王嘉賓，李淑娟，梁列，湯奧斐，麻磊

（西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西西安710048）

SiC單晶切割過(guò)程中接觸弧長(zhǎng)建模與實(shí)驗(yàn)

王嘉賓，李淑娟，梁列，湯奧斐，麻磊

（西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西西安710048）

SiC單晶具有良好的物理和機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于大功率器件和集成電路行業(yè)，但因高的硬度和脆性，使其切割、研磨和拋光加工過(guò)程成為難點(diǎn)。在固結(jié)金剛石磨粒的線鋸切割SiC單晶過(guò)程中，由于受各種因素的影響，使得切割力呈動(dòng)態(tài)變化，而影響切割力的直接因素就是工件與線鋸之間的接觸弧長(zhǎng)。根據(jù)線鋸和工件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分析接觸弧長(zhǎng)產(chǎn)生的過(guò)程，建立往復(fù)式線鋸切割過(guò)程中接觸弧長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)該過(guò)程中實(shí)驗(yàn)和仿真產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析。以單顆磨粒的切深為基礎(chǔ)，確定模型中的切削深度。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，建立的模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下的接觸弧長(zhǎng)。

機(jī)械制造工藝與設(shè)備；SiC單晶；材料去除；建模；預(yù)測(cè)

0 引言

SiC單晶具有優(yōu)良的物理特性，廣泛應(yīng)用于大功率裝置和IC領(lǐng)域。而SiC單晶的莫氏硬度約為9.2，僅低于天然金剛石，其彎曲強(qiáng)度低于其壓縮強(qiáng)度［1］，故表現(xiàn)為脆性，因此SiC單晶的加工非常困難。SiC單晶旋轉(zhuǎn)切割過(guò)程實(shí)際上是一種線鋸表面磨粒與工件表面的磨削加工，最終的加工表面質(zhì)量受工件進(jìn)給、線鋸速度以及工件轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)影響［2-4］。由于工件直徑的不斷減少、線鋸的磨損等因素使得該過(guò)程呈動(dòng)態(tài)變化，表現(xiàn)在切割過(guò)程中切割力和表面粗糙度的變化等。而產(chǎn)生該現(xiàn)象的根本原因是往復(fù)式金剛石線鋸加工SiC單晶片的切割過(guò)程、線鋸和工件之間接觸情況的實(shí)時(shí)變化。Hardin等［4］通過(guò)研究金剛石線鋸切割單晶SiC片過(guò)程中，法向力、切向力的變化趨勢(shì)以及切片表面質(zhì)量的優(yōu)劣，表明金剛石線鋸切割 SiC單晶片的可行性。Bhagavat等［5］提出一種利用線鋸兩側(cè)對(duì)稱的材料去除率獲得較好的表面光潔度和減少加工偏差的方法，并應(yīng)用到SiC單晶片的加工中。Liedke等［1］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量建立加工過(guò)程中切削力的變化與加工過(guò)程的參數(shù)如進(jìn)給速度、線鋸速度之間的關(guān)系。Yoshino等［6］通過(guò)掃描電鏡（SFM）研究微加工下的硬脆性材料的表面劃痕，并通過(guò)數(shù)值分析方法獲取硬脆材料加工過(guò)程中塑脆轉(zhuǎn)變的臨界切削深度。Agarwa1等［7-8］通過(guò)研究磨削SiC過(guò)程中的加工特征和表面完整性，探索磨削過(guò)程中材料的去除機(jī)理。Ma等［9］建立了一種基于馬爾金運(yùn)動(dòng)模型和兩種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目焖賳吸c(diǎn)磨削修正模型，引入了傾斜角和偏轉(zhuǎn)角的概念，最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Satyarthi等［10］根據(jù)電火花磨削和傳統(tǒng)磨削工藝的基本準(zhǔn)則，建立了一種材料去除模型研究了在電火花磨削中的工藝參數(shù)對(duì)加工效果的影響。Li等［11］分析了SiC單晶切割過(guò)程中的工藝因素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了動(dòng)態(tài)切割力的模型，并采用自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)了切割力的控制。文獻(xiàn)［12-13］從單顆磨粒的切割力出發(fā)，建立了線鋸切割力的模型，并采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)試驗(yàn)和響應(yīng)曲面法建立切向鋸切力、表面粗糙度進(jìn)行了優(yōu)化，分別獲得切削力和表面粗糙度的最優(yōu)工藝參數(shù)。

