懸浮上砂金剛石線鋸的鋸切性能試驗分析*

鄭楚夕， 馬曉賓， 謝 乾， 畢文波， 葛培琪, 2， 龔 洋， 柳廷全

(1. 山東大學 機械工程學院， 濟南 250061) (2. 山東大學， 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室， 濟南 250061) (3. 山田研磨材料有限公司， 山東 臨沂 276700)

近年來，光伏行業(yè)和半導體行業(yè)發(fā)展迅速，對硅、碳化硅、藍寶石等硬脆性材料的需求日益增多，對這些材料加工質量的要求越來越高，材料的切割技術受到了廣泛重視[1]。傳統(tǒng)游離磨料線切割存在加工效率低、懸浮液回收困難，對環(huán)境污染嚴重、切片質量較差等缺點。因此，固結磨料金剛石線鋸得到了越來越多的應用[2]。

電鍍金剛石線鋸是以電鍍的方式把高硬度、高耐磨性的金剛石磨料牢固地固結在鋼絲基體上而制成的一種切割工具[3]。電鍍金剛石線鋸制造的主要工序有基體前處理、預鍍、上砂、加厚、后處理等。其中上砂工序至關重要，上砂質量決定了金剛石線鋸的質量，上砂速度決定了鋸絲的生產(chǎn)效率。根據(jù)上砂方式的不同，電鍍金剛石線鋸的制備工藝可分為刷鍍法、埋砂法和懸浮上砂法。懸浮上砂是將金剛石磨粒加入到電鍍液中，通過攪拌使磨粒懸浮，再通過金屬的電沉積將磨粒固結到金屬基體上[4]。

在實際生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率，一般采用一機多線的鋸絲生產(chǎn)設備，即同時生產(chǎn)多根鋸絲。由于上砂過程影響因素較多，所以不同上砂位置的鋸絲之間可能存在性能差異?；趯嶋H生產(chǎn)，試驗主要研究六線懸浮上砂電鍍金剛石線鋸的鋸切性能，對不同上砂位置的鋸絲的鋸切性能進行對比。

1 試驗方法

鋸切試驗選用恒進給力往復式線鋸切割機，如圖1所示：硅棒在鋸絲下方，用配重塊調節(jié)進給力，在鋸切過程中，鋸絲沿垂直于硅棒進給的方向做往復運動，同時，保持恒定進給力使硅棒向上運動，完成鋸切過程。冷卻液通過微型潛水循環(huán)泵抽取，再通過噴嘴將冷卻液澆在切割區(qū)域。鋸切試驗工藝參數(shù)如表1所示。

鋸絲采用六線懸浮上砂電鍍金剛石線鋸，其上砂位置示意圖如圖2所示。由于上砂位置是對稱分布的，兩側上砂情況相似，所以試驗選取生產(chǎn)速度為16 m/min，磨粒尺寸為6～12 μm，直徑70 μm，編號為1、2、3的3種鋸絲，其上砂位置分別為圖2所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處，電鍍結束后，用掃描電鏡觀測3種鋸絲的表面形貌，統(tǒng)計磨粒密度。

選取1、2、3號鋸絲進行鋸切試驗，切好的硅片編號為w1、w2、w3，用水作為冷卻液，記錄鋸切用時。

參數(shù)數(shù)值 進給力F/N2.8 走絲速度vs /(mm/s)800 往復行程l/mm600 硅棒直徑d/mm25

鋸切結束后，將切好的硅片用丙酮清洗、干燥，保證硅片的表面清潔；對切后的鋸絲進行取樣，經(jīng)超聲波清洗、烘干后，用掃描電鏡觀測鋸絲的受損情況。

用表面粗糙度儀測量硅片的表面粗糙度，硅片表面區(qū)域劃分如圖3所示，分別在其A、B區(qū)域內取點測量后取平均值；用掃描電子顯微鏡觀察金剛石線鋸的磨損情況。

2 試驗結果與分析

2.1 鋸絲的上砂情況

圖4為電鍍金剛石線鋸的SEM形貌圖。統(tǒng)計3種鋸絲的磨粒密度，數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知：居于上砂槽中間位置的鋸絲(3號)的磨粒密度明顯高于居于上砂槽邊緣位置的鋸絲(1號)的磨粒密度。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是懸浮在電鍍液里的金剛石磨粒分布不均勻。

鋸絲編號磨粒密度η/(顆/mm)144625473585

2.2 鋸絲的鋸切效率

鋸絲的鋸切效率為每分鐘鋸絲切割硅片的面積，結果如表3所示。由表3可知：3號鋸絲的鋸切效率最高，1號的最低，結合表2數(shù)據(jù)可說明磨粒密度影響鋸切效率。

