时的法向力与切向力之比小于单晶硅，与磨削相比，线锯加工的法向力与切向力之比非常小；在本实验条件下，单晶硅和Ｌ５Ｔ５陶瓷均为脆性去除方式；因为Ｌ５Ｔ５陶瓷断裂韧性高，同样加工条件下，在陶瓷加工表面质量优于单晶硅；恒进给压力条件下，锯丝速度增加，粗糙度值略微减小，恒进给压力增加，粗糙度值明显增大；丝首先在焊口处断裂，锯由于锯丝不能自转，沿锯丝圆周方向磨损不均匀。

关键词硬脆材料；环形电镀金刚石线锯；加工试验Ｔ１４Ｑ６文献标识码Ａ中图分类号Ｃｕｔｉｇｈａｄ－ｉｔｅｍａｅｉｌｔｎｌｓｔｎｒｂｒｔｌｔｒａｓｗｉｈｅｄｅｓｅｅｔｏｌｔｄｄｉｍｏｄｗｉｅｓｗｌｃｒｐａｅａｎｒａＭｅｇＪａｆｎＨａｎｅｇＧｅＰｅｑｎｉｎｅｇｎＹｕｐｎｉｉ（ｈｎｄｎｎｅｉ，ｉｎ２０６，ｈｎ）ＳａｇｏｇＵｉｒｔＪａ５０１ＣｉａｖｓｙｎＡｂｔａｔＴｅｃｔｎｘｅｍｅｔｆｉｃｎａｄＬ５ｅａｃｕｉｇｅｄｅｓｅｅｔｐａｅｉｏｄｗｒａｓｃｎｕｔｄｈｓｒｃｈｕｔｇｅｐｒｎｌｏｎＴ５ｃｒｍｉｓｎｌｓｌｃｒｌｔｄｄａｎｉｅｓｗｗａｏｄｃｅ．Ｔｅｉｉｏｓｉｎｏｍｃｔｎｏｃ，ｃｔｎｕｆｃｓｑａｉｎｅｒｏｒａｗｒｔｄｅ．ＴｅｎｒｌｏｔｎｅｔｌｏｃａｉｅｕｔｇＬ５ｕｔｇｆｒｅｕｔｇｓｒａｅｕｌｙａｄｗａｆｅｓｗｅｓｉｄｉｉｔｉｗｅｕｈｏｍａ－－ａｇｎｉｒｅｒｔｗｈｎｃｔｎＴ５ｔａｆｏｉｃｒｍｉｓｌｓｈｈｔｗｅｕｔｇｓｉｏ．Ｔｅｎｒａ－－ａｇｎｉｌｏｃａｉｎｗｉａｕｔｇｉｌｓａｒｎｉｇｅａｃｉｅｓｔａｔａｈｎｃｔｎｉｃｎｈｏｎｉｌｍｌｔｔｎｅｔｒｅｒｔｉｒｓｗｃｔｎｓｅｓｔｎｉｇｉｄｎ．ＯｏａｆｏｅｉｈｎｎｔｅｃｎｉｏｆｘｅｍｅｔｉｃｎａｄＬ５ｅａｃｗｅｅｒｍｏｅｎａｂｔｅｒｇｍｅｈｏｄｔｎｏｐｒｎ，ｓｌｏＴ５ｃｒｍｉｉｅｉｉｎｒｅｖｄｉｒｔｅｉ．Ｂｃｕｅｔｅｆａｔｒｕｈｅｓｏｅａｃｉｌｅａｓｒｃｕｅｔｇｎｓｆｒｍｉｈｏｃｉｉｈｒｔａｉｃｎ，ｔｅｃｔｎｕａｅｉｂｔｒｔａｉｃｎＦｒｃｎｔｔｆｒｅｆｅｓｈｇｅｈｎｓｌｏｉｈｕｔｇｓｒｃｓｅｔｈｎｓｌｏ．ｏｏｓａｏｃｅｄ，ｔｅｓｒｃｏｇｎｓａｄｃｅｅｉｆｅｉｎｈｕａｅｒｕｈｅｓＲｅｒａｓｆｓｓｇｔｉｅｉｃａｅｏｒｓｅｄｎｈｕａｅｒｕｎｓＲｉｃａｅｔｅｉｒａｅｏｏｓｎｅｏｃ．Ｔｅｌｈｌｗｔｔｒｓｆｅｐｅ．Ａｄｔｅｓｒｃｏｇｅｓｎｒｓｓｗｈｔｎｅｓｆｎｔｔｆｄｆｅｈｉｙｈｈｎｅｉｗｆｈｅｉｈｃｃａｅｒｂｅｋｇｆｒａｔｏｌｃｔｔｅｗｌｏｎ．ＦｒｔｅｗｒａａｏｅｆｒｔｔｔｅｗｅｌｏｓｎｔｅｅｒａａｅｏｅｓｗｏｋｐａｅａｈｅｄｐｉｔｏｈｉｅｓｗＣｎｔｓｌａｅ，ｈａｆｔｗａｏｖｎ．ｉｗｎｏ＂ｉＫｅｗｏｄｈｒ ? ｒｔｔｒａｓｅｄｅｓｅｅｔｏｌｔｄｄａｎｉｅｓｗｕｔｎｘｅｍｅｔｙｒｓａｄ?ｉｌｍａｅｌｎｌｓｌｃｒｐａｅｉｍｏｄｗｒａｃｔｇｅｐｒｎｂｔｅｉｉｉ随着科学技术的不断发展，晶硅、程陶瓷等硬单工脆材料在半导体工业、械工业、化工业等领域的应机石用越来越广泛。

