金剛石超薄切割砂輪電火花減薄工藝的研究①

何亮,張順林,郭樺

(華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心,福建廈門361021)

金剛石超薄切割砂輪電火花減薄工藝的研究①

何亮,張順林,郭樺

(華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心,福建廈門361021)

采用電火花加工原理對真空熱壓燒結后的金剛石超薄切割砂輪毛坯進行減薄,通過正交試驗和方差分析的方法,研究了峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔等電火花參數對電火花減薄金剛石超薄切割砂輪效果的影響。試驗中金剛石砂輪厚度由0.4mm減薄至0.2mm。試驗結果表明:電參數對厚度尺寸均勻性的影響不大;相對翹曲度主要受峰值電流的影響;表面粗糙度主要受峰值電流和脈沖寬度的影響;影響減薄效率較為顯著的因素是峰值電流和脈沖間隔。

金剛石超薄切割砂輪;減薄;電火花加工

金剛石超薄切割砂輪由于具有切割槽寬小、切割端口平滑、廢品率低、切割效率高等優點,越來越受到人們的重視[1]。隨著電子工業和光電產業的不斷發展,金剛石超薄切割砂輪被廣泛應用于硅片、光學元器件和陶瓷等硬脆性材料的精密微細切割和開槽加工等[2]。

目前使用的金剛石超薄切割砂輪按使用結合劑的不同可大致分為樹脂、電鍍及金屬燒結三大類。常規電鍍金剛石超薄切割砂輪能獲得較薄的厚度,但切割壽命短;常規樹脂結合劑超薄切割砂輪由于其硬度較低等原因,在切割時容易出現偏擺和大槽寬等現象[2];燒結型金屬結合劑金剛石超薄切割砂輪(下文簡稱金剛石超薄切割砂輪)具有結合強度高、耐磨、形狀保持性好、壽命長等優點,是硅晶圓劃片加工的重要工具[3]。由于熱壓燒結工藝的限制,燒結出的金剛石超薄切割砂輪毛坯的厚度并不能滿足劃片工藝的要求。為了避免在使用中被劃切材料出現大切寬、崩邊、裂片等現象以及砂輪本身在極高的轉速條件下發生碎裂而產生的危險,[4]就必須對燒結毛坯進行減薄修整。

目前,國內外對普通的金剛石燒結砂輪有多種修整方式,但對金剛石超薄切割砂輪減薄加工的研究報道很少。由于金剛石超薄切割砂輪具有厚度薄、平面度要求高等特殊要求,傳統的砂輪修整方法難以適應。有研究者進行了金剛石超薄切割砂輪減薄研磨工藝的研究[5],利用平面研磨雖然能對金剛石超薄切割砂輪進行減薄修整,但是存在效率低、加工過程控制難度大、不易實現自動化等缺點。因此本課題提出采用電火花加工方法代替傳統平面研磨加工,以期在保證減薄精度的基礎上提高減薄效率,降低生產成本。

本課題通過正交試驗與方差分析,研究不同峰值電流(ie)、脈沖寬度(ti)、脈沖間隔(to)對減薄后金剛石超薄切割砂輪厚度尺寸均勻性、相對翹曲度、表面粗糙度和加工效率的影響,以探求最佳減薄工藝。

1 試驗條件與方案

1.1 試驗工件與試驗原理

試驗所用金剛石超薄切割砂輪由W40的金剛石微粉和300目的銅錫合金等粉末均勻混合燒結而成。試樣尺寸規格為:外徑58mm,內徑40mm,厚度0.4mm(±0.05mm),相對翹曲度0.15mm(±0. 01mm),如圖1所示。

