何亮,张顺林,郭桦

(华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021)

金刚石超薄切割砂轮电火花减薄工艺的研究①

何亮,张顺林,郭桦

(华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021)

采用电火花加工原理对真空热压烧结后的金刚石超薄切割砂轮毛坯进行减薄,通过正交试验和方差分析的方法,研究了峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等电火花参数对电火花减薄金刚石超薄切割砂轮效果的影响。试验中金刚石砂轮厚度由0.4mm减薄至0.2mm。试验结果表明:电参数对厚度尺寸均匀性的影响不大;相对翘曲度主要受峰值电流的影响;表面粗糙度主要受峰值电流和脉冲宽度的影响;影响减薄效率较为显著的因素是峰值电流和脉冲间隔。

金刚石超薄切割砂轮;减薄;电火花加工

金刚石超薄切割砂轮由于具有切割槽宽小、切割端口平滑、废品率低、切割效率高等优点,越来越受到人们的重视[1]。随着电子工业和光电产业的不断发展,金刚石超薄切割砂轮被广泛应用于硅片、光学元器件和陶瓷等硬脆性材料的精密微细切割和开槽加工等[2]。

目前使用的金刚石超薄切割砂轮按使用结合剂的不同可大致分为树脂、电镀及金属烧结三大类。常规电镀金刚石超薄切割砂轮能获得较薄的厚度,但切割寿命短;常规树脂结合剂超薄切割砂轮由于其硬度较低等原因,在切割时容易出现偏摆和大槽宽等现象[2];烧结型金属结合剂金刚石超薄切割砂轮(下文简称金刚石超薄切割砂轮)具有结合强度高、耐磨、形状保持性好、寿命长等优点,是硅晶圆划片加工的重要工具[3]。由于热压烧结工艺的限制,烧结出的金刚石超薄切割砂轮毛坯的厚度并不能满足划片工艺的要求。为了避免在使用中被划切材料出现大切宽、崩边、裂片等现象以及砂轮本身在极高的转速条件下发生碎裂而产生的危险,[4]就必须对烧结毛坯进行减薄修整。

目前,国内外对普通的金刚石烧结砂轮有多种修整方式,但对金刚石超薄切割砂轮减薄加工的研究报道很少。由于金刚石超薄切割砂轮具有厚度薄、平面度要求高等特殊要求,传统的砂轮修整方法难以适应。有研究者进行了金刚石超薄切割砂轮减薄研磨工艺的研究[5],利用平面研磨虽然能对金刚石超薄切割砂轮进行减薄修整,但是存在效率低、加工过程控制难度大、不易实现自动化等缺点。因此本课题提出采用电火花加工方法代替传统平面研磨加工,以期在保证减薄精度的基础上提高减薄效率,降低生产成本。

本课题通过正交试验与方差分析,研究不同峰值电流(ie)、脉冲宽度(ti)、脉冲间隔(to)对减薄后金刚石超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率的影响,以探求最佳减薄工艺。

1 试验条件与方案

1.1 试验工件与试验原理

试验所用金刚石超薄切割砂轮由W40的金刚石微粉和300目的铜锡合金等粉末均匀混合烧结而成。试样尺寸规格为:外径58mm,内径40mm,厚度0.4mm(±0.05mm),相对翘曲度0.15mm(±0. 01mm),如图1所示。

图1 金刚石超薄切割砂轮毛坯Fig.1 The diamond ultrathin cutting wheel blanks

试验在DM7140型汉川精密电火花成型机上进行,利用无机导电胶将试样工件固定在不锈钢工具盘上,将工具盘放置在装有工作液的机床工作台上,打开脉冲电源,在工具电极和试样工件之间建立起放电通道,依靠放电通道内部瞬时产生的大量热量在电极两端达到极高的温度,该温度足够使砂轮结合剂材料局部熔化、汽化而被蚀除掉,[6]以便金刚石自然脱落,使试验试样变薄,试验加工示意如图2、图3所示。试验中电极材料为紫铜,采用负极性加工(工件接电源负极),工作液选用煤油,采用浸油方式,设定主轴定时抬刀,改善排屑条件。