切片是材料加工的一道重要工序，其采用电主轴和变频调速器，现了主轴的无级调速，实即锯丝速度的无级调速；了使进给速度能够自动适应为锯丝的切割能力，利于保护锯丝，件进给采用恒压有工加工质量的好坏直接影响后续工序的加工及最终加工质量。

环形电镀金刚石线锯切片这一新的加工技术具有切缝窄、切效率高、片质量好、环境污染小等锯切对优点。

因此，对这一加工技术进行深人系统的试验研力进给方式；冷却。

环形电镀金刚石锯丝长度为水２２ｍ，．５ｍ直径０５ｍ金刚石磨粒平均尺寸为０６．ｍ，．４ｍ。

－试验以锯丝速度、进给压力、恒材料作为可变的因究，揭示加工工艺参数与锯切力、加工质量、锯丝磨损问的关系具有重要意义。

素，考察材料的锯切力、加工质量、锯丝磨损等。

被加工硬脆材料为单晶硅、东大学自制的Ｌ５山Ｔ５陶瓷，其性能如表１所示。

ｌ试验设置环形电镀金刚石线锯加工机床为自己设计：过通山东省自然科学基金资助项目（２０Ｆ６Ｙ０６Ｉ）维普资讯 第３期孟剑峰等：硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究５７表１Ｌ５Ｔ５陶瓷与单晶硅的材料性能的，法向力时无退让作用。

另外，刚石线锯加工与受金磨削加工不同之处还在于金刚石锯丝在切割过程中锯丝整个加工面受到工件的夹持作用，要较大的切向需力来克服切屑和加工表面对锯丝的摩擦。

所以线锯加工时力比Ｆ／小于磨削时的力比Ｆ／，Ｆ。

２２￣－表面微观形貌分析．ｊｒｎ图３图４分别为单晶硅和Ｌ５、Ｔ５陶瓷在锯丝速度２试验结果及讨论２１加工工艺参数对锯切力之比的影响．为１／，０ｍｓ恒进给压力为４Ｎ时的加工表面微观形貌图。

图１图２为法向锯切力Ｆ与切向锯切力Ｆ之比、（Ｆ）Ｆ／的变化曲线。

可以看出，Ｔ５陶瓷的比值在Ｌ５０９．５—１０．３之间，晶硅的范围为１４单．６—１６。

Ｌ５．８Ｔ５陶瓷比值小于单晶硅，因为对于单晶硅，此加工条是在件下，给速度在０１３ｍｍｓ０７１ｍ／之问，进．４／至．４ｍｓ而切割Ｌ５Ｔ５陶瓷时，给速度在００２ｍ／进．１ｍｓ至０００．６ｍ／范围内，ｍｓ加工Ｌ５Ｔ５陶瓷时进给速度与锯丝速度相比非常小，小于加工单晶硅的进给速度与锯丝速度之比，而进给速度与锯丝速度之比越小，比Ｆ力／Ｆ越小。

