游离磨料线锯切割机理实验研究

王金生 姚春燕 彭 伟

浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，杭州，310032

0 引言

游离磨料多线切割技术主要应用于光伏和微电子产业，它通过一根细小的金属线将碳化硅磨料带入切割区域，实现材料的去除。近年来游离磨料线锯切割机理的研究取得了一些重要进展。如美国纽约州立大学Kao等［1－2］进行了游离磨料线锯切割机理研究，认为自由磨料线锯切割过程构成一个三体磨粒磨损环境，磨粒作为第三体在锯丝与工件之间滚动并嵌入工件中，在锯丝的切向运动下，向前滚动，从而去除材料。Li等［3］也得到了类似的结论，认为线锯在切割时，力通过线锯作用于磨粒，在磨粒上产生法向力和切向力，同时由于线的运动，使磨粒在工件表面产生“滚压”运动，如果力很小，工件表面将产生弹性变形，不会去除材料；但如果力足够大，就会使磨粒压入工件表面产生切屑和微裂纹，从而实现材料的去除。

德国弗赖堡工业大学 Mölle等［4－5］对游离磨粒线锯的切割机理进行了研究并指出：磨浆中的磨粒在工作中处于两种状态：一种是磨粒同时与线和硅直接接触，称之为“半接触状态”；另一种是既不和线接触也不和硅接触，称之为“非接触状态”。处于“半接触状态”下的磨粒在锯丝的作用下对硅材料表面产生“滚压”去除；而处于“非接触状态”下的磨粒只是在磨浆横向剪力的作用下产生滚动。

Yang等［6］认为线锯在切割过程中，在线锯速度v的带动下，浆料中的磨粒在工件表面滚压、划擦并产生微裂纹，从而达到去除材料的目的。

Bhagavat等［7］应用雷诺方程建立了自由磨料线锯切片过程中的流体动压模型，得到了切割区域的流体动压力及油膜厚度分布曲线，结果表明最小油膜厚度大于磨料平均直径，线锯在切割过程中磨料不是直接通过钢线压入硅锭表面的，而是处于“非接触状态”，磨粒在流体剪切力和动压力的共同作用下实现材料的“滚压”去除。葛培琪、桑波［8－9］也得到了类似的结论。

由上述分析可知，目前游离磨料线锯切割去除机理主要有“滚压”去除、“动压”去除、“滚压－划擦”去除，但均未进行实验验证。

1 磨粒运动状态分析

磨粒运动观测平台主要由VW－6000/5000动态三维显微系统（用于观测切割过程中磨粒的运动状态）和WXD170型往复金刚石线切割机两部分组成，如图1所示。

图1 磨粒运动观测平台

拍摄时设置放大倍率为100，记录帧速为每秒1000帧；进给速度为0.375mm/min，张紧气缸压力为0.2MPa，线锯速度为0.5m/s。工件为光学玻璃K9，线锯为φ0.5mm的钢丝线，摄像头从切缝的侧面进行拍摄。为了增强拍摄效果，在拍摄时磨粒采用180＃的黑刚玉，并与PEG300以1∶20（质量比）的比例配制而成。

图2a～图2c为拍摄的连续三帧磨粒运动图，从图中可以看出磨粒在切缝底部与工件和线锯接触，并在线锯的作用下向前滚压运动，速度大约为0.2mm/s。

图2 接触磨粒运动

图3为非接触磨粒运动图。磨粒在切缝底部，它在油膜中处于非接触状态，即磨粒与线锯和工件均不接触，在流体的作用下向前运动。

图3 非接触磨粒运动图

从图2、图3中也可以看出切割区域油膜厚度是变化的，这可能是由线锯振动、磨粒作用等因素引起的。当油膜厚度较小时，磨粒处于接触状态；而当油膜厚度较大时，磨粒则可能处于非接触状态。因此，在实际切割中，磨粒的存在状态随着油膜厚度的变化而变化。

通过观测磨粒运动可知，游离磨料线锯切割过程中，磨粒存在两种状态：一种为接触状态，另一种为非接触状态，处于接触状态的磨粒对工件进行“滚压”去除，而处于非接触状态的磨粒，则很可能在流体“动压”的作用下去除工件材料。但这两种去除机理以哪一个为主，却无法证实，因此需要进一步验证。

