金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的機理與工藝研究*

陳勇彪， 張松輝， 張曉紅， 尉遲廣智， 段 佳， 蔣如意， 周瑩英

(1. 湖南科美達電氣股份有限公司, 湖南 岳陽 414022)

(2. 湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

工程陶瓷具有輕質、抗腐蝕、耐高溫、耐磨損、熱膨脹系數小、抗熱震能力強和摩擦系數低等優異性能，已被廣泛應用于各個領域。碳化硅陶瓷就是工程陶瓷家族中綜合性能較優良的材料之一。目前，碳化硅陶瓷主要用于航空航天、建筑建材、國防軍工等工業領域。但是，碳化硅陶瓷具有與其他工程陶瓷材料一樣的高硬度和高脆性，該特性使碳化硅陶瓷在加工時的材料去除率很低，且易出現表面損傷，同時加工成本很高[1]。

近年來，切割技術廣泛用于工程陶瓷的切割加工中，但碳化硅陶瓷的莫氏硬度高達9.2～9.3，僅次于超硬材料金剛石的，使用傳統切割方式對其切割難度較大，且難以獲得好的加工表面[2-3]。金剛石線鋸切割技術是近年發展起來用于硬脆性材料切割加工的新技術，其特點是切割效率高、材料表面損傷小、節能環保等，因而在碳化硅陶瓷切割時應用該技術，有利于提高碳化硅陶瓷的切割效率、降低其表面損傷等[4-5]。然而，工件鋸切所形成的表面形貌和表面粗糙度等直接決定材料的加工質量。因此，如何優化金剛石線鋸切割工藝，以獲得高精度的切割表面，對工件的精密鋸切研究具有重要意義[6-8]。

國內外學者對金剛石線鋸切割技術進行了較廣泛的研究。WISNIEWSKA[9]研究了應用金剛石線鋸切割鎂合金的可能性，結果表明：金剛石線鋸能夠有效切割鎂合金，金剛石線鋸只輕微磨損，切割后的工件表面粗糙度值維持在0.7 μm。蔡二輝[10]探討了進給速度對金剛石線鋸切割的硅片表面質量的影響，結果表明進給速度對硅片表面質量影響顯著。郭俊文等[11]運用有限元分析軟件建立了金剛石線鋸切割單晶硅的二維模型，通過改變線速度，分析了單晶硅材料在切割過程中的應力場、切削力及其對硅片表面質量的影響，并得出線速度為1 600 m/min時的硅片表面質量最差。安蓓等[12]開展了硬脆材料切割過程中基于線速度的切割力自適應控制研究，建立了線速度與切割力的自適應模型，并對模型進行了實驗驗證。實驗結果表明：工件表面形貌良好，其表面粗糙度值降低約30%。但該研究僅針對線速度對工件表面質量的影響為優化目標，忽略了進給速度等工藝參數對工件表面質量的影響。COSTA等[13]研究了線速度、進給速度和線張力工藝參數對金剛石線鋸切割單晶硅表面質量的影響，而對于線速度與進給速度比值的影響研究沒有涉及。

基于此，開展金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的試驗研究。在碳化硅陶瓷切割過程中，改變線速度、進給速度、進給速度與線速度比值等主要加工工藝參數，通過對切割后的工件表面形貌及表面粗糙度進行對比，分析工藝參數變化對碳化硅陶瓷表面質量的影響，以獲得其最佳加工工藝參數。

1 試驗

1.1 試驗設備及條件

金剛石線鋸切割設備選用沈陽科晶自動化設備有限公司生產的STX-202A小型金剛石線切割機。該設備是單線循環往復運動模式的金剛石線切割機，機上安裝的2個張緊輪可緊固金剛石線，2個導向輪用來保證工件切割的精度和端面形狀；工作時工件能根據設置好的切割程序連續自動進給，同時切割的工件尺寸精度在10 μm內。切割機實物如圖1所示，其參數如表1所示。試驗用電鍍金剛石線性能參數如表2所示。

表2 金剛石線性能參數

圖1 STX-202A型金剛石線切割機

表1 STX-202A型金剛石線切割機參數

工件切割完成后用超聲波清洗，使用基恩士(中國)有限公司的VHX-5000超景深三維顯微鏡對切割后的工件幾何中心附近的表面形貌進行觀察，觀察時顯微鏡的放大倍數為500倍。工件表面粗糙度Ra則使用上海泰明光學儀器有限公司的JB-5C精密粗糙度輪廓儀進行測量，Ra測量范圍為0.01～10.00 μm，取樣長度為8 mm。

1.2 試驗材料

碳化硅陶瓷工件由氣壓燒結制成，其性能參數如表3所示。試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。金剛石線切割示意圖如圖2所示。

