高 航, 孔維邈

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 大連116024)

脆性材料在光學(xué)元器件行業(yè)，半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)，石材行業(yè)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。脆性材料既包含單晶硅、藍(lán)寶石等高硬度、高脆性材料，也包含KDP、DKDP等低硬度、高脆性材料。切割加工是脆性材料的首道加工工藝，其成本占生產(chǎn)總成本的40%以上[1]。脆性材料傳統(tǒng)切割時(shí)，材料表面質(zhì)量差、亞表面損傷增大甚至出現(xiàn)大尺寸裂痕等，因而多采用低應(yīng)力切割技術(shù)來(lái)加工脆性材料。脆性材料切割方法類型如圖1所示。

根據(jù)切割形式不同，圓鋸片切割可分為外圓切割和內(nèi)圓切割[2]。外圓切割加工效率高、操作簡(jiǎn)便，但外圓鋸片無(wú)法承受較大的徑向切割力，且鋸片直徑限制了切割材料的可加工尺寸；內(nèi)圓切割采用電鍍金剛石鋸片內(nèi)孔為切削刃，同樣也限制了切割材料的尺寸，且切割后工件切割刀口寬、損傷層大，僅適合于小直徑(<φ300 mm)晶體一般精度的加工[3]。

帶鋸切割常用于石材的切割，根據(jù)切割工具不同可分為鋼帶鋸和金剛石帶鋸。鋼帶鋸采用游離磨料來(lái)研磨加工，由于加工過(guò)程中使用大量的鋼砂和石灰等，嚴(yán)重污染環(huán)境；而金剛石帶鋸采用固結(jié)金剛石磨料磨削加工，切割效率高，環(huán)境污染少。但帶鋸切割硬脆材料，切口大、損傷層大，不適合用來(lái)切割貴重和切割要求高的硬脆材料。

線鋸切割比圓鋸片切割、帶鋸切割發(fā)展晚。20世紀(jì)90年代，我國(guó)線鋸開始應(yīng)用于硬脆材料如石材等[4]的加工。早期采用鋼絲線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)游離磨料研磨液進(jìn)行切割，研磨液通常由碳化硅磨料和礦物油混合而成，其加工原理屬于研磨加工范疇。相比帶鋸切割，鋼絲線直徑小、剛度低，切割過(guò)程中切口小，損傷層小，大大降低了由于機(jī)床震動(dòng)帶來(lái)的低硬度脆性材料崩片的概率。但由于同屬研磨加工范疇，其切割效率低，且使用大量的研磨液對(duì)環(huán)境污染較大。而用固結(jié)金剛石線鋸來(lái)切割，可以很大程度地避免上述問(wèn)題。本文就脆性材料用固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖1 脆性材料切割方法類型

1 金剛石線鋸研究進(jìn)展

切割用金剛石線鋸主要是固結(jié)金剛石線鋸，對(duì)它的研究主要集中在線鋸基體材料制造、金剛石在金屬線上的鍍覆及被切割材料的切割工藝等方面。20世紀(jì)70年代，MECH[5-6]最先將金剛石線鋸應(yīng)用在半導(dǎo)體材料切割領(lǐng)域；后經(jīng)無(wú)數(shù)學(xué)者探究，先后制造出可用于硅片加工的金剛石多線鋸[7-8]、往復(fù)式直線運(yùn)動(dòng)切割及單向連續(xù)運(yùn)動(dòng)線鋸[9]等多種切割工具。其中，單向連續(xù)運(yùn)動(dòng)線鋸是使用環(huán)形金剛石鋸絲進(jìn)行環(huán)形高速切割的線鋸切割形式，其切割速度快、切割面形的質(zhì)量好[10]。

1.1 固結(jié)金剛石線鋸加工機(jī)理

固結(jié)金剛石線鋸的加工原理與金剛石帶鋸加工原理相似，都屬于磨削加工方式[11]。與砂輪磨粒的曲線運(yùn)動(dòng)軌跡不同，固結(jié)金剛石線鋸切割過(guò)程中的線鋸運(yùn)動(dòng)軌跡可簡(jiǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，其磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為固定切深的直線。以工件進(jìn)給方向?yàn)閅軸正方向，金剛石線鋸運(yùn)動(dòng)的反方向?yàn)閆軸正方向，垂直于YZ平面且過(guò)線鋸中心軸線的方向?yàn)閄軸正方向，則根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系可建立固結(jié)金剛石線鋸切割模型，如圖2所示。圖2中：vs為線鋸線速度、vf為線鋸進(jìn)給速度、R0為線鋸半徑，設(shè)切削段上某個(gè)磨粒到線鋸中心O點(diǎn)連線與水平面的夾角為φ0。為了計(jì)算方便，我們將金剛石磨粒進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示。圖3中：B為磨粒直徑；H為磨粒高度；2θ0為切削刃頂角；h0為磨粒壓入晶體中的深度；2b0為磨粒壓入晶體的寬度。假設(shè)圖2中的切割陰影區(qū)域的磨粒微元寬度為ds，該微元沿電鍍金剛石線鋸主運(yùn)動(dòng)方向的微元面積為dA，材料的去除微元體積為dV，金剛石磨粒切割體積微元為dV′，磨粒面密度為m0。

