游離磨料線鋸切割機改造與試驗

李子法， 王志， 王金生

（1.臺州職業技術學院機電工程學院，浙江臺州318000；2.新杰克縫紉機股份有限公司，浙江臺州318000）

游離磨料線鋸切割機改造與試驗

李子法1， 王志2， 王金生1

（1.臺州職業技術學院機電工程學院，浙江臺州318000；2.新杰克縫紉機股份有限公司，浙江臺州318000）

游離磨料多線鋸切割技術廣泛應用于硅碇、水晶等材料的切片加工。為了方便研究游離磨料線鋸的切割機理、切片工藝等，對電火花線切割設備進行改造，使其滿足游離磨料線鋸切割的要求。并采用φ0.14 mm的鋼絲線，對水晶材料（K9）進行切割實驗，結果表明改造的切割設備滿足切割實驗需求，為后續的實驗提供了基礎保障。

線鋸；切割；設備改造

0 引言

圖1 多線鋸切割機示意圖

多線鋸切割技術是目前切割硅片、水晶等材料最常見的方法。它主要是通過一根鋼絲線來回繞成一排線網，并具有一定的張緊力，然后通過一定的線速度將帶有SiC磨粒的漿料帶入切割區域，達到切割工件材料的目的［1-3］，如圖1所示。為了方便研究游離磨料線鋸的切割機理、切片工藝等，筆者對電火花線切割設備進行改造，使其滿足游離磨料線鋸切割的要求。并對水晶材料（K9）進行切割實驗，結果表明改造的切割設備滿足切割實驗需求，為后續的實驗提供了基礎保障。

1 切割機改造

電火花線切割設備對工件進行加工時，工件是水平放置，鉬絲線是垂直進行切割的，這與多線鋸切割設備（水平加工）有所不同，因此需要對其進行改進。主要增加一個裝置，即將原來垂直的線轉化成水平線，如圖2所示。該水平裝置主要由4個導輪、2個立柱和一個底座組成，其作用就是通過導輪將線從垂直狀態變成水平狀態。

電火花線切割設備只能實現X、Y方向的自動運動，Z方向是靠人工調整高度，而進行游離磨料線鋸切割實驗時，只要水平轉化裝置安裝好后，不需要進行X、Y方向的運動，只需要Z方向的進給，而設備沒有Z方向進給系統。因此，還需要自制一個工作臺，以便實現Z向的進給。

圖2 線切割設備改造示意圖

圖3為工作臺示意圖。它主要由工作臺、導軌、支架、配重等部分組成。線鋸在切割時，磨粒在切割區域主要依靠線鋸對它的作用力以及線速度來切割工件材料的。因此，設計的工作臺是一個恒力進給工作臺，主要依靠配重的大小來決定切割的速度。

圖3 工作臺示意圖

2 切割試驗

2.1 切割條件

采用 φ0.14 mm的鋼絲線，對水晶材料（K9）進行切割，水晶材料的切割截面大小為40 mm×40 mm，漿料主要由1 500#碳化硅磨粒（平均粒徑為10滋m）和聚乙二醇300組成，按照質量比0.9∶1的比例配制而成。切割線速度為11 m/s，配重質量為370 g，進行3次重復實驗。圖4為工件切割時的照片。

圖4 切割實驗示意圖

2.2 切割結果

圖5為切割效率圖。線鋸切割的效率是指單位時間里，在切割方向上的距離，即切割距離除以切割時間。從圖5中可以看出3次的切割效率比較穩定，其值在0.7 mm/min上下。

圖6為切割工件后形成的切縫形貌，以及切縫寬度和帶崩邊寬度示意圖。從圖中可以看出切縫邊緣有崩邊現象，這主要是由于漿料在線速度的帶動下沖擊切口時所形成的。

圖5 切割效率圖

圖6 切縫形貌及切縫寬度意圖

圖7 切縫寬度和帶崩邊寬度

圖7為3次切割的切縫寬度和帶崩邊寬度。從圖中可以看出 3次的切縫寬度和崩邊寬度相對比較穩定，平均值分別為175.82滋m和225.28滋m。Beesley等學者通過研究得到切縫寬度的經驗公式為［4-5］：

式中：X為切縫系數，其值一般在2～4之間。主要與切割速度等工藝有關。

根據式（1），可得切縫系數X=（175.82-140）/10≈3.5。滿足此經驗公式。這也表明改造的設備是滿足切割要求的。

圖8 切割表面粗糙度

圖8為三次切割后的表面粗糙度。從圖中可以看出3次切割后的表面粗糙度相對也比較穩定，均值在Ra0.61。

3 結語

對電火花線切割設備進行了改進，將其垂直切割的方式轉變為水平的切割方式，同時自制了工作臺，實現Z向進給，使其滿足與多線切割設備相似的功能，同時對改進的設備進行切割試驗，結果表明改造的切割設備性能比較穩定，能滿足切割實驗需求。

［1］ Bhagavat M，Prasad V，Kao I.Elasto-Hydrodynamic Interaction in the Free Abrasive Wafer Slicing Using a Wire saw:Modeling and Finite Element Analysis［J］.Journal of Tribology，2000，122（4）：394-404.

［2］ M?ller H J.Basic Mechanisms and Model of Multi Wire Sawing［J］.Advanced Engineering Materials，2004，6（7）：501-513.

［3］ 葛培琪，孟劍鋒，陳舉華，等.硅晶體精密切片技術及相關基礎研究［J］.工具技術，2005，39（9）：3-5.

［4］ Beesley J G，Sch?nholzer U.Slicing 80 Micrometer Wafers-Process Parameters in the Lower Dimensions［C］//Proceedings of the 22nd European PVSEC，Milan，2007：956-962.

［5］ Weber B，Bierwisch C，Kübler R，et al.Investigation on the Sawing of Solar Silicon by Application of Wires of 100滋m Diameter［C］//Proceedings of the 23rd European PVSEC.Valencia，2008：1285-1288.

（編輯：立 明）

Epuipment Modification and Cutting Test for the Free Abrasive Wire Saw

LI Zifa1,WANG Zhi2,WANG Jinsheng1
（1.Department of the Mechanical and Electrical Engineering,Taizhou Vocational and Technical College, Taizhou 318000,China；2.New Jack Sawing Machine Co.,Ltd,Taizhou 318000,China）

At present,free abrasive multi-wire saw technology has been widely used in slicing silicon ingots,crystal and other materials.To study the sawing mechanism and slicing process,the EDM wire cutting equipment is modified to meet therequirements of free abrasive wire saw cutting.φ0.14 mm steel wire is used to cut the crystal material(K9). The results show that the modified cutting equipment can meet the requirements of cutting experiments,and can provide a basic guarantee for the subsequent experiments.

wire saw；cutting；equipment modification

TK 403

A

1002－2333（2014）04－0067－02

李子法（1965—），男，高級工程師，主要研究方向為機械設計與制造工藝。

2014-01-22

浙江省公益性技術應用研究項目（2012C31011）