图2 电火花减薄加工Fig.2 Electrical discharge thinning machining

图3 电火花减薄原理Fig.3 Principle of electrical discharge thinning

1.2 试验评价指标及检测方法

厚度尺寸均匀性和相对翘曲度对超薄切割砂轮的安装精度、切割过程中的切缝宽度、崩边大小等都有很大的影响,因此将这两个几何参数作为金刚石超薄切割砂轮电火花减薄精度的评价指标。厚度尺寸均匀性采用Mitutoyo高精度数显千分尺检测,仪器测量精度1μm,沿超薄切割砂轮周向连续随机测量30次,取最大值与最小值的差值表示厚度尺寸均匀性;相对翘曲度检测则采用基恩士激光位移传感器(LK-G150),将金刚石超薄切割砂轮置于光滑的大理石平面上处于自由状态,采用无接触式并沿其圆周方向连续随机进行测量30次,最高点和最低点的差值即为相对翘曲度。

电火花加工表面不同于普通金属切削表面,其表面是由无数个不规则的放电凹坑组成的。如果凹坑过深会影响金刚石超薄切割砂轮基体的力学性能,降低砂轮强度,因此,将间接反应放电凹坑深浅的表面粗糙度Ra作为金刚石超薄切割砂轮电火花减薄后表面质量的评价指标之一。采用Mahr XR20表面粗糙度仪进行测量,取样长度为1.75mm,测量速度0.25mm/s,沿其周向连续随机测量20点取其平均值。

同时我们把电火花减薄效率作为试验评价指标。减薄效率用单位时间内被加工掉的材料体积来表征,单位为mm3/min。试验通过测量单位时间内超薄切割砂轮厚度的减少量,再乘以砂轮端面面积得到减薄效率。

1.3 试验方案

本试验有三个因素,每个因素有三个水平,按正交试验设计试验点,选用L9(34)正交表中的三列安排正交试验,如表1所示。试验中金刚石砂轮厚度由0.4mm减薄至0.2mm。

表1 正交试验设计Table 1 The orthogonal experiments design

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果与方差分析

表2为不同峰值电流、脉冲宽度及脉冲间隔对电火花减薄后的金刚石超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率影响的正交试验结果。

对正交试验结果进行处理,分别得到金属结合剂超薄切割砂轮的厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率的方差分析结果,如表3、表4、表5和表6所示,其中F为各因素的偏差平方和与误差的偏差平方和的比值,它服从自由度为(2,2)的F分布。

表2 正交试验结果Table 2 The results of orthogonal experiments

表3 厚度均匀性方差分析表Table 3 Variance analysis of uniformity of thickness

表4 相对翘曲度方差分析表Table 4 Variance analysis of relative warp degress

表6 整形效率方差分析表Table 6 Variance analysis of machining efficiency

从以上方差分析表中的分析可知,对厚度尺寸均匀性而言,峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隔的影响均不大。对相对翘曲度而言,峰值电流的影响显著,脉冲宽度和脉冲间隔的影响不大。对表面粗糙度而言,峰值电流的影响显著,脉冲宽度的影响较大,脉冲间隔的影响不大。对整形效率而言,峰值电流的影响显著,脉冲间隔的影响较大,脉冲宽度的影响不大。

2.2 各因素的影响分析

分别把正交试验同一水平峰值电流、同一水平脉冲宽度、同一水平脉冲间隔下得到的试验结果加以平均,即得到峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔与厚度尺寸均匀性、相对翘曲度、表面粗糙度和加工效率之间的对应关系,如图4、图7、图8所示。

2.2.1 峰值电流的影响

图4 (a) 峰值电流对减薄精度的影响Fig.4(a) The influence of peak current on the thinning precision

图4 (b) 峰值电流对表面粗糙度和加工效率的影响Fig.4(b) The influence of peak current on surface roughness and machining efficiency