圖1 金剛石超薄切割砂輪毛坯Fig.1 The diamond ultrathin cutting wheel blanks

試驗在DM7140型漢川精密電火花成型機上進行,利用無機導電膠將試樣工件固定在不銹鋼工具盤上,將工具盤放置在裝有工作液的機床工作臺上,打開脈沖電源,在工具電極和試樣工件之間建立起放電通道,依靠放電通道內部瞬時產生的大量熱量在電極兩端達到極高的溫度,該溫度足夠使砂輪結合劑材料局部熔化、汽化而被蝕除掉,[6]以便金剛石自然脫落,使試驗試樣變薄,試驗加工示意如圖2、圖3所示。試驗中電極材料為紫銅,采用負極性加工(工件接電源負極),工作液選用煤油,采用浸油方式,設定主軸定時抬刀,改善排屑條件。

圖2 電火花減薄加工Fig.2 Electrical discharge thinning machining

圖3 電火花減薄原理Fig.3 Principle of electrical discharge thinning

1.2 試驗評價指標及檢測方法

厚度尺寸均勻性和相對翹曲度對超薄切割砂輪的安裝精度、切割過程中的切縫寬度、崩邊大小等都有很大的影響,因此將這兩個幾何參數作為金剛石超薄切割砂輪電火花減薄精度的評價指標。厚度尺寸均勻性采用Mitutoyo高精度數顯千分尺檢測,儀器測量精度1μm,沿超薄切割砂輪周向連續隨機測量30次,取最大值與最小值的差值表示厚度尺寸均勻性;相對翹曲度檢測則采用基恩士激光位移傳感器(LK-G150),將金剛石超薄切割砂輪置于光滑的大理石平面上處于自由狀態,采用無接觸式并沿其圓周方向連續隨機進行測量30次,最高點和最低點的差值即為相對翹曲度。

電火花加工表面不同于普通金屬切削表面,其表面是由無數個不規則的放電凹坑組成的。如果凹坑過深會影響金剛石超薄切割砂輪基體的力學性能,降低砂輪強度,因此,將間接反應放電凹坑深淺的表面粗糙度Ra作為金剛石超薄切割砂輪電火花減薄后表面質量的評價指標之一。采用Mahr XR20表面粗糙度儀進行測量,取樣長度為1.75mm,測量速度0.25mm/s,沿其周向連續隨機測量20點取其平均值。

同時我們把電火花減薄效率作為試驗評價指標。減薄效率用單位時間內被加工掉的材料體積來表征,單位為mm3/min。試驗通過測量單位時間內超薄切割砂輪厚度的減少量,再乘以砂輪端面面積得到減薄效率。

1.3 試驗方案

本試驗有三個因素,每個因素有三個水平,按正交試驗設計試驗點,選用L9(34)正交表中的三列安排正交試驗,如表1所示。試驗中金剛石砂輪厚度由0.4mm減薄至0.2mm。

表1 正交試驗設計Table 1 The orthogonal experiments design

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果與方差分析

表2為不同峰值電流、脈沖寬度及脈沖間隔對電火花減薄后的金剛石超薄切割砂輪厚度尺寸均勻性、相對翹曲度、表面粗糙度和加工效率影響的正交試驗結果。

對正交試驗結果進行處理,分別得到金屬結合劑超薄切割砂輪的厚度尺寸均勻性、相對翹曲度、表面粗糙度和加工效率的方差分析結果,如表3、表4、表5和表6所示,其中F為各因素的偏差平方和與誤差的偏差平方和的比值,它服從自由度為(2,2)的F分布。

表2 正交試驗結果Table 2 The results of orthogonal experiments

表3 厚度均勻性方差分析表Table 3 Variance analysis of uniformity of thickness

表4 相對翹曲度方差分析表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

從以上方差分析表中的分析可知,對厚度尺寸均勻性而言,峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔的影響均不大。對相對翹曲度而言,峰值電流的影響顯著,脈沖寬度和脈沖間隔的影響不大。對表面粗糙度而言,峰值電流的影響顯著,脈沖寬度的影響較大,脈沖間隔的影響不大。對整形效率而言,峰值電流的影響顯著,脈沖間隔的影響較大,脈沖寬度的影響不大。

