張晨政， 葛培琪，2， 陳自彬, 鄭楚夕， 畢文波，2

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 濟(jì)南 250061) (2.山東大學(xué), 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250061)

微電子及光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)硅、碳化硅、藍(lán)寶石等硬脆材料的切片質(zhì)量及效率提出了更高的要求[1]。固結(jié)磨料金剛石線鋸具有鋸切效率高、鋸縫寬度小、切片質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于硬脆材料的切片工序中[2-4]。

通過(guò)電鍍、樹(shù)脂黏結(jié)等方式，固結(jié)磨料線鋸將金剛石磨粒固結(jié)在基體表面[4]。這需要經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的制造工序，且不同的制造參數(shù)會(huì)導(dǎo)致金剛石線鋸的性能有較大差異。因此，在出廠及使用前需要對(duì)線鋸的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5-11]對(duì)金剛石線鋸切片設(shè)備及金剛石線鋸的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。這些研究主要采用恒速進(jìn)給的方式，且單次評(píng)價(jià)耗線量大，評(píng)價(jià)成本較高。在恒速進(jìn)給的條件下，鋸切效率不同的線鋸產(chǎn)生的撓度和法向進(jìn)給力不同，導(dǎo)致其切片效率無(wú)法得到有效評(píng)價(jià)，且線鋸評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，無(wú)法綜合評(píng)價(jià)線鋸的使用性能。

因此，為定量評(píng)價(jià)金剛石線鋸的使用性能，搭建金剛石線鋸性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)展電鍍金剛石線鋸性能定量評(píng)價(jià)試驗(yàn)，定量評(píng)價(jià)對(duì)象是線鋸的鋸切效率、鋸切質(zhì)量、鋸縫寬度及鋸絲表面磨粒脫落率。

1 試驗(yàn)裝置

金剛石線鋸性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)主要由恒力進(jìn)給裝置、主動(dòng)輪、張緊輪、導(dǎo)線輪、線鋸、伺服電機(jī)、機(jī)架、冷卻液噴嘴等組成，如圖1所示。

圖1 恒力進(jìn)給式線鋸性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)

進(jìn)給力由恒力進(jìn)給裝置提供，恒力進(jìn)給裝置由載物臺(tái)、工作臺(tái)、滑動(dòng)平臺(tái)、工件和配重等組成，如圖2所示。將進(jìn)給裝置的總重力作為鋸切進(jìn)給力，整個(gè)鋸切過(guò)程保持鋸切進(jìn)給力不變；將工件黏結(jié)于載物臺(tái)上，利用滑動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過(guò)改變載物臺(tái)在工作臺(tái)上的固定位置，調(diào)整切片厚度；通過(guò)改變配重，調(diào)整進(jìn)給裝置的進(jìn)給力。由于滑動(dòng)平臺(tái)、工作臺(tái)、載物臺(tái)的重力限制，最小進(jìn)給力為0.95 N。

圖2 進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)示意圖

鋸切試驗(yàn)時(shí)，線鋸一端安裝在主動(dòng)輪上，另一端安裝在張緊輪上，主動(dòng)輪與張緊輪各連接1臺(tái)伺服電機(jī)，并交替工作，實(shí)現(xiàn)線鋸?fù)鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)伺服電機(jī)施加張緊力，采用張緊輪伺服電機(jī)扭矩模式(P)輸出扭矩，伺服電機(jī)選用ECMA-C10907SS，其額定扭矩MN為2.39 N·m。編碼器分辨率為1 280 000 個(gè)/r，由外部端子臺(tái)輸入模擬電壓U控制扭矩模式。主動(dòng)輪及張緊輪半徑R為0.041 25 m，則張緊力最大值Tmax由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Tmax為張緊力最大輸出值，N；MN為額定轉(zhuǎn)矩，N·m；R為主動(dòng)輪及張緊輪半徑，m。

調(diào)整伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，使模擬電壓U為10 V時(shí)，輸出扭矩為電機(jī)額定扭矩的13%，則模擬電壓U與張緊力T的關(guān)系如式(2)：

T≈0.753U

(2)

式中：T為張緊力，N；U為模擬電壓,V。

走絲方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)輪伺服電機(jī)采用位置模式(PT)控制，通過(guò)改變脈沖輸入頻率及脈沖總數(shù)控制走絲速度vs、往復(fù)行程L，用式(3)計(jì)算脈沖頻率f，用式(4)計(jì)算往復(fù)行程L所需的脈沖總數(shù)W：

(3)

(4)