由图4(a)可知,随着峰值电流的增大,厚度尺寸均匀性值小幅增大,相对翘曲度明显变大。这是因为峰值电流越大,工具电极与工件之间的放电间隙越大,可能产生的间隙变化量也越大,[7-8]这会在一定程度上影响仿形加工精度,引起超薄切割砂轮厚度尺寸均匀性的降低。在电火花整形过程中,火花放电最先在超薄切割砂轮较厚处产生,由于砂轮毛坯本身厚薄不均匀,各部分受火花放电的作用效果不同,则导致的冷热程度和热胀冷缩程度也不一样,这会在砂轮厚处与薄处的过渡区域内形成相互作用的内应力。内应力在整个砂轮内部是相互平衡的,当超薄切割砂轮从工具盘拆开后,内应力就要寻求新的平衡,由于超薄切割砂轮的刚度很低,因此当应力释放时会发生变形,如图5所示。峰值电流增大,脉冲能量增大,电火花整形过程中产生的热量也增大,超薄切割砂轮由于自身厚度不一产生的内应力也增大,因此,加工完成拆胶后产生的翘曲变形也会增大。

图5 电火花减薄后超薄切割砂轮翘曲变形Fig.5 The warp distortion of ultrathin cutting wheel after the electrical discharge thinning

图4(b)中,当峰值电流从1.15A增加到4.15A时,加工效率增加了8倍,由4.15A增加到7.15A时却仅增加了1倍。这是因为,当峰值电流仅为1.15A时,放电间隙过小,不易排屑,致使放电短路的概率大大增加,有效脉冲放电所占比例大大降低,从而大大降低了加工效率。当峰值电流增加到4.15A时,一方面,放电间隙随之增大,排屑状况得到很大改善,有效放电概率大大增加;另一方面,峰值电流增大,单个脉冲能量增大,单次脉冲放电的蚀除量也增大,从而加工效率得到很大的提高。当峰值电流继续增大到7.15A时,放电间隙的增大对加工效率的影响大大降低,因此加工效率增加的速率变缓。随着峰值电流的增大,单个脉冲能力增大,单个脉冲放电留下的蚀坑会增大,如图6所示,因此,表面粗糙度会变差。

图6 不同峰值电流下的蚀坑大小Fig.6 The size of discharge crater of different peak current

2.2.2 脉冲宽度的影响

由图7(a)可知,随着脉冲宽度的增加,厚度尺寸均匀性得到小幅提高,相对翘曲度变大。因为,随着脉冲宽度的增加,工具电极对工作液中热分解产生的碳黑“吸附效应”增强,[7-8]工具的相对损耗减少,由电极损耗产生的超薄切割砂轮厚度尺寸误差就会减小。但是当脉冲宽度增大时,脉冲能量增大,从2.2.1节中关于峰值电流对相对翘曲度的影响分析可知,超薄切割砂轮内部产生的内应力也增大,故超薄切割砂轮的翘曲变形增大。

图7(a) 脉冲宽度对减薄精度的影响Fig.7(a) The influence of pulse with on the thinning precision

图7(b) 脉冲宽度对表面粗糙度和加工效率的影响Fig.7(b) The influence of pulse with on surface roughness and machining efficiency

图8(a) 脉冲间隔对减薄精度的影响Fig.8(a) The influence of pulse separation on the thinning precision

图7(b)中,随着脉冲宽度的增大,表面粗糙度变差,加工效率提高。主要是因为随着脉冲宽度的增加,一方面,单个脉冲能量增大,单个脉冲蚀除的材料体积增大,留下的蚀坑变大,因此,表面粗糙度值变大;另一方面,单次脉冲放电时间增加,单位时间内脉冲放电时间所占比例增大,单位时间内的总蚀除量也就增大,从而加工效率得到提高。

2.2.3 脉冲间隔的影响

由图8(a)可知,随着脉冲间隔的增大,厚度尺寸均匀性变差,相对翘曲度先减小后趋于稳定。这是由于脉冲间隔增大,工具电极对介质中热分解产生的碳黑“吸附效应”减少,[7-8]使得工具电极损耗增大,导致厚度尺寸均匀性降低。随着脉冲间隔的增大,放电频率减小,单位时间内产生的热量减少,超薄切割砂轮表面温度降低,因此超薄切割砂轮所受的热应力降低,从而相对翘曲度降低。