上述研究集中在工藝參數(shù)對(duì)切割過(guò)程中力的模型和材料去除率等，沒(méi)有對(duì)引起切割過(guò)程中切割力的動(dòng)態(tài)變化的因素從機(jī)理上進(jìn)行分析。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，分析SiC單晶旋轉(zhuǎn)切割過(guò)程中的動(dòng)態(tài)因素，以單顆磨粒去除材料的二維模型為基礎(chǔ)，建立不同切削深度和進(jìn)給量條件下切割過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的接觸弧長(zhǎng)模型。通過(guò)仿真分析，獲得不同的進(jìn)給速度及線鋸速度下的接觸弧長(zhǎng)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步研究加工過(guò)程中的切割力變化提供參考。

1 SiC單晶切割過(guò)程中接觸弧長(zhǎng)建模

金剛石線鋸切割機(jī)床由可正反轉(zhuǎn)動(dòng)的滾筒帶動(dòng)金剛石線鋸繞張緊輪、支撐輪和兩個(gè)導(dǎo)輪進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，SiC碇位于線鋸導(dǎo)輪中間自轉(zhuǎn)，同時(shí)橫向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)切割。金剛石線鋸鋸切硬脆材料SiC單晶的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　往復(fù)式金剛石線鋸橫向切割SiC單晶示意圖Fig.1 Schematic diagram of reciprocating diamond wire sawing of SiC monocrysta1

1.1切割過(guò)程中接觸弧長(zhǎng)的產(chǎn)生

往復(fù)式金剛石線鋸切割過(guò)程，由滾筒帶動(dòng)金剛石線鋸?fù)瓿蓪?duì)SiC單晶的切割過(guò)程。因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中為了提高線鋸的利用率，線鋸會(huì)在完成一個(gè)方向的切割后換向再進(jìn)行切割，所以滾筒存在加速、勻速、減速、停滯、加速、勻速、減速、停滯這樣的循環(huán)過(guò)程，直至一個(gè)晶片完成切割，該加工過(guò)程如圖2所示。

線鋸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程由切割時(shí)間ΔT、停滯與換向時(shí)間Δt組成。在線鋸的切割過(guò)程中伴隨著工件的連續(xù)進(jìn)給及工件的自轉(zhuǎn)，線鋸的速度vs，進(jìn)給速度vx，自轉(zhuǎn)速度Nw.實(shí)際的線鋸如圖3所示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定線鋸上磨粒分布為均勻分布，磨粒之間的間距為la，磨粒伸出高度一致，如圖4所示。單顆磨粒的切削模型如圖5所示，在切割過(guò)程中忽略線鋸磨損。

圖2　SiC單晶線鋸切割過(guò)程示意圖Fig.2 Wire sawing process for SiC monocrysta1

圖3　新線鋸電鏡圖Fig.3 SFM photograph of new wire saw

圖4　磨粒分布模型Fig.4 Abrasive distribution mode1

圖5　單顆磨粒切削模型Fig.5 Cutting mode1 of sing1e abrasive

圖6　線鋸切割簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of wire sawing

切割時(shí)間ΔT內(nèi)線鋸對(duì)工件進(jìn)行切割，工件半徑R減小。根據(jù)切割模型，當(dāng)線鋸在停滯、換向時(shí)間Δt內(nèi)，工件持續(xù)進(jìn)給，而此時(shí)線鋸沒(méi)有進(jìn)行切割。因此線鋸與工件間會(huì)產(chǎn)生接觸長(zhǎng)度，本文將此長(zhǎng)度定義為接觸弧長(zhǎng)，而在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)接觸角度不斷增大，導(dǎo)致接觸弧長(zhǎng)也不斷增大?；谶@樣的切割過(guò)程，線鋸與工件表面接觸弧長(zhǎng)的變化（見(jiàn)圖6）可以分為兩個(gè)階段來(lái)描述：

階段1：切割時(shí)間ΔT.