圖2 固結(jié)金剛石線鋸切割模型

圖3 金剛石磨粒模型

在XY平面內(nèi)，根據(jù)弧長(zhǎng)公式，有：

ds=R0dφ0

(1)

單位時(shí)間內(nèi)，該微元沿電鍍金剛石線鋸主運(yùn)動(dòng)方向的微元面積dA為：

dA=vsds=vsR0dφ0

(2)

單位時(shí)間內(nèi)，材料的去除微元體積dV為：

dV=vfsinφ0dA=vfvsR0sinφ0dφ0

(3)

硬脆材料加工過(guò)程中，可認(rèn)為材料去除體積約等于刀具切割體積，則：

dV=dV′

(4)

根據(jù)磨粒面密度m0，dV′計(jì)算公式為：

dV′=h0b0vsm0dA

(5)

將式(2)、(3)、(5)帶入式(4)，得：

(6)

根據(jù)圖3的金剛石磨粒模型幾何參數(shù)，得：

(7)

將式(6)、(7)聯(lián)立，求解得金剛石磨粒的平均切割深度：

(8)

由式(8)可知：提高線鋸線速度vs，降低進(jìn)給速度vf，可降低磨粒切削深度。根據(jù)脆性材料延性加工理論：切削深度足夠小時(shí)，切屑在形成過(guò)程中表現(xiàn)出塑性變形的特征，而發(fā)生塑性變形的表面質(zhì)量通常優(yōu)于脆性變形的[12]。因此，固結(jié)磨料金剛石線鋸應(yīng)盡可能進(jìn)行高速切割，來(lái)獲得更好的表面質(zhì)量。

1.2 固結(jié)金剛石線鋸制備工藝

固結(jié)金剛石線鋸以琴鋼絲等鋼絲材料為基體，根據(jù)磨粒的固結(jié)方式不同可分為電鍍金剛石線鋸、樹脂金剛石線鋸及釬焊金剛石線鋸。其中，只有電鍍金剛石線鋸及樹脂金剛石線鋸適用于脆性材料加工。

電鍍金剛石線鋸具有制造過(guò)程簡(jiǎn)單、加工能力強(qiáng)等特點(diǎn)。電鍍工藝是指通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)在金屬材料表面鍍覆一層其他金屬材料的工藝。由于金剛石不具導(dǎo)電性，傳統(tǒng)的電鍍工藝并不適用于電鍍金剛石。目前，2種主要的電鍍工藝為埋砂法電鍍和電沉積電鍍。

埋砂法電鍍是指將鋼絲陰極埋置于含有大量懸浮金剛石磨料的電鍍液中進(jìn)行電鍍的方法，它不需要對(duì)金剛石磨料進(jìn)行預(yù)鍍，但需要先在鋼絲表面預(yù)鍍一層金屬結(jié)合劑，然后再進(jìn)行正式電鍍。其具體工藝為[13]：基體材料預(yù)處理-預(yù)鍍-上砂-加厚-后處理。

2007年，F(xiàn)URUTANI等[14]提出將電沉積技術(shù)應(yīng)用在電鍍金剛石線鋸上。電沉積電鍍需要先在金剛石磨粒表面通過(guò)化學(xué)鍍等方法鍍上一層金屬(如鎳、鈷等)，使磨粒具有一定的導(dǎo)電性，再對(duì)鋸絲進(jìn)行電鍍[15]。相較傳統(tǒng)電鍍工藝，該技術(shù)可增強(qiáng)金剛石與鋼線的結(jié)合強(qiáng)度，延長(zhǎng)其使用壽命。

電鍍金剛石線鋸雖然質(zhì)量較好，但電鍍時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率較低[16]；且金屬線斷裂扭曲強(qiáng)度較低，切割過(guò)程中易斷線[17]；同時(shí)，使用的電鍍液對(duì)環(huán)境有污染，需無(wú)害化處理。

