超声切割SiC单晶时金刚石线锯磨损特性的研究

王肖烨

(宝鸡文理学院机电工程系，陕西宝鸡 721007)

0 前言

超声线锯切割SiC单晶时，必然受到工件的反作用力。从经济角度考虑，除了工件材料外，金刚石线锯的寿命对切割加工的影响最大。徐西鹏等［1－2］对金刚石圆盘锯锯切花岗岩时金刚石磨粒的磨损机制和形态进行了研究发现，锯切硬脆材料时，将会产生磨粒的破碎、脱落、镍镀层磨损甚至线锯的断裂从而失效，黄辉等人［3］用串珠绳锯锯切花岗岩时发现金刚石磨粒的磨损特性与徐西鹏的结论类似，姚勋和胡超［4－5］用金刚石线锯对SiC单晶进行了切割发现，线锯受到较大锯切力作用后，线锯会绷断或者崩片，赵礼刚等［6］用金刚石线锯切割半导体陶瓷时发现线锯宏观失效形式主要有基体拉断和疲劳断裂两种。附加超声振动后，线锯失效及磨损机制不同于一般的金刚石刀具，为了提高线锯使用寿命和加工效率并降低加工成本，本文作者对超声辅助切割SiC单晶时工件进给速度对线锯偏角的影响、切割方式对线锯磨损的影响、切削液对线锯磨损的影响以及磨粒破坏形式对线锯切割性能的影响进行了相关实验及分析。

1 超声辅助线锯切割模型及理论分析

1.1 超声辅助线锯切割模型

图1为超声线锯切割SiC单晶模型。切割SiC单晶时，理想状态下线锯与工件为点接触，如图1(a)所示。但是，线锯是个柔性体且SiC单晶为超硬脆材料，工件进给为恒进给，这就使得线锯切割能力与工件进给量之间不完全匹配，因此实际切割状态下线锯与工件为弧接触，如图1(b)所示。

图1 超声线锯切割模型

1.2 线锯失效形式

通过试验发现，超声线锯切割SiC单晶时，线锯的失效形式有两种，分别为微观失效(磨粒的磨平、破碎、脱落及镀层磨损，如图2所示)和宏观失效(疲劳断裂和线锯拉断，如图3所示［6］)。

图2 线锯磨损前后SEM微观形貌图

图3 宏观失效断口SEM图像

1.2.1 微观失效

由图3可知，新的金刚石磨粒形状完整，切削刃锋利，使用后的磨粒出现磨平、破碎、脱落(分别为①、②、③处)及镀层磨损(如④处)。图3(b)虽然为使用过一段时间后的线锯，但表面依然存在一些完整晶形的金刚石磨粒，这是由于磨粒分布在线锯圆周方向，而切割过程中线锯只有一侧磨粒参与切割，这就使得参与切割的一侧磨粒受损比较严重，另一侧磨粒还呈现完整形貌。在图3(a)中，部分磨粒在没有发挥切削性能的时候已经整体脱落，因此为提高线锯寿命、发挥金刚石的切割能力，线锯制造过程中应研究新措施来提高磨粒的把持力。

1.2.2 宏观失效

1.2.2.1 线锯的拉断

线锯基体所受应力值超过其抗拉强度就会产生断裂。试验过程中，引起线锯断裂的原因有很多，主要包括:预紧力过大、工件进给率太大而导致的侧向压力过大和因工作台爬行导致工件对线锯的突然冲击等。线锯一旦断裂，切割加工将无法继续进行，因此应避免线锯受到的拉应力超过其抗拉强度。试验中，线锯所受应力有:

(1)图4为线锯受力模型。其中，F1、F2为切割点两侧线锯所受拉力;α、β为上下偏角;FN为工件对线锯的法向力;FT为工件对线锯的切向力;FNc为超声波对线锯的压力，MNc=FNcc。

图4 金刚石线锯受力模型

根据力的平衡，可以得到:

则:

从式(2)可知，F1＜F2，故只需考虑由线锯拉力F2产生的拉应力。其值为:

式中:As为线锯横截面面积。

(2)线锯转过导轮时，产生弯曲应力σa

式中:d为线锯直径;ρ为导轮曲率半径，且ρ=D/2(D为导轮直径);E为线锯弹性模量。

(3)惯性离心力产生的线锯应力

图5所示为线锯惯性离心力示意图。

图5 线锯惯性力示意图

由于D≫d，因此可以假设线锯内各点向心加速度大小相等，即αn=D/2ω2，方向由圆心指向外，单位体积内惯性力为:

则

式中:ms为线锯单位体积质量。

设σb为线锯抗拉强度，为保证切割平稳进行，取安全系数ξ=1.2。由应力叠加原理可知，线锯不被拉断的的条件为:

