超聲切割SiC單晶時金剛石線鋸磨損特性的研究

王肖燁

(寶雞文理學院機電工程系，陜西寶雞 721007)

0 前言

超聲線鋸切割SiC單晶時，必然受到工件的反作用力。從經濟角度考慮，除了工件材料外，金剛石線鋸的壽命對切割加工的影響最大。徐西鵬等［1－2］對金剛石圓盤鋸鋸切花崗巖時金剛石磨粒的磨損機制和形態進行了研究發現，鋸切硬脆材料時，將會產生磨粒的破碎、脫落、鎳鍍層磨損甚至線鋸的斷裂從而失效，黃輝等人［3］用串珠繩鋸鋸切花崗巖時發現金剛石磨粒的磨損特性與徐西鵬的結論類似，姚勛和胡超［4－5］用金剛石線鋸對SiC單晶進行了切割發現，線鋸受到較大鋸切力作用后，線鋸會繃斷或者崩片，趙禮剛等［6］用金剛石線鋸切割半導體陶瓷時發現線鋸宏觀失效形式主要有基體拉斷和疲勞斷裂兩種。附加超聲振動后，線鋸失效及磨損機制不同于一般的金剛石刀具，為了提高線鋸使用壽命和加工效率并降低加工成本，本文作者對超聲輔助切割SiC單晶時工件進給速度對線鋸偏角的影響、切割方式對線鋸磨損的影響、切削液對線鋸磨損的影響以及磨粒破壞形式對線鋸切割性能的影響進行了相關實驗及分析。

1 超聲輔助線鋸切割模型及理論分析

1.1 超聲輔助線鋸切割模型

圖1為超聲線鋸切割SiC單晶模型。切割SiC單晶時，理想狀態下線鋸與工件為點接觸，如圖1(a)所示。但是，線鋸是個柔性體且SiC單晶為超硬脆材料，工件進給為恒進給，這就使得線鋸切割能力與工件進給量之間不完全匹配，因此實際切割狀態下線鋸與工件為弧接觸，如圖1(b)所示。

圖1 超聲線鋸切割模型

1.2 線鋸失效形式

通過試驗發現，超聲線鋸切割SiC單晶時，線鋸的失效形式有兩種，分別為微觀失效(磨粒的磨平、破碎、脫落及鍍層磨損，如圖2所示)和宏觀失效(疲勞斷裂和線鋸拉斷，如圖3所示［6］)。

圖2 線鋸磨損前后SEM微觀形貌圖

圖3 宏觀失效斷口SEM圖像

1.2.1 微觀失效

由圖3可知，新的金剛石磨粒形狀完整，切削刃鋒利，使用后的磨粒出現磨平、破碎、脫落(分別為①、②、③處)及鍍層磨損(如④處)。圖3(b)雖然為使用過一段時間后的線鋸，但表面依然存在一些完整晶形的金剛石磨粒，這是由于磨粒分布在線鋸圓周方向，而切割過程中線鋸只有一側磨粒參與切割，這就使得參與切割的一側磨粒受損比較嚴重，另一側磨粒還呈現完整形貌。在圖3(a)中，部分磨粒在沒有發揮切削性能的時候已經整體脫落，因此為提高線鋸壽命、發揮金剛石的切割能力，線鋸制造過程中應研究新措施來提高磨粒的把持力。

1.2.2 宏觀失效

1.2.2.1 線鋸的拉斷

線鋸基體所受應力值超過其抗拉強度就會產生斷裂。試驗過程中，引起線鋸斷裂的原因有很多，主要包括:預緊力過大、工件進給率太大而導致的側向壓力過大和因工作臺爬行導致工件對線鋸的突然沖擊等。線鋸一旦斷裂，切割加工將無法繼續進行，因此應避免線鋸受到的拉應力超過其抗拉強度。試驗中，線鋸所受應力有:

(1)圖4為線鋸受力模型。其中，F1、F2為切割點兩側線鋸所受拉力;α、β為上下偏角;FN為工件對線鋸的法向力;FT為工件對線鋸的切向力;FNc為超聲波對線鋸的壓力，MNc=FNcc。

圖4 金剛石線鋸受力模型

根據力的平衡，可以得到:

則:

從式(2)可知，F1＜F2，故只需考慮由線鋸拉力F2產生的拉應力。其值為:

式中:As為線鋸橫截面面積。

(2)線鋸轉過導輪時，產生彎曲應力σa

式中:d為線鋸直徑;ρ為導輪曲率半徑，且ρ=D/2(D為導輪直徑);E為線鋸彈性模量。

(3)慣性離心力產生的線鋸應力

圖5所示為線鋸慣性離心力示意圖。

圖5 線鋸慣性力示意圖

由于D?d，因此可以假設線鋸內各點向心加速度大小相等，即αn=D/2ω2，方向由圓心指向外，單位體積內慣性力為:

則

式中:ms為線鋸單位體積質量。

設σb為線鋸抗拉強度，為保證切割平穩進行，取安全系數ξ=1.2。由應力疊加原理可知，線鋸不被拉斷的的條件為:

