1、一、電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工     目前,固結磨料金剛石線鋸受制造工藝限制,應用和研究相對較少。Clark等人使用木材和泡沫陶瓷作為試件,對切割力進行在線測量,研究了固結磨料的金剛石鋸絲的壽命以及工藝參數對切割力、力比和加工表面粗糙度的影響。由于設備、資金和工藝的限制,國內的研究多為自制實驗設備,并用石材作試件進行實驗,從金剛石線鋸設備制造、切割質量、切割機理和失效機理幾方面進行了探索。樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出,線切割硅片表面粗糙度大,外表面損傷大,但損傷層的厚度要小于常規內圓鋸

2、切割硅片,并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。高偉對固結磨料的環形金剛石線鋸的鋸絲制造進行了研究,進行了花崗巖的切割實驗,建立了鋸切力的理論模型,研究了鋸絲失效機理,用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。     本文設計的超聲波線切割實驗裝置，主要是使金剛石線鋸實現直線往復切割加工和超聲波切割加工及復合加工。要實現以上功能，實驗裝置要完成的運動包括： （1） 線鋸的往復運動； （2） 線鋸的超聲波縱振動； （3） 線鋸的低速扭轉運動； （4） 工作臺X向的移動； （5） 工作臺Y向的移動；    

3、; 其中，線鋸的往復運動、超聲波振動是超聲波線切割加工的基本運動；工作臺的方向移動是為了加工成型表面，同時便于工件的裝夾和定位。此外，線鋸的扭轉運動是保證工具的磨損均勻和工件的加工質量。 1、實驗方法 1.1實驗設備 實驗采用自制的USDW-1型超聲波線切割實驗機，主機功率0.75KW,調速范圍80400rpm,行程為50150mm連續可調； 工具采用JR2型金剛石，線鋸直徑為0.31.0mm, 金剛石粒度為200280#；如圖1 超生發生器的功率為250W，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20m； 加工對象是氧化鋯陶瓷、玻璃。 圖1 電鍍金剛石線鋸的放大100倍的圖片 2、實驗結

4、果及分析 2.1 粒度對加工效率的影響      圖2表示當其他條件不變的情況下，線鋸直徑為0.5mm, 金剛石粒度為140280#轉速為200rpm,行程為100mm，側向壓力為5N，超生發生器的功率為250W，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20m；加工對象是氧化鋯陶瓷，金剛石粒度對加工效率的影響。由圖3可知，無論施加超聲振動的切割，還是未施加超聲振動的直線往復切割，其加工效率均是隨著金剛石的目數的增加，即粒度直徑的減小，加工效率降低。但是相同的條件下，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復切割的效率要高。 圖2 磨料粒度

5、與加工速度的關系 2.2 線鋸的轉速對加工效率的影響      圖3表示當其他條件不變的情況下，線鋸直徑為0.8mm, 金剛石粒度為200#,行程為100mm，側向壓力為5N，超生發生器的功率為250W，頻率為20KHz，工具的最大振幅為20m；加工對象是氧化鋯陶瓷，線鋸的轉速對加工效率的影響。由圖4可知，無論施加超聲振動的切割，還是未施加超聲振動的直線往復切割，其加工效率均是隨著線鋸的轉速的增加，加工效率提高。相同的條件下，施加超聲振動的切割比未施加超聲振動的直線往復切割的效率平均提高2.5倍。很顯然，隨著線鋸速度的提高，單位時間內

6、參加切割的金剛石磨粒數增多，因此，鋸切效率隨著轉速的提高而提高。同理，在相同條件下當施加超聲振動后加工效率進一步增加，也容易理解。 圖3 線鋸的轉速與加工效率的關系 2.3 側向力對加工效率的影響            本實驗表面分析采用上海產的金相顯微鏡和哈爾濱量具廠生產的2201型粗糙度儀分別對這兩種加工方法加工的零件表面進行分析如圖5(a) (b)所示. 圖5(a)為未施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值Ra=1.31.5m，圖5 (b) 為施加超聲振動時

7、，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值Ra=0.70.8m，由此可見，施加超聲振動時的金剛石線鋸切割得到的表面粗糙度要低。 圖5(a) 未施加超聲振動時金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值 圖5 (b) 施加超聲振動時金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷的粗糙度值      圖6為未施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷放大200倍金相照片，圖7為施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷放大200倍金相照片，從圖6和可以明顯地看到未施加超聲振動時，金剛石線鋸割氧化鋯陶瓷所產生明顯的切割條紋，而圖7中施加超聲振動時，金剛石線鋸切割氧化鋯陶瓷雖然可以看到切割條紋

8、，但是其切割條紋與圖6相比不很明顯，這一結果與測量到的粗糙度值相一致。 圖6 為未施加超聲振動 圖7為施加超聲振動 4、結論      利用自制的實驗設備研究了電鍍金剛石線鋸的超聲縱振動切割加工脆性材料，通過大量的實驗研究及測試,可得出如下結論： (1) 該方法在硬脆材料切割方面是一種 切實可行的高效的加工方法，具有材料去除率高、加工質量好、經濟性好等特點； (2) 該加工方法與相同條件下的普通鋸切相比，加工速度平均提高2.5倍； (3) 該加工方法與相同條件下的普通鋸切相比，表面粗糙度降低了近1倍；其表面粗糙度為Ra=0.70.8m；而且表面無明顯的切

9、削條紋； (4) 上述的實驗結果只是初步的，有許多問題有待進一步深入系統的研究。   基于超聲波理論的電鍍金剛石線鋸切割技術     應用超聲波下的電鍍金剛石線鋸的高效精密切片技術與目前采用的切片技術相比具有很大的優越性，是面向下一代IC制造的大尺寸硅晶體切片的先進技術。這項新技術的研究與應用涉及到聲學、機械學、電子技術、材料學、摩擦學、晶體物理、微觀力學等基礎理論和超硬磨料工具制造、精密加工和加工過程控制等工藝技術，是多學科交叉的研究課題。本項技術應用基于超聲原理的電鍍金剛石線鋸高效精密硅晶體切片的基礎理論和關鍵工藝技術，在保證高的

10、切片效率的同時，提高切片的出品率和面形精度，解決大尺寸硅晶體切片的關鍵技術問題，為我國深亞微米IC制造提供擁有自主產權的高效精密切片技術。對實現我國微電子制造技術的跨越式發展具有重要的理論意義和實用價值。研究成果不僅可用于IC制造領域，也可用于其他貴重功能晶體和硬脆材料的切割加工，具有十分廣闊的應用前景。基于硬脆材料切割的一種超聲波切割鋸是發明專利，專利號：ZL 03 133682.5。該項技術于2006年獲沈陽市科技發明二等獎。其涉及到的技術和方法的創新主要表現在以下幾方面:(1)高效切割隨著超硬材料加工技術及機床設備的發展,切割效率將不斷提高。應用該項技術其加工效率較現有的方法提高了2.5

11、3倍。而表面質量提高一倍。    (2)高出材率提高了出材率，節約資源,降低生產成本。  (3)精密切割影響線鋸切割精度的主要因素是切割時鋸絲發生彎曲,通過對線鋸施加縱向高頻振動可有效控制鋸絲彎曲,提高切割精度。    (4)變速切割隨著切割過程中的位移、速度、加速度的有規律的進行，改變線鋸與工件的接觸狀態，實現高速、低溫切割。 (5)自動編程與多軸聯動隨著軟件程控技術的發展,數控切割的編程系統將更加完善。基于Windows和Auto CAD的自動編程系統將大大提高編程效率,并且允許切割形狀復雜的曲面。    (6)經濟性好實際應用表明,