2.2 各因素的影響分析

分別把正交試驗同一水平峰值電流、同一水平脈沖寬度、同一水平脈沖間隔下得到的試驗結果加以平均,即得到峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔與厚度尺寸均勻性、相對翹曲度、表面粗糙度和加工效率之間的對應關系,如圖4、圖7、圖8所示。

2.2.1 峰值電流的影響

圖4 (a) 峰值電流對減薄精度的影響Fig.4(a) The influence of peak current on the thinning precision

圖4 (b) 峰值電流對表面粗糙度和加工效率的影響Fig.4(b) The influence of peak current on surface roughness and machining efficiency

由圖4(a)可知,隨著峰值電流的增大,厚度尺寸均勻性值小幅增大,相對翹曲度明顯變大。這是因為峰值電流越大,工具電極與工件之間的放電間隙越大,可能產生的間隙變化量也越大,[7-8]這會在一定程度上影響仿形加工精度,引起超薄切割砂輪厚度尺寸均勻性的降低。在電火花整形過程中,火花放電最先在超薄切割砂輪較厚處產生,由于砂輪毛坯本身厚薄不均勻,各部分受火花放電的作用效果不同,則導致的冷熱程度和熱脹冷縮程度也不一樣,這會在砂輪厚處與薄處的過渡區域內形成相互作用的內應力。內應力在整個砂輪內部是相互平衡的,當超薄切割砂輪從工具盤拆開后,內應力就要尋求新的平衡,由于超薄切割砂輪的剛度很低,因此當應力釋放時會發生變形,如圖5所示。峰值電流增大,脈沖能量增大,電火花整形過程中產生的熱量也增大,超薄切割砂輪由于自身厚度不一產生的內應力也增大,因此,加工完成拆膠后產生的翹曲變形也會增大。

圖5 電火花減薄后超薄切割砂輪翹曲變形Fig.5 The warp distortion of ultrathin cutting wheel after the electrical discharge thinning

圖4(b)中,當峰值電流從1.15A增加到4.15A時,加工效率增加了8倍,由4.15A增加到7.15A時卻僅增加了1倍。這是因為,當峰值電流僅為1.15A時,放電間隙過小,不易排屑,致使放電短路的概率大大增加,有效脈沖放電所占比例大大降低,從而大大降低了加工效率。當峰值電流增加到4.15A時,一方面,放電間隙隨之增大,排屑狀況得到很大改善,有效放電概率大大增加;另一方面,峰值電流增大,單個脈沖能量增大,單次脈沖放電的蝕除量也增大,從而加工效率得到很大的提高。當峰值電流繼續增大到7.15A時,放電間隙的增大對加工效率的影響大大降低,因此加工效率增加的速率變緩。隨著峰值電流的增大,單個脈沖能力增大,單個脈沖放電留下的蝕坑會增大,如圖6所示,因此,表面粗糙度會變差。

圖6 不同峰值電流下的蝕坑大小Fig.6 The size of discharge crater of different peak current

2.2.2 脈沖寬度的影響

由圖7(a)可知,隨著脈沖寬度的增加,厚度尺寸均勻性得到小幅提高,相對翹曲度變大。因為,隨著脈沖寬度的增加,工具電極對工作液中熱分解產生的碳黑“吸附效應”增強,[7-8]工具的相對損耗減少,由電極損耗產生的超薄切割砂輪厚度尺寸誤差就會減小。但是當脈沖寬度增大時,脈沖能量增大,從2.2.1節中關于峰值電流對相對翹曲度的影響分析可知,超薄切割砂輪內部產生的內應力也增大,故超薄切割砂輪的翹曲變形增大。

圖7(a) 脈沖寬度對減薄精度的影響Fig.7(a) The influence of pulse with on the thinning precision

圖7(b) 脈沖寬度對表面粗糙度和加工效率的影響Fig.7(b) The influence of pulse with on surface roughness and machining efficiency

圖8(a) 脈沖間隔對減薄精度的影響Fig.8(a) The influence of pulse separation on the thinning precision