式中：R0為切割加工前的工件半徑；Ri為第i個(gè)切割周期的工件半徑。

接觸弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的角度，在該時(shí)間段內(nèi)保持不變。該過(guò)程中，工件半徑R減小，接觸弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的角度不變，接觸弧長(zhǎng)為

式中：φTi為第i周期的接觸角度。

階段2：在線鋸?fù)Q向的時(shí)間Δt.此時(shí)，線鋸不切割，工件半徑不變，但接觸角度增加：

Δt時(shí)間后，接觸弧長(zhǎng)為

1.2線鋸切割過(guò)程中不同狀態(tài)的接觸弧長(zhǎng)模型

加工過(guò)程材料的去除由線鋸上的磨粒完成。在切削時(shí)間ΔT內(nèi)，工件旋轉(zhuǎn)一圈的進(jìn)給量f為

當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)一圈，線鋸走過(guò)的距離為

假設(shè)磨粒均勻分布，故工件旋轉(zhuǎn)一周，參與切削的磨粒數(shù)量為

當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)一圈，磨粒的切削深度H為

分布到整個(gè)圓周上即可得到單圈的切削深度：

關(guān)于單顆磨粒壓入工件的深度計(jì)算，依據(jù)Yoshino等［6］關(guān)于載荷/切深的分析，根據(jù)滑移線場(chǎng)理論，楔形刀具壓入工件形成塑性變形模型，如圖7所示。

圖7　單顆磨粒切深模型Fig.7 Cutting depth mode1 of sing1e abrasive

圖7中θ是刀具角度的半角，角度β由（10）式計(jì)算得到：

θ是刀具角度的半角，θ=30°，由（10）式計(jì)算得β=17.4°.基于該模型，得到載荷/切深的比值：

式中：d是壓入深度；b=2dtan θ；σ0是材料的屈服應(yīng)力。

表1　切削深度d隨載荷p的變化值Tab.1 Cutting depth vs.pressure

假定線鋸與工件的初始接觸為點(diǎn)接觸，剛開始的接觸弧長(zhǎng)為0 mm.針對(duì)工件進(jìn)給量與切削量的不同，會(huì)形成不同的接觸弧長(zhǎng)的變化。

1）如果f=d，工件的進(jìn)給被完全被切除，如圖8所示。

圖8　接觸弧長(zhǎng)產(chǎn)生示意圖（f=d）Fig.8 Contact arc between wire saw and workpiece（f=d）

根據(jù)切割模型，每個(gè)周期由兩部分組成：切割時(shí)間ΔT，停滯換向時(shí)間Δt，假設(shè)ΔT時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)為N，則有如下的推導(dǎo)過(guò)程：

①第1個(gè)周期內(nèi)：

ΔT時(shí)間末：

這個(gè)過(guò)程工件半徑減小，進(jìn)給量等于切削量，不會(huì)產(chǎn)生接觸弧長(zhǎng)，因此

Δt時(shí)間末：在Δt時(shí)間內(nèi)工件不參與切削，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸角度為

進(jìn)而形成接觸弧長(zhǎng)：

②第2個(gè)周期：

ΔT時(shí)間末：

這個(gè)過(guò)程工件半徑減小，進(jìn)給量等于切削量，由上一個(gè)周期在Δt內(nèi)的進(jìn)給產(chǎn)生接觸弧長(zhǎng)仍然保留。因此接觸角度、接觸弧長(zhǎng)為