有

即

把式(2)代入式(10)可得:

由實驗可知:

由式(12)可知，要想通過增大工件進給速率vx提高效率，必須提高線鋸強度，增大導輪直徑，降低線速。

1.2.2.2 線鋸的疲勞斷裂

線鋸疲勞斷裂的原因主要是因為長時間的交變應力。切割過程中，線鋸往復式運動及超聲振動使得線鋸處于交變應力作用下，易產生疲勞斷裂。線速vs及超聲頻率f越高，交變應力越大，線鋸的壽命也就越短。因此，在工件進給速率不變的情況下，盡可能地降低線鋸速度及超聲頻率或增大線鋸的有效切割長度。在實際切割過程中，一般線鋸只能使用一次，只要工藝參數合理，線鋸在切割過程中一般不會出現疲勞斷裂。

2 實驗部分

超聲輔助金剛石線鋸切片技術目前還處于實驗研究階段，為便于安裝測量設備及節約成本，本實驗所用機床由沈陽麥科材料加工設備有限公司生產的WXD170型往復金剛石線旋轉點切割機改裝而成，如圖6所示。改裝后機床的主要技術參數為:超聲振幅:0～20μm;頻率:19.8 kHz;線鋸直徑:0.2～0.6 mm;線鋸速度:0～3 m/s、無級可調;工件進給速率:0.005～18 mm/min;工件轉速:0～36 r/min;x軸移動平臺行程:120 mm;y軸移動平臺行程:120 mm;氣動張力:0～0.6 MPa，無級可調。

圖6 切割機床

實驗所用金剛石線鋸直徑0.3 mm，磨粒尺寸30～40μm，總長50 m，氣動張力F=0.24 MPa。SiC單晶棒由本校新型半導體功能材料與設備研究中心提供，采用PVT法生成，直徑60 mm，切片厚度0.8 mm。

3 結果與討論

3.1 工件進給速度對線鋸偏角的影響

圖7為線鋸上下偏角測量方法。切割過程中，用照相機每隔20 min拍攝線鋸彎曲狀態。對所得照片添加輔助線，得到線鋸上下偏角α、β值。圖8為線鋸上下偏角α、β測量結果(F=0.22 MPa、A=16 μm、f=19.8 kHz、vs=1.9 m/s、nw=20 r/min)。

圖7 線鋸偏角測量

結合切割過程及圖8可知，工件進給速率vx=0.15 mm/min時，線鋸斷裂;vx=0.125 mm/min，線鋸彎曲嚴重，且有部分上下偏角超過9°。雖然大的工件進給速率會提高切割效率，但為保證實驗順利進行，后續實驗中vxmax=0.1 mm/min。當然，vx過小，切割效率會降低。

通過實驗條件可知:vs=1.9 m/s、d=0.3 mm、ρ=16 mm，α=β=8°，線鋸抗拉強度σb=3 200 MPa，代入公式(11)及(12)得:

通過計算可知，σ慣相對于σb、σa可以忽略不計。

圖8 偏角測量結果

綜上所述，工件進給速率vx及超聲振幅A增大、線鋸所受法向力增大、線鋸彎曲增大、彎曲應力增大，線鋸易被拉斷;但vx及超聲振幅A過小，切割效率會降低。

3.2 切割方式對線鋸磨損的影響

圖9為金剛石線鋸磨損過程示意圖。從圖中所示的磨損規律可知，AB段為初期磨損階段，CD段為后期急劇磨損階段，均屬非正常磨損，因此為提高實驗測量數據可靠性，在記錄實驗數據之前，應對每根線鋸使用一段時間之后，避開AB段再開始采集數據，后期急劇磨損階段不采集數據。

圖9 線鋸磨損過程示意圖

用外徑千分尺來測量線徑，JSM-6700F掃描電鏡掃描線鋸形貌。將工作段線鋸均分成50段并測量各段中點線徑值。切割1.5 h之后的開始測量，其后每切完1片測量1次，線鋸磨損用如下公式表示:

式中:dwi為切完第i片線鋸直徑的減小量，i=1、2、3…;d0為初始直徑;dij為切完第i片后第j個點線徑。

圖10為線鋸磨損量對切割時間的影響(vs=1.9 m/s、vx=0.08 mm/min、nw=16 r/min)。從圖中可知，未加超聲時，線鋸隨切割的進行急劇磨損，大約12 h左右基本喪失切割能力;附加超聲后，切割初始階段線鋸磨損較快其后逐漸趨于平穩，直至20 h左右時還存在切割能力，磨損量降低大約為40%。

圖10 線鋸磨損量對切割時間的影響

圖11 工件進給速率對線鋸壽命的影響

圖11為工件進給速率對線鋸壽命的影響(vs=1.9 m/s、nw=16 r/min、把磨損量30μm作為線鋸壽命極限)。可以看出，工件進給速率越大時超聲振動作用就越明顯。這是因為未加超聲作用時線鋸和工件表面直接接觸使得摩擦力太大且切割區溫度太高，結果降低了鍍層對金剛石磨粒的把持力、從而導致磨粒發生脫落或者石墨化，線鋸切割能力降低;附加超聲振動后，線鋸與工件脈沖接觸，切屑及時排出使得摩擦力大幅減小、鍍層磨損降低且磨粒脫落和石墨化降低、切割成本降低［7］。