有

即

把式(2)代入式(10)可得:

由实验可知:

由式(12)可知，要想通过增大工件进给速率vx提高效率，必须提高线锯强度，增大导轮直径，降低线速。

1.2.2.2 线锯的疲劳断裂

线锯疲劳断裂的原因主要是因为长时间的交变应力。切割过程中，线锯往复式运动及超声振动使得线锯处于交变应力作用下，易产生疲劳断裂。线速vs及超声频率f越高，交变应力越大，线锯的寿命也就越短。因此，在工件进给速率不变的情况下，尽可能地降低线锯速度及超声频率或增大线锯的有效切割长度。在实际切割过程中，一般线锯只能使用一次，只要工艺参数合理，线锯在切割过程中一般不会出现疲劳断裂。

2 实验部分

超声辅助金刚石线锯切片技术目前还处于实验研究阶段，为便于安装测量设备及节约成本，本实验所用机床由沈阳麦科材料加工设备有限公司生产的WXD170型往复金刚石线旋转点切割机改装而成，如图6所示。改装后机床的主要技术参数为:超声振幅:0～20μm;频率:19.8 kHz;线锯直径:0.2～0.6 mm;线锯速度:0～3 m/s、无级可调;工件进给速率:0.005～18 mm/min;工件转速:0～36 r/min;x轴移动平台行程:120 mm;y轴移动平台行程:120 mm;气动张力:0～0.6 MPa，无级可调。

图6 切割机床

实验所用金刚石线锯直径0.3 mm，磨粒尺寸30～40μm，总长50 m，气动张力F=0.24 MPa。SiC单晶棒由本校新型半导体功能材料与设备研究中心提供，采用PVT法生成，直径60 mm，切片厚度0.8 mm。

3 结果与讨论

3.1 工件进给速度对线锯偏角的影响

图7为线锯上下偏角测量方法。切割过程中，用照相机每隔20 min拍摄线锯弯曲状态。对所得照片添加辅助线，得到线锯上下偏角α、β值。图8为线锯上下偏角α、β测量结果(F=0.22 MPa、A=16 μm、f=19.8 kHz、vs=1.9 m/s、nw=20 r/min)。

图7 线锯偏角测量

结合切割过程及图8可知，工件进给速率vx=0.15 mm/min时，线锯断裂;vx=0.125 mm/min，线锯弯曲严重，且有部分上下偏角超过9°。虽然大的工件进给速率会提高切割效率，但为保证实验顺利进行，后续实验中vxmax=0.1 mm/min。当然，vx过小，切割效率会降低。

通过实验条件可知:vs=1.9 m/s、d=0.3 mm、ρ=16 mm，α=β=8°，线锯抗拉强度σb=3 200 MPa，代入公式(11)及(12)得:

通过计算可知，σ惯相对于σb、σa可以忽略不计。

图8 偏角测量结果

综上所述，工件进给速率vx及超声振幅A增大、线锯所受法向力增大、线锯弯曲增大、弯曲应力增大，线锯易被拉断;但vx及超声振幅A过小，切割效率会降低。

3.2 切割方式对线锯磨损的影响

图9为金刚石线锯磨损过程示意图。从图中所示的磨损规律可知，AB段为初期磨损阶段，CD段为后期急剧磨损阶段，均属非正常磨损，因此为提高实验测量数据可靠性，在记录实验数据之前，应对每根线锯使用一段时间之后，避开AB段再开始采集数据，后期急剧磨损阶段不采集数据。

图9 线锯磨损过程示意图

用外径千分尺来测量线径，JSM-6700F扫描电镜扫描线锯形貌。将工作段线锯均分成50段并测量各段中点线径值。切割1.5 h之后的开始测量，其后每切完1片测量1次，线锯磨损用如下公式表示:

式中:dwi为切完第i片线锯直径的减小量，i=1、2、3…;d0为初始直径;dij为切完第i片后第j个点线径。

图10为线锯磨损量对切割时间的影响(vs=1.9 m/s、vx=0.08 mm/min、nw=16 r/min)。从图中可知，未加超声时，线锯随切割的进行急剧磨损，大约12 h左右基本丧失切割能力;附加超声后，切割初始阶段线锯磨损较快其后逐渐趋于平稳，直至20 h左右时还存在切割能力，磨损量降低大约为40%。

图10 线锯磨损量对切割时间的影响

图11 工件进给速率对线锯寿命的影响

图11为工件进给速率对线锯寿命的影响(vs=1.9 m/s、nw=16 r/min、把磨损量30μm作为线锯寿命极限)。可以看出，工件进给速率越大时超声振动作用就越明显。这是因为未加超声作用时线锯和工件表面直接接触使得摩擦力太大且切割区温度太高，结果降低了镀层对金刚石磨粒的把持力、从而导致磨粒发生脱落或者石墨化，线锯切割能力降低;附加超声振动后，线锯与工件脉冲接触，切屑及时排出使得摩擦力大幅减小、镀层磨损降低且磨粒脱落和石墨化降低、切割成本降低［7］。