图8(b) 脉冲间隔对表面质量和加工效率的影响Fig.8(b) The influence of pulse separation on surface roughness and machining efficiency

图8(b)中,随着脉冲间隔的增加,粗糙度值缓慢减小,加工效率明显降低。这是因为,当脉冲间隔增大,放电通道消电离充分,可避免电弧等有害放电的产生,有利于得到较好的加工表面质量。但是,随着脉冲间隔的增加,放电频率降低,实际参与放电时间减少,从而加工效率降低。

2.2.4 各因素对超薄切割砂轮减薄效果影响的总体评价

由图4可知,当ie从1.15A增加到4.15A时,厚度均匀性增幅13.8%,相对翘曲度增幅279%,粗糙度增幅43.7%,加工效率增幅826.2%;ie由4.15A增加到7.15A时,厚度均匀性增幅6.1%,相对翘曲度增幅27.3%,粗糙度增幅26.8%,加工效率增幅104.4%。综合考虑,ie选取4.15A。

由图7分析可知,当ti由20μs升高到60μs时,厚度均匀性降幅为1.4%,相对翘曲度增幅2.4%,粗糙度增加18.5%,加工效率增加44.4%;ti由60μs增加到100μs时,厚度均匀性降幅13.2%,相对翘曲度升幅13.8%,粗糙度增加21.3%,加工效率提高25.1%。综合考虑,ti取60μs时可获得较好的整形质量和效率。

由图8可知,当to从10μs增加到20μs时,厚度均匀性增幅5%,相对翘曲度降幅20.2%,粗糙度降幅3.6%,加工效率降幅14.2%;to从20μs增加到40μs时,厚度均匀性增幅15.9%,相对翘曲度降幅1.2%,粗糙度降幅6.3%,加工效率降幅47.7%。综合考虑,脉冲间隔选取20μs时,可以得到较好的整形质量和效率。

3 结论

1)随着峰值电流的增大,厚度尺寸均匀性有变差的趋势,相对翘曲度、表面粗糙度以及加工效率都显著增大。

2)随着脉冲宽度的增加,厚度尺寸均匀性有变好的趋势,相对翘曲度缓慢增大,表面粗糙度和加工效率也增大。

3)随着脉冲间隔的增大,厚度尺寸均匀性变差,相对翘曲度和表面粗糙度得到改善,但加工效率明显降低。

4)综合分析各因素的影响规律,当ie=4.15A、ti=60μs,to=20μs时,可以获得较好的减薄效果。

[1] 唐营,何伟春.超薄金刚石切割片的研究及应用现状[J].超硬材料工程,2010(9):36-37.

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[8] 曹凤国.电火花加工技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

Electrical discharge thinning process of diamond ultrathin cutting wheel

HE Liang,ZHANG Shun-lin,GUO Hua
(MOE Engineering Research Center for Brittle Materials Machining,Huaqiao University,Xiamen 361021,Fujian)

The Electrical Discharge Machining(EDM)was used for thinning the diamond ultrathin cutting wheel which was sintered by vacuum hot pressing.The influence of EDM process parameters on the results such as the peak current,the pulse width and the pulse separation,was discussed by means of orthogonal test and variance analysis method.The thickness of diamond cutting wheel decreased from 0.4mm to 0.2mm.It is found that the EDM parameters have little effects on the uniformity of thickness;The relative warp degree is influenced mainly by the peak current;The surface roughness is influenced mainly by the peak current and the pulse width;The peak current and the pulse separation have obvious effects on the machining efficiency.

diamond ultrathin cutting wheel;thinning;electrical discharge machining

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0005-06

2014-02-25

何亮(1988-),男,华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心在读研究生,主要从事超硬材料工具研究。

国家科技支撑项目(课题编号:2012BAF13B04)、国家自然科学基金(51175193)、长江学者与创新团队发展计划(IRT1063)