SUGAWARA等[18]提出了采用樹脂黏合劑來(lái)制作金剛石線鋸的方法，采用的樹脂黏合劑提高了鋸絲的斷裂扭曲強(qiáng)度，因此相應(yīng)降低了鋸絲的直徑；采用0.130～0.155 mm的琴鋼絲為基體制造的樹脂線，鋸縫尺寸低至0.190 mm，降低了切割過(guò)程中脆性材料的損耗。侯志堅(jiān)等[19]以樹脂為黏合劑制造固結(jié)金剛石線鋸，并與電鍍金剛石線鋸進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)樹脂基金剛石線鋸的切割表面粗糙度優(yōu)于電鍍金剛石線鋸的，但其切割效率和使用壽命低于電鍍金剛石線鋸。

2 固結(jié)金剛石線鋸走線形式及機(jī)床設(shè)備

2.1 往復(fù)式

由于線鋸切割過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，且早期金剛石線鋸長(zhǎng)度較短，因此機(jī)床往往設(shè)計(jì)成往復(fù)式走線，如圖4所示。其加工過(guò)程中需要頻繁切換走線方向，加上放線輪及收線輪的慣性作用，金剛石線的切割速度較小，且切割速度不均勻，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量較差且呈波紋狀，無(wú)法充分發(fā)揮金剛石磨粒的優(yōu)點(diǎn)[20-22]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，對(duì)單晶硅等材料的切割成本要求及工藝要求越來(lái)越高，該方案在半導(dǎo)體行業(yè)基本被淘汰。

圖4 往復(fù)式固結(jié)磨料線鋸切割銅示意圖[23]

2.2 單向(多線)往復(fù)式

為提高材料切割質(zhì)量及效率，有學(xué)者提出單向(多線)往復(fù)式走線形式，其采用一根超長(zhǎng)線材，通過(guò)合理的線材管理系統(tǒng)保證線鋸在跑完一次有效線長(zhǎng)后完成一次進(jìn)給切割。同時(shí)，為提高線材利用率，往往將線材多圈纏繞，如圖5所示。該系統(tǒng)在切割硅片時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)給多片切割的效果。

圖5 多線往復(fù)式金剛石線鋸切割原理[24]

MEYER BUGER公司[25]最新開發(fā)的DW288S6多線切割機(jī)采用此多線切割、超長(zhǎng)線材并配合科學(xué)的線材管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)650 mm寬晶體材料的切割，線速度可達(dá)30 m/s，如圖6所示。該方案雖為往復(fù)式，但合理的線材管理及多線切割方式提高了加工效率。其加工線速度有進(jìn)一步提高的空間，但所需線材較長(zhǎng)，線材管理系統(tǒng)復(fù)雜，增加了使用成本。

圖6 DW288S6多線切割機(jī)及其DWMS繞線系統(tǒng)

大連連城數(shù)控機(jī)器股份有限公司[26]最新開發(fā)的金剛石切片機(jī)，其金剛石線鋸線徑≥φ0.07 mm，滿載儲(chǔ)線量<100 km，線速度≤25 m/s,一次單向切割時(shí)間<60 min，對(duì)于部分較大尺寸晶體、較慢進(jìn)給切割可實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程不換向。但對(duì)于大尺寸晶體(如切深達(dá)到1000 mm的KDP晶體),無(wú)法實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程中不換向。

2.3 單向循環(huán)式

由于多線切割往往需配合復(fù)雜的線材管理系統(tǒng)，線材長(zhǎng)度通常可達(dá)幾十公里，甚至上萬(wàn)公里,導(dǎo)致線輪慣性大，設(shè)備復(fù)雜，成本高昂。有學(xué)者提出采用環(huán)形閉合線材進(jìn)行切割，從而減少設(shè)備的復(fù)雜程度，降低設(shè)備成本；同時(shí)切割過(guò)程中不需換向，可以實(shí)現(xiàn)更高速的切割。WELL金剛石線鋸公司[27]最新開發(fā)的Murg 24-A型環(huán)形金剛石線鋸切割機(jī)(圖7)，其線材基體通過(guò)特殊的焊接方式焊接成環(huán)形、再電鍍上金剛石磨粒制成。該設(shè)備理論上可以實(shí)現(xiàn)高速無(wú)限單向切割，且提高切割面表面質(zhì)量；但由于焊接工藝存在缺陷，線材基體材料疲勞強(qiáng)度不足，高速切割時(shí)易斷線，其最大線速度僅為20 m/s，不能算是真正的高速金剛石線切割。