2 切割实验

2.1 实验方法

图4 “动压”去除示意图

应用表面涂有树脂的线锯和普通线锯（钢丝线）进行切割对比实验，进一步验证游离磨料线锯切割去除机理。如果以“动压”去除为主，那么磨粒大部分处于非接触状态，如图4所示，涂有树脂的线锯将不影响切割效率，两种线锯的切割效率应该基本相同；如果是“滚压”去除，磨粒将与工件和线锯直接接触，如图5所示，那么普通线锯的切割效率要明显优于涂有树脂的线锯的切割效率，因为涂有树脂的线锯表面相对比较软，磨粒容易嵌入树脂层，降低了切割能力。

图5 “滚压”去除示意图

2.2 实验条件

采用WXD170型往复切割机进行切割实验。工件材料为光学玻璃K9。磨浆由聚乙二醇300和1500＃的碳化硅以1∶0.92（质量比）的比例配制而成。图6为使用MasterSizer2000激光粒度分析仪得到的碳化硅磨粒粒度分布。

图6 碳化硅粒度分布

采用φ0.16mm的普通线锯和表面涂有树脂的线锯进行切割实验。树脂为广州回天精细化工有限公司生产的HTU－363紫外线固化树脂，通过涂敷设备制成φ0.16mm表面涂有树脂的线锯［10－12］，树脂层厚度为0.02mm，线锯基体直径为0.12mm。图7a所示为钢丝线线锯（未涂树脂），图7b所示为表面涂有树脂的线锯。采用VAGA3扫描电镜（SEM）对切割后的工件表面进行形貌观察。采用VW－6000/5000动态三维显微系统对切割后的线锯表面进行形貌观察。切割条件为：走丝速度2m/s，进给速度0.375mm/min，张紧气缸压力0.2MPa。

2.3 结果分析

图7 普通线锯和涂有树脂的线锯

切割速率是评价线锯切割性能的重要指标，笔者采用单位时间内切割的长度作为评价标准，即切割速率为切割长度和切割时间的比值。图8为切割速率对比图。从图中可以看出普通线锯的切割效率大大高于涂有树脂的线锯的切割效率，高出了1倍多。图9为涂有树脂的线锯切割后的表面形貌。从图中可以看出切割后的线锯表面有很多磨粒嵌入树脂层中：有完全嵌入的，也有部分嵌入的，还有嵌入的磨粒在切割过程中脱落而留下凹坑的。

图8 切割速率对比

图9 涂有树脂的线锯切割后的表面形貌

上述结果均说明游离磨料在切割过程中，部分磨粒与线锯、工件处于“接触”状态，而且很容易嵌入树脂层中。但由于树脂较软，嵌入的磨粒很容易脱落，不像固结磨料线锯一样不易脱落；如果不脱落，那么磨粒将在线锯的作用下进一步嵌入树脂层中，有的甚至完全嵌入，减小或丧失了磨粒与工件接触的概率，从而降低切割能力。也就是说涂有树脂的线锯，将一部分“滚压”去除的磨粒给“吸收”了，起不到切割的作用，从而导致切割效率急剧下降。这就表明游离磨料线锯在切割过程中主要靠“滚压”去除材料，而非“动压”去除。

图10为普通线锯切割后的工件表面形貌。从图中可以看出切割后的表面没有划痕，均为不规则凹坑，主要是磨粒在工件表面“滚压”去除后形成的凹坑，属于三体磨损去除，此结论与文献［13］的结论相同。

图10 普通线锯切割后的工件表面形貌

图11为普通线锯切割后的表面形貌。从图中可以看出，切割后的表面形貌明显比切割前（图7a）要粗糙得多，表面具有很多微细凹坑，这是磨粒在“滚压”去除工件材料的过程中，同样与线锯相接触，线锯也被磨粒“滚压”去除，从而形成了凹坑。

图11 普通线锯切割后的表面形貌

3 结语

本文总结分析了目前三种典型的游离磨料线锯切割去除机理，即“滚压”、“动压”和“滚压－划擦”去除机理。采用VW－6000/5000动态三维显微系统对磨粒运动状态进行分析，并对表面涂有树脂的线锯和普通线锯进行切割对比实验，可知游离磨料线锯在切割过程中存在着两种状态，一种为接触状态，另一种为非接触状态，而且磨粒的存在状态随着油膜厚度的变化而变化，两者之间在切割过程中不断地相互转换。处于接触状态的磨粒，对工件进行“滚压”去除；而处于非接触状态的磨粒，可能对工件进行“动压”去除，但起主要作用的是“滚压”去除，而非“动压”去除。

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