表3 鋸絲的鋸切效率Table 3 Cutting efficiency of wire saw

2.3 鋸絲的磨損及損傷情況

鋸絲的磨損主要包括磨粒的磨損與鍍層的磨損。磨粒的磨損包括磨粒的正常磨損、磨粒的脫落、磨粒的整體破碎和折斷[5]等；鍍層的磨損主要是由于磨粒被磨平或者脫落后，鍍層直接和工件接觸，產(chǎn)生相對運動造成的磨損，一般發(fā)生在鋸切加工的后期，此時鋸絲已失去加工能力。圖5為本實驗鋸切加工后的鋸絲不同磨損及損傷形式的形貌特征。

(a)鍍層的磨損Coating wear(b)磨粒的整顆脫落Grain shedding(c)鍍層損傷Coating damage(d)鍍層與母線分離Separated coating from the wire圖5 電鍍金剛石線鋸的磨損及損傷形式Fig. 5 Wear and damage patterns of electroplated diamond wire saw

圖5a中，鋸絲上參與鋸切加工的部分磨粒已被磨平，鍍層輕度磨損，并且鋸絲上只有部分磨粒參與鋸切過程。圖5b中，磨粒在鋸切過程中整顆脫落，在鋸絲表面留下凹坑。圖5c中磨粒在鋸切過程中脫落，并在鋸絲和工件間滾動，在鋸絲表面留有劃痕，造成鍍層損傷。圖5d中，鋸絲的鍍層與母線明顯發(fā)生分離，損傷部位有部分磨粒脫落，原因可能是由于鍍層與母線的結合力不好，在磨粒大面積脫落時使鍍層與母線分離，破壞了鍍層。

2.4 硅片的表面粗糙度

用表面粗糙度儀分別沿進給方向和走絲方向對w1、w2、w3硅片按圖3所示的A、B區(qū)域取點進行表面粗糙度Ra測量，測量結果取平均值，如圖6所示。

由圖6可以看出：硅片沿進給方向的粗糙度值大于沿走絲方向的粗糙度值。原因可能是鋸絲沿進給方向加工硅片時，材料的去除方式是脆性去除，在硅片表面留有凹坑，使粗糙度值增大；鋸絲沿走絲方向的材料去除方式主要是塑形去除，在硅片表面留下劃痕，所以沿該方向的Ra值要小于沿進給方向的。另外，由圖6中數(shù)據(jù)可觀察到：進給方向和走絲方向上，A區(qū)域的Ra

值均大于B區(qū)域的Ra值。由于A區(qū)域屬于先加工的區(qū)域，當新鋸絲開始進行鋸切加工時，鋸絲上一些出露高度較高、把持強度較差的金剛石磨粒脫落，在硅片表面留有劃痕，對硅片表面造成破壞，而且新鋸絲磨粒出露高度一致性差，易在加工表面產(chǎn)生劃痕，導致表面粗糙度值增大。當鋸絲在B區(qū)域進行切割時，鋸絲已進入穩(wěn)定工作階段，出露過高的磨粒逐漸被磨平，不易在加工表面產(chǎn)生劃痕。

從試驗結果看，3種鋸絲加工出來的硅片的Ra值相差不大，即磨粒密度對鋸切加工硅片表面粗糙度的影響不大。

3 結論

在恒力進給的實驗條件下進行鋸切實驗，得出如下結論：

(1)六線懸浮法鋸絲生產(chǎn)工藝中，鋸絲上砂位置影響鋸絲磨粒密度。通過對比不同上砂位置鋸絲的磨粒密度發(fā)現(xiàn)，居于上砂槽中間位置的鋸絲磨粒密度最大，為585顆/mm，明顯高于居于上砂槽邊緣位置的鋸絲磨粒密度446顆/mm。

(2)當磨粒密度由446顆/mm增加到585顆/mm時，鋸絲的鋸切效率由2.158 mm2/min增大到4.949 mm2/min，增大了138%，表明參與鋸切加工的磨粒數(shù)越多，鋸絲鋸切效率越高。

(3)鋸絲的磨損與損傷形式主要包括磨粒的磨損、磨粒脫落以及鍍層的損傷與磨損。

(4)鋸切加工初始階段，鋸切表面比較粗糙，進入穩(wěn)定鋸切加工后，表面粗糙度有所降低。鋸絲磨粒密度對表面粗糙度的影響不大。