式中：W為往復(fù)行程所需脈沖總數(shù)，個(gè)；L為往復(fù)行程，m；f為脈沖頻率，Hz；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；W0為電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，個(gè)/r；vs為走絲速度，m/s。

為便于編程，使式(3)、式(4)中f與vs的比值為整數(shù)，設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)W0為1 049 個(gè)/r，并根據(jù)電機(jī)分辨率設(shè)置電子齒輪比。

試驗(yàn)裝置工作流程如圖3所示。由冷卻液噴嘴供給切削液，在進(jìn)給裝置的重力作用下，位于鋸絲上方的工件向下恒力進(jìn)給。在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，線鋸根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖3 試驗(yàn)裝置工作流程

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用搭建完成的金剛石線鋸性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)，如圖4所示。選用不同廠家的2種電鍍金剛石線鋸，編號(hào)分別為Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)，線鋸基體直徑為160 μm，取10 mm長(zhǎng)度的樣品。利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)線鋸的表面形貌，如圖5所示。統(tǒng)計(jì)磨粒密度、鍍層平均厚度，并取平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖4 金剛石線鋸性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)

(a)Ⅰ號(hào)線鋸Wire saw Ⅰ(b)Ⅱ號(hào)線鋸Wire saw Ⅱ圖5 電鍍金剛石線鋸的表面形貌Fig. 5 Surface morphology of electroplated diamond wire saws

表1 線鋸的基本參數(shù)

選用Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)2種線鋸進(jìn)行單晶硅棒(直徑為25.4 mm)的切片試驗(yàn)，切片得到的硅片編號(hào)分別為A、B，切削液中磨削液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，2種鋸絲采用相同的鋸切工藝參數(shù)，如表2所示。

表2 鋸切試驗(yàn)工藝參數(shù)

切片試驗(yàn)前，先用表2中的參數(shù)往復(fù)鋸切15次，保留鋸縫。更換鋸絲及切片位置后，再按照表2中的參數(shù)進(jìn)行整片鋸切試驗(yàn)，并記錄切片時(shí)間。切片后，清洗、干燥硅片及線鋸，計(jì)算鋸切效率；利用粗糙度儀測(cè)量硅片表面粗糙度，采樣點(diǎn)如圖6所示。利用光學(xué)顯微鏡放大鋸縫，用圖像測(cè)量軟件測(cè)量鋸縫寬度；利用掃描電子顯微鏡觀察鋸絲表面磨粒的脫落情況，抽樣點(diǎn)如圖7所示。

圖6 硅片表面采樣點(diǎn)示意圖

圖7 線鋸抽樣點(diǎn)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 線鋸的鋸切效率

記錄切片時(shí)間，并用單位時(shí)間內(nèi)的鋸切面積表示鋸切效率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。由表3可得：Ⅰ號(hào)線鋸切片耗時(shí)較短;Ⅰ號(hào)線鋸的鋸切效率比Ⅱ號(hào)線鋸的高13.6%。

表3 線鋸的切片時(shí)間及鋸切效率

單顆金剛石磨粒的材料去除效率與其所受法向力有關(guān)，法向力越大，材料去除效率越高[12]。結(jié)合圖5及表1進(jìn)行分析，線鋸上的磨粒密度、磨粒粒度、出刃高度及磨粒分散性等影響磨粒受力的因素間接影響了線鋸的鋸切效率。

3.2 硅片的表面粗糙度

利用HOMMEL-W10粗糙度儀檢測(cè)硅片進(jìn)給及走絲方向的表面粗糙度，取樣長(zhǎng)度為0.25 mm，評(píng)價(jià)長(zhǎng)度為1.25 mm，采樣點(diǎn)如圖6所示，在圖中的1、2、3上分別測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，然后取平均值，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 硅片表面各區(qū)域粗糙度值

從圖8可知：2種線鋸的表面粗糙度相差不大，因此用平均值表示硅片的表面粗糙度，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 硅片表面粗糙度平均值

由圖8可得：硅片A的進(jìn)給方向及走絲方向的表面粗糙度均大于硅片B的，硅片B的表面質(zhì)量較好。由表4可得：走絲方向的平均表面粗糙度小于進(jìn)給方向的平均表面粗糙度，且相同進(jìn)給力的條件下，Ⅱ號(hào)線鋸得到的切片表面質(zhì)量較好。沿走絲方向，硅片B的表面粗糙度平均值比硅片A的表面粗糙度平均值小17.5%；沿進(jìn)給方向，硅片B的表面粗糙度平均值比硅片A的表面粗糙度平均值小10.8%。