Δt時(shí)間末：在Δt時(shí)間內(nèi)工件不參與切削，這時(shí)工件進(jìn)給產(chǎn)生接觸弧長(zhǎng)。同時(shí)考慮上一周期在Δt內(nèi)的累積。

③第n個(gè)周期：

ΔT時(shí)間末：半徑、接觸角度、弧長(zhǎng)為

Δt時(shí)間末，接觸角度、工件半徑、接觸弧長(zhǎng)為

2）如果f＞d，工件的進(jìn)給量大于實(shí)際的切削量單圈的進(jìn)給模型如圖9所示。

圖9　接觸弧長(zhǎng)產(chǎn)生示意圖（f＞d）Fig.9 Contact arc between wire saw and workpiece（f＞d）

此時(shí)的去除量d是個(gè)變量，但它始終小于進(jìn)給量f.d的計(jì)算依據(jù)（9）式。

在ΔT時(shí)間內(nèi)的切割過(guò)程：

①在時(shí)間ΔT：假設(shè)在ΔT時(shí)間內(nèi)工件轉(zhuǎn)過(guò)n圈。工件第1圈進(jìn)給后，

第2圈進(jìn)給，

對(duì)于第n圈進(jìn)給，

②在Δt時(shí)間內(nèi)：此時(shí)，線鋸換向短暫的停滯。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，工件只有進(jìn)給，線鋸不切割。此時(shí)只有角度變化，半徑不變。在ΔT時(shí)間內(nèi)已進(jìn)行切割了n圈。而在ΔT時(shí)間內(nèi)的切割圈數(shù)n取決于線鋸的速度，Δt的大小也和線鋸速度有關(guān)系。根據(jù)模型描述，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)：在ΔT，工件進(jìn)給線鋸磨削工件，半徑減??；在Δt，工件只進(jìn)給，半徑不變，接觸角度增大。那么切割n圈后在有Δt的停滯時(shí)間接觸角度增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)的半徑、接觸角度和接觸弧長(zhǎng)為

因此，在第一個(gè)（ΔT+Δt）周期后，工件半徑Rp1、接觸角度φp1和接觸弧長(zhǎng)Lct1分別為

在下一周期內(nèi)又會(huì)產(chǎn)生兩部分加工時(shí)間，即ΔT 和Δt，在整個(gè)的加工過(guò)程中是由多個(gè)這樣的周期而構(gòu)成的。在經(jīng)過(guò)m個(gè)（ΔT+Δt）后，工件半徑Rpm、接觸角度φpm和接觸弧長(zhǎng)Lctm分別為

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在改進(jìn)的WXD-170型往復(fù)式金剛石線旋轉(zhuǎn)點(diǎn)切割機(jī)上進(jìn)行。采用雙回路可調(diào)氣壓裝置調(diào)節(jié)線鋸張緊力，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由x和y方向的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，x軸變化范圍0～120 mm，y軸變化范圍0～120 mm.x方向設(shè)定工件的進(jìn)給量，y方向調(diào)整切片厚度，工件進(jìn)給速度范圍 0.025～18 mm/min，工件旋轉(zhuǎn)速度范圍0～36 r/min，線鋸的速度范圍1.3～2.2 m/s.

在加工過(guò)程中，線鋸和工件之間的接觸弧長(zhǎng)并不是恒定的。線鋸速度、工件進(jìn)給速度、工件直徑等因素都明顯影響接觸弧長(zhǎng)的變化。

金剛石線鋸直徑0.23 mm，切割材料為單晶4H-SiC，線鋸長(zhǎng)度為50 m，線鋸張力T為0.2 MPa，工件轉(zhuǎn)速為12 r/min，工件直徑為76.2 mm，其他參數(shù)如表2所示。

表2　實(shí)驗(yàn)中加工參數(shù)列表Tab.2 Processing parameters for experiment

圖10為工件與線鋸之間接觸弧度和接觸弧長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置圖，其中圖10（a）是實(shí)際測(cè)量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，圖10（b）是圖10（a）中的放大部分。