圖7 Murg 24-A型環(huán)形金剛石線鋸切割機(jī)

劉文濤[24]設(shè)計(jì)了一種環(huán)形金剛石線鋸切割機(jī)床，其由2個(gè)固定導(dǎo)線輪，2個(gè)漲緊輪組成，通過(guò)計(jì)算及有限元分析確定線輪直徑φ400 mm，有效降低了線鋸疲勞損傷，設(shè)計(jì)最高切割速度可達(dá)70 m/s。

高航研制了一種KDP晶體專用切割機(jī)床(圖8)。KDP晶體尺寸較大，要求線鋸有效切割區(qū)寬度≥1100 mm，切割高度≥600 mm。該設(shè)備采用周長(zhǎng)4960 mm的環(huán)形金剛石線鋸，并將導(dǎo)線輪減少至4個(gè)，直徑擴(kuò)大至350 mm。據(jù)測(cè)試，最大線速度超過(guò)32 m/s，持續(xù)切割時(shí)間最大超過(guò)6 h。由于機(jī)床精度有待進(jìn)一步提高，線鋸線速度可進(jìn)一步增加。

圖8 KDP晶體專用線鋸切割機(jī)床

3 市場(chǎng)需求及應(yīng)用

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等的發(fā)展，對(duì)脆性材料的精密線切割需求也越來(lái)越高，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

(1)硅片的需求量越來(lái)越大。2015～2018上半年，中國(guó)國(guó)內(nèi)硅片產(chǎn)量[28]如圖9所示。目前，每鋸切1 GW硅片需要0.070 mm的金剛石線鋸約21×105km，這足以看出硅片行業(yè)對(duì)金剛石線鋸巨大的需求量。

圖9 2015～2018上半年我國(guó)硅片生產(chǎn)情況

(2)光學(xué)晶體材料精密超精密加工需要大量的金剛石線鋸進(jìn)行切割。以KDP晶體為例，由于KDP晶體是慣性約束核聚變中唯一適用的光學(xué)晶體材料，在我國(guó)國(guó)防工業(yè)中占有重要的地位[29]；2015年10月中國(guó)建成了“神光Ⅲ”慣性約束核聚變裝置，該設(shè)備需要400 mm×400 mm大口徑KDP晶體至少200塊以上。國(guó)際上，美國(guó)的慣性約束核聚變裝置中大口徑KDP類晶體需求量達(dá)到576個(gè)；法國(guó)更是直接將KDP類晶體的加工放在了核聚變技術(shù)突破的首位[30-31]。

4 結(jié)語(yǔ)及展望

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)脆性材料精密線切割技術(shù)的要求越來(lái)越高。為了獲得更好的表面質(zhì)量，減少其后續(xù)加工余量，應(yīng)使線鋸切割時(shí)具有更高、更穩(wěn)定的線速度。具體體現(xiàn)在：

(1)減少切割過(guò)程中的換向次數(shù)，甚至直接避免加工過(guò)程中的換向操作，從而避免表面波紋產(chǎn)生；

(2)提高切割線速度，實(shí)現(xiàn)高速高效切割，提高切割面表面質(zhì)量；

(3)在保證高速切割不斷線的前提下，降低線材直徑，減少切縫帶來(lái)的材料損耗；

(4)研究線材材料及處理方式，提高線材的使用壽命；

(5)降低機(jī)床成本。

為此，對(duì)脆性材料用固結(jié)金剛石線鋸切割技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向做出如下展望：

(1)單向循環(huán)式線鋸技術(shù)，可有效避免切割過(guò)程中的換向過(guò)程，保證了線鋸線速度的穩(wěn)定，獲得了更均勻的表面質(zhì)量。其中環(huán)形固結(jié)金剛石線鋸是單向循環(huán)式線鋸切割機(jī)床的重要一環(huán)，如何獲得具有長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量以及小直徑的環(huán)形固結(jié)金剛石線鋸基體材料是未來(lái)發(fā)展的難點(diǎn)；

(2)單向循環(huán)式線鋸切割機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)切割。但針對(duì)單向循環(huán)式線鋸多線切割，機(jī)床機(jī)構(gòu)優(yōu)化等方面的研究較少。為提高硬脆材料的切割質(zhì)量及效率，大力發(fā)展單向循環(huán)式線鋸切割機(jī)床是未來(lái)的主流；

(3)電鍍工藝具有簡(jiǎn)單、可靠等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)良的金剛石線鋸磨粒固結(jié)工藝。不斷完善金剛石線鋸的電鍍工藝，提高金剛石線鋸的綜合機(jī)械性能也是其未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。