3.3 切削液對線鋸磨損的影響

切削過程中，正確選擇切削液可以有效降低摩擦、切削溫度、減小刀具磨損、提高刀具耐用度、改善工件表面粗糙度且保證工件加工精度，達到最佳的經濟效果。切削液通常依據機床、刀具、工件材料等綜合考慮進行選擇。切削過程中，切削液共有冷卻、清洗、防銹、潤滑4大功能。本實驗根據SiC單晶的材料性質和金剛石線鋸特性，將清洗作為首要目標，選Ecocool ResistEP微乳化液和自來水為切削液進行試驗。

圖12為切削液種類對線鋸影響的SEM圖。由圖中可知，與使用自來水為切削液的線鋸相比，使用Ecocool ResistEP微乳化液后線鋸表面堵塞比較嚴重。這是因為SiC單晶屬超硬脆材料，切割過程中會產生大量的切屑及少量破碎的金剛石顆粒，因線鋸上金剛石磨粒作為刀具出刃高度本身很低，而微乳化液的清屑能力較含有活性劑的自來水差，線鋸表面的堵塞粘附使得SiC單晶切屑和脫落的金剛石磨粒一起作用滑擦晶片表面，因此摩擦力增大、切削力相應增加。嚴重時產生崩片。

圖12 切削液對線鋸的影響

3.4 磨粒破壞形式對線鋸切割性能的影響

SiC單晶切割過程中，金剛石磨粒的理想壽命周期應該是:完好—小塊破碎—大塊破碎—磨鈍或是磨平—脫落。一顆金剛石只有完成了這一理想壽命周期，才能充分發揮它的切削作用。磨粒的不同破損形式對其切割性能的影響如下:

(1)完好形狀:金剛石磨粒剛剛出刃，未經磨損，呈現完整形狀。此時，金剛石磨粒具有較好的切割能力。

(2)小塊破碎:加工過程中，金剛石磨粒經歷了一定的機械沖擊及磨蝕，磨粒表面出現微小破碎、產生微小切削刃，有利于切割。但是這種情況加劇了磨粒的破碎過程、影響線鋸使用壽命。

(3)大塊破碎:失去原有的完整形態。嚴重影響切割能力，甚至可以說失去了切割能力。由于破碎嚴重，金剛石磨粒出刃高度降低，影響切削性能。

(4)磨鈍或磨平:機械摩擦作用造成磨粒表面呈現圓弧面及平面狀磨損。同時，切削熱加快磨粒表面石墨化速度、造成表面拋光。此種磨粒已失去切削能力。

(5)脫落:切削熱導致金剛石磨粒與基體間的結合劑鎳鍍層出現軟化、把持能力降低，使磨粒直接脫落。金剛石脫落數越多，參與切割的金剛石顆粒數就越少，加快了刀具的磨損速度［8］。

4 結論

(1)工件進給速率及超聲振幅增大、線鋸所受法向力增大、線鋸彎曲增大、彎曲應力增大，線鋸易被拉斷，但過小，切割效率會降低，要想通過增大工件進給速率提高效率，必須提高線鋸強度、增大導輪直徑，降低線速。

(2)超聲輔助切割時線鋸磨損降低約40%。

(3)使用Ecocool Resist EP微乳化液做切削液時線鋸表面堵塞比較嚴重。

(4)金剛石磨粒表面出現的微小破碎有利于切割進行。

［1］徐西鵬，沈劍云，黃輝．鋸切花崗石過程中金剛石節塊磨損特征及影響因素分析［J］．摩擦學學報，1998，18(2):162－166．

［2］徐西鵬．巖石材料的金剛石鋸切研究進展［J］．機械工程學報，2003，39(9):17－22．

［3］黃輝，黃國欽，郭樺，等．鋸切花崗巖過程中金剛石串珠鋸的磨損特性［J］．機械工程學報，2008，44(8):113－118．

［4］姚勛．金剛石線鋸切割SiC單晶片過程控制及仿真［D］．西安:西安理工大學，2012．

［5］胡超．SiC單晶片切割過程中鋸切力建模與試驗［D］．西安:西安理工大學，2013．

［6］ZHAO L G，ZUO D W，SUN Y L，et al．Experimental Research on Cutting of Silicon with Fixed Diamond Wire Saw［J］．Key Engineering Material，2010(431/432):25－28．

［7］李言，王肖燁，李淑娟，等．超聲輔助線鋸切割SiC單晶實驗研究［J］．人工晶體學報，2012，41(4):1076－1081．

［8］GODFREY O U，KUMAR S．Response Surface Methodology-based Approach to CNC Drilling Operations［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，171:41－47．