图３单晶硅线锯加工ＳＭ图Ｅ霍晕蝼（丝速度Ｖ：１／，锯ｓ０ｍｓ恒进给压力Ｆ＝４Ｎ）锯丝速度Ｖｍｓ，／（）图１锯丝速度对力比的影响（恒进给压力Ｆ＝Ｎ）４霍量霍趟图４Ｌ５Ｔ５陶瓷线锯加工ＳＭ图Ｅ（丝速度Ｖ＝１ｓ恒进给压力Ｆ＝Ｎ）锯ｓ０ｍ／，４恒进给应力Ｆ（Ｎ）图２恒进给压力对力比的影响（丝速度＝１ｓ锯０）从图中可以看出，晶硅和Ｌ５单Ｔ５陶瓷加工表面都存在断续划痕和凹坑，面产生破碎，在微裂纹，表存材由文献［５知，３～］使用ＣＮ砂轮磨削氧化锆陶瓷Ｂ时力比Ｆ３—１，削氮化硅陶瓷时力比Ｆ／／Ｆ为５磨Ｆ为４９使用金刚石砂轮磨削氮化硅陶瓷时力比Ｆ—，／Ｆ为５—５５与之相比，刚石线锯切割时力比Ｆ／．，金Ｆ很小。

这是因为锯丝与砂轮比较很软，在法向力的作用下锯丝会弯曲，即锯丝有一定的退让，而砂轮是刚性料为脆性去除方式。

产生断续划痕的原因有两方面：一是锯丝上凸出高的磨粒随锯丝运动时产生的划痕，或脱落的磨粒粘附在锯丝上，随着锯丝的运动产生的划痕；二是锯丝不可避免的振动，丝的振动会促使金锯刚石磨粒任意地在材料表面产生划痕。

凹坑的产生是维普资讯 ５８金刚石与磨料磨具工程总第１９期５由于金刚石磨粒在切割过程中脱落后，被挤压嵌入加工表面所造成凹坑比划痕的深度大，材料表面质对量的损害更严重。

表面粗糙度研究，现：本试验的加工参数下，发在环形电镀金刚石线锯切割Ｌ５Ｔ５陶瓷材料得到的表面粗糙度比磨削抛光加工大，于金刚石锯片加工和电火花优加工，采用某些尺寸磨料的超声波加工相当。

与２４锯丝的断裂与磨损．由图３及图４还可看出，陶瓷表面质量优于单晶硅。

这是因为陶瓷断裂韧性高，４Ｎ恒进给压力的在情况下，瓷进给速度仅为００／，远小于单晶陶．２ｍｍｓ远图７所示为锯丝断面的ＳＭ照片，图可见，Ｅ由锯硅的０２８ｍ／，．３ｍｓ小的进给速度使得单个磨粒的最大压入深度减小。

２３加工工艺参数对加工表面粗糙度的影响．丝断面中央存在气孔缺陷。

气孔是锯丝在焊接过程中，溶解在焊接熔池金属中的气体在焊缝冷却时快速析出，焊接接头处形成的。

图７说明，丝的拉断首在锯图５图６为加工工艺参数对加工表面粗糙度的、影响。

由图可见，恒进给压力为４Ｎ的前提下，在当锯丝速度由６ｍｓ加至１ｓ时，于Ｌ５／增６ｍ／对Ｔ５陶瓷材先发生在焊口处，即焊口处强度低于锯丝基体强度。

料，粗糙度值Ｒ由０２１Ｉ．４ｍ减小至０１２Ｉ对于ｘ．７ｍ；ｘ单晶硅，粗糙度值Ｒ由０７２ｍ减小至０６６Ｉ．３．５ｍ，ｘ即锯丝速度增加，粗糙度数值减小，但因为是恒压力进给，化较小，当锯丝速度大于１／时，变且４ｍｓ由于锯丝振动，粗糙度数值反而增加。