圖10　接觸弧長(zhǎng)、接觸角度和測(cè)量角度及弧長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.10 Contact ang1e，contact arc 1ength and experimenta1 setup

如圖11所示，其中圖11（a）和圖11（b）分別為不同時(shí)刻線鋸與工件接觸情況。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，取相同的時(shí)間間隔對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行拍照，同時(shí)用游標(biāo)卡尺測(cè)量此時(shí)的工件半徑。實(shí)驗(yàn)完畢，對(duì)照片進(jìn)行處理得到線鋸的偏角（如圖10（b）所示），根據(jù)Lc=2Rφ，結(jié)合測(cè)量的半徑計(jì)算得到相應(yīng)的接觸弧長(zhǎng)。

工件半徑與接觸角度之間的關(guān)系的結(jié)果如圖12～圖14所示，其中離散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得到的值，曲線為依據(jù)上述模型計(jì)算得到的相應(yīng)加工參數(shù)下的仿真結(jié)果。從圖12中可以看出，隨著工件進(jìn)給速度和線鋸速度的增加，工件半徑迅速減小。進(jìn)給速度的增加引起了每顆磨粒的切削深度增大；線鋸速度的增加使得單位時(shí)間里更多的磨粒進(jìn)行切削。這兩者最終使得材料去除率增加，因此，工件半徑減小的更快。

圖11　接觸角度和工件直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖Fig.11 Contact ang1e and diameter of workpiece

圖12　線鋸切割過(guò)程中不同線鋸速度下工件半徑（Nw=12 r/min，T=0.2 MPa）Fig.12 Radii of workpiece at various feed rates and wire sawing speeds（Nw=0.2 r/min，T=0.2 MPa）

圖13為線鋸和工件之間的接觸角度，它隨進(jìn)給速度的增加、線鋸速度的減小而增加。隨著進(jìn)給速度的增加，線鋸彎曲增加，導(dǎo)致接觸角度增加。線鋸速度增加，法向力增加，使得線鋸彎曲減小，最終接觸角度減小。在實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)給速度為0.075 mm/min，接觸角度沒(méi)有回到0°，是由于切割過(guò)程中當(dāng)進(jìn)給速度較大時(shí)，產(chǎn)生較大的接觸力。當(dāng)該力超過(guò)剩余SiC單晶片與本體連接力時(shí)，發(fā)生斷裂，使得接觸角度沒(méi)有回到0°.

圖13　線鋸切割過(guò)程中不同線鋸速度下接觸角度（Nw=12 r/min，T=0.2 MPa）Fig.13 Contact ang1es at various feed rates and wire sawing speeds（Nw=0.2 r/min，T=0.2 MPa）

圖14　線鋸切割過(guò)程中不同線鋸速度下接觸弧長(zhǎng)（Nw=12 r/min，T=0.2 MPa）Fig.14 Contact arc 1engths at various feed rates and wire sawing speeds（Nw=0.2 r/min，T=0.2 MPa）

表3　模型仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的接觸弧長(zhǎng)誤差Tab.3 Simu1ated and experimenta1 average errors

根據(jù)模型（39）式，接觸弧長(zhǎng)由工件半徑、進(jìn)給速度和線鋸速度共同決定，如圖14所示。從圖14可以看出，隨著工件進(jìn)給速度的增加，最大的接觸弧長(zhǎng)增加，其原因是隨著工件進(jìn)給速度增加，切削力增加，使得線鋸彎曲增大，工件和線鋸的接觸弧長(zhǎng)增加。從圖14中可以看出，最大的接觸弧長(zhǎng)隨著線鋸速度的增加而減小。其原因是隨著線鋸速度的增加，切削力減小，從而使得線鋸彎曲減小，工件與線鋸的接觸部分減少。