3.3 切削液对线锯磨损的影响

切削过程中，正确选择切削液可以有效降低摩擦、切削温度、减小刀具磨损、提高刀具耐用度、改善工件表面粗糙度且保证工件加工精度，达到最佳的经济效果。切削液通常依据机床、刀具、工件材料等综合考虑进行选择。切削过程中，切削液共有冷却、清洗、防锈、润滑4大功能。本实验根据SiC单晶的材料性质和金刚石线锯特性，将清洗作为首要目标，选Ecocool ResistEP微乳化液和自来水为切削液进行试验。

图12为切削液种类对线锯影响的SEM图。由图中可知，与使用自来水为切削液的线锯相比，使用Ecocool ResistEP微乳化液后线锯表面堵塞比较严重。这是因为SiC单晶属超硬脆材料，切割过程中会产生大量的切屑及少量破碎的金刚石颗粒，因线锯上金刚石磨粒作为刀具出刃高度本身很低，而微乳化液的清屑能力较含有活性剂的自来水差，线锯表面的堵塞粘附使得SiC单晶切屑和脱落的金刚石磨粒一起作用滑擦晶片表面，因此摩擦力增大、切削力相应增加。严重时产生崩片。

图12 切削液对线锯的影响

3.4 磨粒破坏形式对线锯切割性能的影响

SiC单晶切割过程中，金刚石磨粒的理想寿命周期应该是:完好—小块破碎—大块破碎—磨钝或是磨平—脱落。一颗金刚石只有完成了这一理想寿命周期，才能充分发挥它的切削作用。磨粒的不同破损形式对其切割性能的影响如下:

(1)完好形状:金刚石磨粒刚刚出刃，未经磨损，呈现完整形状。此时，金刚石磨粒具有较好的切割能力。

(2)小块破碎:加工过程中，金刚石磨粒经历了一定的机械冲击及磨蚀，磨粒表面出现微小破碎、产生微小切削刃，有利于切割。但是这种情况加剧了磨粒的破碎过程、影响线锯使用寿命。

(3)大块破碎:失去原有的完整形态。严重影响切割能力，甚至可以说失去了切割能力。由于破碎严重，金刚石磨粒出刃高度降低，影响切削性能。

(4)磨钝或磨平:机械摩擦作用造成磨粒表面呈现圆弧面及平面状磨损。同时，切削热加快磨粒表面石墨化速度、造成表面抛光。此种磨粒已失去切削能力。

(5)脱落:切削热导致金刚石磨粒与基体间的结合剂镍镀层出现软化、把持能力降低，使磨粒直接脱落。金刚石脱落数越多，参与切割的金刚石颗粒数就越少，加快了刀具的磨损速度［8］。

4 结论

(1)工件进给速率及超声振幅增大、线锯所受法向力增大、线锯弯曲增大、弯曲应力增大，线锯易被拉断，但过小，切割效率会降低，要想通过增大工件进给速率提高效率，必须提高线锯强度、增大导轮直径，降低线速。

(2)超声辅助切割时线锯磨损降低约40%。

(3)使用Ecocool Resist EP微乳化液做切削液时线锯表面堵塞比较严重。

(4)金刚石磨粒表面出现的微小破碎有利于切割进行。

［1］徐西鹏，沈剑云，黄辉．锯切花岗石过程中金刚石节块磨损特征及影响因素分析［J］．摩擦学学报，1998，18(2):162－166．

［2］徐西鹏．岩石材料的金刚石锯切研究进展［J］．机械工程学报，2003，39(9):17－22．

［3］黄辉，黄国钦，郭桦，等．锯切花岗岩过程中金刚石串珠锯的磨损特性［J］．机械工程学报，2008，44(8):113－118．

［4］姚勋．金刚石线锯切割SiC单晶片过程控制及仿真［D］．西安:西安理工大学，2012．

［5］胡超．SiC单晶片切割过程中锯切力建模与试验［D］．西安:西安理工大学，2013．

［6］ZHAO L G，ZUO D W，SUN Y L，et al．Experimental Research on Cutting of Silicon with Fixed Diamond Wire Saw［J］．Key Engineering Material，2010(431/432):25－28．

［7］李言，王肖烨，李淑娟，等．超声辅助线锯切割SiC单晶实验研究［J］．人工晶体学报，2012，41(4):1076－1081．

［8］GODFREY O U，KUMAR S．Response Surface Methodology-based Approach to CNC Drilling Operations［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，171:41－47．