当恒进给压力从４Ｎ增加至７Ｎ时，对于Ｌ５Ｔ５陶瓷材料，粗糙度值Ｒ由０．１５９ｍ增大至０４８Ｉ对于单晶硅，．７ｍ；ｘ粗糙度值Ｒ由０６９．８增大至１０１ｍ。

即恒进给压力增大，．９ａ锯丝断口）粗糙度数值增加。

同时可以看出，同样加工条件下，在Ｌ５Ｔ５陶瓷的加工表面粗糙度数值小于单晶硅。

ｇ憾爨爨图５ｂ气孔）图７锯丝断口ＳＭ图Ｅ图８是切割厚度为５ｍ长度为３ｍ的Ｌ５ｍ，０ｍＴ５陶瓷材料后锯丝镀层的磨损情况。

由图可见，由于锯丝在切割过程中无法实现绕自身轴线的旋转，与切参割的始终为锯丝的一侧（图示中央部分）而另一侧则，与主动轮产生摩擦力带动锯丝运动。

所以在锯丝的圆周方向，丝磨损是不均匀的。

参与切割的一侧磨损锯恒进给应力Ｆｆ）Ｎ严重，粒已完全脱落（落凹坑Ｄ）镀层磨损严重，磨脱，图６恒进给压力对粗糙度的影响（锯丝速度Ｖ＝１／）ｓ０ｍｓ对比文献［］Ｌ５６中Ｔ５陶瓷的磨削抛光加工、刚金石锯片切割加工、声波加工和电火花线切割加工的超而与导轮接触的一侧磨损较少，在锯丝上，还能看到完整的磨粒Ａ、局部破碎磨粒Ｂ、整体破碎磨粒ｃ。

维普资讯 第３期孟剑峰等：硬脆材料的环形电镀金刚石线锯加工试验研究５９（）３恒进给压力条件下，锯丝速度增加，Ｔ５陶瓷Ｌ５粗糙度值Ｒ由０２１ｍ减小至０１２Ｉ单晶硅由．４．７ｍ，ｘ０７２Ｉ．３ｍ减小至０６６ｘ．５ｍ，即粗糙度值略微减小；恒进给压力增加，Ｊ５陶瓷粗糙度值ＲＩ５Ｔ由０１５ｍ．９增大至０４８ｍ，晶硅由０６９ｍ增大至１０１．７单．８．９Ｉ粗糙度值明显增大。

线锯切割Ｉ５ｘｍ，Ｊ５陶瓷的表面Ｔ粗糙度比磨削抛光加工大，于金刚石锯片加工和电优火花加工，与采用某些尺寸磨料的超声波加工相当。

（）４由于焊口处强度低于锯丝基体强度，丝的锯断裂首先发生在焊口处；因为锯丝不能自转，锯丝圆沿周方向锯丝的磨损不均匀，降低了锯丝的使用寿命。

图８切割Ｌ５Ｔ５陶瓷的磨损锯丝ＳＭ图Ｅ参考文献１汪久根，ｙｕａ．硅晶体纳米压痕实验与应力场分析．ＲｍｚＺ摩擦学学报［］２０，１６：８Ｊ．０１２（）４８—４０９２艾兴，萧虹．陶瓷刀具切削加工［］Ｊ．北京：机械工业出版社，９８１８．３ＳｉＪ，ｎｓｏｉＭ，ＧｒｎｈｈＡＹｏｕｈｎｓＴａｔＭＢ，ｅａ．ＶｉｅｕｏｄＣｔ１ｔｏｓｂｎＢＮｗｅｌｆｒｒｈｅｏ３结论通过环形电镀金刚石线锯切割单晶硅和Ｌ５Ｔ５陶瓷的试验，出如下结论：得（）Ｔ５陶瓷的法向力与切向力之比在０９１Ｌ５．５～１０间，晶硅的范围为１４．３之单．６～１６，Ｔ５陶瓷比．８Ｌ５值小于单晶硅；线锯加工的力比小于磨削加工。