依據(jù)上述分析，所建立的模型在一定范圍內(nèi)可以預(yù)測(cè)加工過(guò)程中的接觸弧長(zhǎng)變化趨勢(shì)，但是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍有一定的誤差。在不同的線鋸速度與工件進(jìn)給速度下，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的接觸弧長(zhǎng)誤差如表3所示。

模型預(yù)測(cè)的弧長(zhǎng)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差原因有：1）在實(shí)際的切割過(guò)程中，切割力是動(dòng)態(tài)變化的，從而切割過(guò)程中每圈的去除深度d是在某一范圍變化的量，而在模型中這個(gè)值是通過(guò)單顆磨粒的切深h，結(jié)合線鋸磨粒數(shù)量確定出的一個(gè)均值；2）本文模型中假定線鋸表面磨粒均勻分布，這與實(shí)際的磨粒隨機(jī)分布情況有一定的差異，是導(dǎo)致誤差的一個(gè)不可忽視的因素；3）在加工過(guò)程中線鋸的磨損時(shí)刻影響著線鋸切割力的變化，進(jìn)而影響切割過(guò)程中材料的去除，沒(méi)考慮磨損也是造成誤差的一個(gè)重要原因。

3 結(jié)論

金剛石線鋸切割SiC單晶過(guò)程中，工件與線鋸之間的接觸弧長(zhǎng)是影響切割力的主要因素，本文在單顆磨粒切深模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合往復(fù)式金剛石線鋸加工過(guò)程建立了加工過(guò)程模型，仿真了不同的加工工藝參數(shù)下的接觸弧長(zhǎng)變化趨勢(shì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)論如下：

1）通過(guò)單顆磨粒切入深度模型，確定單圈的材料去除量，從而建立起的整個(gè)加工過(guò)程接觸弧長(zhǎng)變化模型，可以預(yù)測(cè)SiC單晶旋轉(zhuǎn)切割過(guò)程中的接觸弧長(zhǎng)的變化。

2）根據(jù)模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得到工藝參數(shù)對(duì)接觸弧長(zhǎng)變化的影響規(guī)律。在一定范圍內(nèi)，進(jìn)給速度越大，接觸弧長(zhǎng)峰值越大，接觸弧長(zhǎng)峰值到達(dá)時(shí)間越早；在一定范圍內(nèi)，線鋸速度越大，接觸弧長(zhǎng)峰值越小，峰值到達(dá)時(shí)間越晚。

3）在恒進(jìn)給量的加工過(guò)程中，可以通過(guò)模型預(yù)測(cè)來(lái)確定合適的加工工藝參數(shù)。給定不同參數(shù)，通過(guò)模型計(jì)算得到加工時(shí)間及最大接觸弧長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)切割力），從而確定出合適的工藝參數(shù)。

關(guān)于傳統(tǒng)的磨削過(guò)程研究有較長(zhǎng)的歷史和進(jìn)展，但是金剛石線鋸切割過(guò)程中材料的去除率、切割力以及線鋸振動(dòng)等，尤其是線鋸表面磨粒、磨粒伸出高度的隨機(jī)分布以及磨粒磨損的時(shí)變特性，目前仍然沒(méi)有很好的模型來(lái)描述。因此與此有關(guān)的材料去除率、切割力等值得進(jìn)一步研究，為該類加工方法提供技術(shù)支持。

（References）

［2］Liedke T，Kuna M.A macroscopic mechanica1 mode1 of the wire sawing process［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2011，51（9）：711-720.

［2］Ramesh K，Huang H，Yin L.Ana1ytica1 and experimenta1 investigation of coo1ant ve1ocity in high speed grinding［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2004，44（10）：1069-1076.

［3］Hecker R L，Liang S Y.Predictive mode1ing of surface roughness in grinding［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2003，43（8）：755-761.

［4］Hardin C W，Qu J，Shih A J.Fixed abrasive diamond wire saw s1icing of sing1e-crysta1 si1icon carbide wafers［J］.Materia1s and Manufacturing Processes，2004，19（2）：355-367.