圖7(b)中,隨著脈沖寬度的增大,表面粗糙度變差,加工效率提高。主要是因為隨著脈沖寬度的增加,一方面,單個脈沖能量增大,單個脈沖蝕除的材料體積增大,留下的蝕坑變大,因此,表面粗糙度值變大;另一方面,單次脈沖放電時間增加,單位時間內脈沖放電時間所占比例增大,單位時間內的總蝕除量也就增大,從而加工效率得到提高。

2.2.3 脈沖間隔的影響

由圖8(a)可知,隨著脈沖間隔的增大,厚度尺寸均勻性變差,相對翹曲度先減小后趨于穩定。這是由于脈沖間隔增大,工具電極對介質中熱分解產生的碳黑“吸附效應”減少,[7-8]使得工具電極損耗增大,導致厚度尺寸均勻性降低。隨著脈沖間隔的增大,放電頻率減小,單位時間內產生的熱量減少,超薄切割砂輪表面溫度降低,因此超薄切割砂輪所受的熱應力降低,從而相對翹曲度降低。

圖8(b) 脈沖間隔對表面質量和加工效率的影響Fig.8(b) The influence of pulse separation on surface roughness and machining efficiency

圖8(b)中,隨著脈沖間隔的增加,粗糙度值緩慢減小,加工效率明顯降低。這是因為,當脈沖間隔增大,放電通道消電離充分,可避免電弧等有害放電的產生,有利于得到較好的加工表面質量。但是,隨著脈沖間隔的增加,放電頻率降低,實際參與放電時間減少,從而加工效率降低。

2.2.4 各因素對超薄切割砂輪減薄效果影響的總體評價

由圖4可知,當ie從1.15A增加到4.15A時,厚度均勻性增幅13.8%,相對翹曲度增幅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時,厚度均勻性增幅6.1%,相對翹曲度增幅27.3%,粗糙度增幅26.8%,加工效率增幅104.4%。綜合考慮,ie選取4.15A。

由圖7分析可知,當ti由20μs升高到60μs時,厚度均勻性降幅為1.4%,相對翹曲度增幅2.4%,粗糙度增加18.5%,加工效率增加44.4%;ti由60μs增加到100μs時,厚度均勻性降幅13.2%,相對翹曲度升幅13.8%,粗糙度增加21.3%,加工效率提高25.1%。綜合考慮,ti取60μs時可獲得較好的整形質量和效率。

由圖8可知,當to從10μs增加到20μs時,厚度均勻性增幅5%,相對翹曲度降幅20.2%,粗糙度降幅3.6%,加工效率降幅14.2%;to從20μs增加到40μs時,厚度均勻性增幅15.9%,相對翹曲度降幅1.2%,粗糙度降幅6.3%,加工效率降幅47.7%。綜合考慮,脈沖間隔選取20μs時,可以得到較好的整形質量和效率。

3 結論

1)隨著峰值電流的增大,厚度尺寸均勻性有變差的趨勢,相對翹曲度、表面粗糙度以及加工效率都顯著增大。

2)隨著脈沖寬度的增加,厚度尺寸均勻性有變好的趨勢,相對翹曲度緩慢增大,表面粗糙度和加工效率也增大。

3)隨著脈沖間隔的增大,厚度尺寸均勻性變差,相對翹曲度和表面粗糙度得到改善,但加工效率明顯降低。

4)綜合分析各因素的影響規律,當ie=4.15A、ti=60μs,to=20μs時,可以獲得較好的減薄效果。

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[3] 侯長紅.電子信息行業用超硬材料切割工具綜述[J].金剛石與磨料磨具工程,2010,2(1):60-62.

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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,華僑大學脆性材料加工技術教育部工程研究中心在讀研究生,主要從事超硬材料工具研究。

國家科技支撐項目(課題編號:2012BAF13B04)、國家自然科學基金(51175193)、長江學者與創新團隊發展計劃(IRT1063)