利用掃描電子顯微鏡觀察線鋸切割的硅片表面形貌，如圖9所示。由圖9可知：走絲方向主要?dú)埩魟澓?，進(jìn)給方向主要?dú)埩舭伎印Ｒ虼?，進(jìn)給方向的表面粗糙度較大。

圖9 硅片表面形貌

3.3 鋸縫寬度

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)鋸縫進(jìn)行觀察，通過(guò)圖像測(cè)量軟件得到鋸縫寬度。圖10為鋸縫圖像，Ⅰ號(hào)線鋸的鋸縫寬度為252 μm，Ⅱ號(hào)線鋸的鋸縫寬度為262 μm，Ⅰ號(hào)線鋸的鋸縫寬度比Ⅱ號(hào)線鋸小3.8%，Ⅰ號(hào)線鋸的鋸縫損耗更小。用千分尺測(cè)量鋸絲外徑，Ⅰ號(hào)線鋸的平均包絡(luò)外徑為221 μm，Ⅱ號(hào)線鋸的平均包絡(luò)外徑為238 μm。因而，鋸縫寬度受線鋸平均包絡(luò)外徑影響。

(a)Ⅰ號(hào)線鋸Wire saw Ⅰ(b)Ⅱ號(hào)線鋸Wire saw Ⅱ圖10 鋸縫圖像Fig. 10 Kerf of different wire saws

3.4 鋸絲表面磨粒脫落率

圖11為電鍍金剛石線鋸切片后的表面形貌。從圖11可知：線鋸的損耗主要是磨粒的正常磨損和脫落。

(a)Ⅰ號(hào)線鋸Wire saw Ⅰ(b)Ⅱ號(hào)線鋸Wire saw Ⅱ圖11 電鍍金剛石線鋸切片后的表面形貌Fig. 11 Surface morphology of used electroplated diamond wire saw

如圖7所示:將鋸絲長(zhǎng)度l進(jìn)行5等分，在中間4個(gè)等分點(diǎn)4、5、6、7處分別取長(zhǎng)度為10 mm的鋸絲，以觀察其表面磨粒脫落情況。利用SEM圖像統(tǒng)計(jì)每段鋸絲使用后的磨粒密度，取平均值，然后計(jì)算磨粒脫落率。磨粒脫落率γ由式(5)[13]計(jì)算：

(5)

式中：γ為磨粒脫落率，λ1、λ2分別為鋸絲未使用和使用后的磨粒密度，顆/mm。

磨粒脫落率γ的計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知：Ⅰ號(hào)線鋸的磨粒脫落率是Ⅱ號(hào)線鋸的磨粒脫落率的2.1倍，Ⅱ號(hào)線鋸的使用壽命更長(zhǎng)。磨粒是否脫落可以用鍍層應(yīng)變量判斷[13]，結(jié)合表1中的鍍層平均厚度分析，磨粒脫落率受鍍層厚度及單顆磨粒受力的影響。一方面，鍍層越厚，達(dá)到脫落應(yīng)變量需要的力越大，磨粒把持力越大，磨粒越難脫落；另一方面，在進(jìn)給力一定的條件下，磨粒密度越高，單顆磨粒受力越小，鍍層應(yīng)變量越小，磨粒越難脫落。

表5 鋸絲表面磨粒變化情況

4 結(jié)論

(1)恒力進(jìn)給式金剛石線鋸性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)機(jī)能夠定量評(píng)價(jià)線鋸的使用性能，主要包括鋸切效率、切片表面粗糙度、鋸縫寬度、線鋸表面磨粒脫落率的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)成本低。

(2)相同進(jìn)給力的條件下，Ⅰ號(hào)線鋸的鋸切效率比Ⅱ號(hào)線鋸的高13.6%。

(3)相同進(jìn)給力的條件下，Ⅱ號(hào)線鋸得到的切片表面質(zhì)量較好。沿走絲方向，硅片B的表面粗糙度平均值比硅片A的表面粗糙度平均值小17.5%；沿進(jìn)給方向，硅片B的表面粗糙度平均值比硅片A的表面粗糙度平均值小10.8%。

(4)相同進(jìn)給力的條件下，Ⅰ號(hào)線鋸的鋸縫寬度比Ⅱ號(hào)線鋸的小3.8%。

(5)相同進(jìn)給力的條件下，Ⅰ號(hào)線鋸的磨粒脫落率是Ⅱ號(hào)線鋸的磨粒脫落率的2.1倍，Ⅱ號(hào)線鋸的使用壽命比Ⅰ號(hào)線鋸的使用壽命長(zhǎng)。