［5］Bhagavat S，Kao I.Theoretica1 ana1ysis on the effects of crysta1 anisotropy on wiresawing process and app1ication to wafer s1icing ［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2006，46（5）：531-541.

［6］Yoshino M，Sivandam A，Kinochi Y.Critica1 depth of hard britt1e materia1s on nano p1astic forming［J］.Journa1 of Advanced Mechanica1 Design Systems Manufacturing，2008，2（1）：59.

［7］Agarwa1 S，Rao P V.Fxperimenta1 investigation of surface/subsurface damage formation and materia1 remova1 mechanisms in SiC grinding［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2008，48（6）：698-710.

［8］Agarwa1 S，Rao P V.Grinding characteristics，materia1 remova1 and damage formation mechanisms in high remova1 rate grinding of si1icon carbide［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2010，50（12）：1077-1087.

［9］Ma L J，Gong Y D，Chen X H.Study on surface roughness mode1 and surface forming mechanism of ceramics in quick point grinding ［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2014，77（2）：82-92.

［10］Satyarthi M K，Pandey P M.Mode1ing of materia1 remova1 rate in e1ectric discharge grinding process［J］.Internationa1 Journa1 of Machine Too1s and Manufacture，2013，74：65-73.

［11］Li S J，Du S，Tang A F，et a1.Force mode1ing and contro1 of SiC monocrysta1 wafer processing［J］.Journa1 of Manufacturing Science and Fngineering，2015，137（6）：061003-1-061003-10.

［12］劉永，李淑娟，李言，等.基于中心復(fù)合設(shè)計(jì)試驗(yàn)的SiC單晶片超聲振動(dòng)加工工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（7）：193-198. LIU Yong，LI Shu-juan，LI Yan，et a1.Centra1 composite design test based parameters optimizing for compound machining with u1-trasonic vibration on SiC wafer［J］.Journa1 of Mechanica1 Fngineering，2013，49（7）：193-198.（in Chinese）

［13］李淑娟，劉永，侯曉麗，等.SiC單晶片加工過(guò)程中切割力的分析與建模［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（23）：189-204. LI Shu-juan，LIU Yong，HOU Xiao-1i，et a1.Ana1ysis and mode1-ing cutting force for SiC monocrysta1 wafer processing［J］.Journa1 of Mechanica1 Fngineering，2015，51（23）：189-204.（in Chinese）

Modeling and Experiment of Contact Arc Length in SiC Monocrystal Cutting

WANG Jia-bin，LI Shu-juan，LIANG Lie，TANG Ao-fei，MA Lei
（Schoo1 of Mechanica1 and Precision Instrument Fngineering，Xi'an University of Techno1ogy，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

Si1icon carbide（SiC）is wide1y used in high-power devices and IC industry due to its good physica1 and mechanica1 properties.However，it is difficu1t to be processed（cutting，1apping and po1ishing）because of its high hardness and britt1e.In the fixed diamond abrasive wire sawing of SiC monocrysta1，the cutting force changes dynamica11y due to various factors.The effect of direct factor on cutting force is contact arc 1ength between wire saw and workpiece.The moving processes of wire saw and worpiece are ana1yzed for the generation of contact arc 1ength.A mode1 of wire sawing process with reciprocating movement is estab1ished.The simu1ated and experimenta1 errors are a1so discussed，and the cutting depth of mode1 is determined based on the sing1e abrasive scratch experiment.The simu1ation and experimenta1 resu1ts show that the proposed mode1 can predict the contact arc 1ength in terms of different processing parameters.

manufacturing techno1ogy and equipment；SiC monocrysta1；materia1s remova1；mode1ing； prediction

TG663

A

1000-1093（2016）05-0879-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.015

2015-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51175442）；陜西省機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（14JS061）

王嘉賓（1991—），男，碩士研究生。F-mai1：806406143@qq.com；李淑娟（1969—），女，教授，博士生導(dǎo)師。F-mai1：shujuan1i@xaut.edu.cn