表3 碳化硅陶瓷性能參數

圖2 金剛石線切割示意圖

1.3 試驗步驟

碳化硅陶瓷工件依靠夾具固定在工作臺，金剛石線切割機的控制系統以預定的速度驅動碳化硅陶瓷沿垂直于金剛石線運動的方向進給，完成碳化硅陶瓷工件材料的切割。在鋸切過程中，切割專用油連續噴灑到加工區域，以實現潤滑、冷卻和排屑。金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的原理如圖3所示。

圖3 金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷原理圖

金剛石線切割機的線速度、工件進給速度是影響碳化硅陶瓷表面質量的主要工藝參數，為了分析以上參數對工件表面質量的影響，將工件進給速度vf、線速度vs設置為單獨的變量，進行2組鋸切試驗(試驗1、試驗2)，試驗設計參數如表4所示。

表4 試驗參數設計

此外，理論研究發現[14]：金剛石線鋸切時，金剛石線表面的磨粒切削深度與工件進給速度和線鋸線速度的比值R有關。當工件進給速度和金剛石線速度不同但兩者的比值R相同時，金剛石線鋸表面的磨粒切削深度基本相同。因此，固定比值R為2×10-5，其具體試驗參數如表5所示，表5中共有試驗3～試驗6的4組參數組合。

表5 R值相同時的試驗參數設計

2 結果及分析

2.1 表面形貌結果及分析

表面形貌是評價碳化硅陶瓷切割后表面質量的重要指標，金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷的表面形貌可以直接反映材料的去除方式和表面形成機理[15-17]。試驗中觀察碳化硅陶瓷表面形貌的超景深三維顯微鏡的微觀觀察點應選擇在陶瓷切面的幾何中心附近，原因在于此位置是在鋸切穩定階段形成的。而對不同工藝參數下的碳化硅陶瓷表面形貌，應基本在同一位置觀察，以確保鋸切表面形貌比較的有效性。

2.1.1 工件塑性區的表面形貌特性

圖4為表4中vf=18 μm/s，vs=0.7 m/s和vf=18 μm/s，vs=1.0 m/s參數下碳化硅陶瓷切割后的表面塑性區形貌。如圖4中方框所示：觀察到平行于金剛石線運動方向的塑性條紋，其表面表現為平行劃痕，幾乎沒有因剝落而產生的表面微坑。但圖4a中的劃痕較連續，部分劃痕邊緣還會隆起呈不規則的脊狀，原因是金剛石磨粒的微切削作用，使極小部分切屑隨著金剛石線的移動而在材料表面固結；圖4b中的劃痕也是連續的，但邊緣的脊狀明顯減少，這是由于線速度增大影響了切割專用油的切削參與度，使得切削區的潤滑冷卻效果、排屑能力發生變化，對切屑與線鋸之間的摩擦及線鋸磨損產生了影響，進而影響了線鋸的切割狀態，最終改變了塑性區的形貌。

2.1.2 工件脆性區的表面形貌特性

圖5為表4中vf=18 μm/s，vs=0.4 m/s參數下碳化硅陶瓷切割后的表面脆性區及微區放大形貌，其材料去除形式由塑性去除轉變為脆性剝落分離。由于試驗所用的金剛石線表面的金剛石磨粒平均尺寸在40～50 μm，磨粒在金剛石線表面固定后的凸出高度和面積存在差異[18]，因而在切割過程中不同磨粒的切削深度和寬度不同；同時，金剛石線受線速度與進給速度的影響將隨機產生橫、縱向振動，使得磨粒的壓入深度有差異，從而導致碳化硅陶瓷表面的脆性去除區出現少量尺寸和深度均較大的脆性剝落微坑[19]，如圖5a所示。由于材料的脆性剝落去除具有差異性，因而碳化硅陶瓷表面的脆性剝落坑分布及形狀不同，圖5b即為其中一種微坑放大后的表面形貌圖。

圖4、圖5的結果表明：碳化硅陶瓷的被加工表面是材料在塑性和脆性去除共同作用下形成的。因此，金剛石線鋸對碳化硅陶瓷的切割去除方式主要是塑性變形去除，部分區域則是脆性剝落去除。

2.1.3 工件表面產生的劃痕

圖6為表4中vf=24 μm/s，vs=1.0 m/s參數下碳化硅陶瓷切割后的表面不同區域產生的2種不同劃痕形貌。在切割過程中由于存在強烈劃擦、碰撞和擠壓等機械作用，使金剛石線上的金剛石磨粒出現磨損、松動甚至整顆磨粒脫落等情況，而在陶瓷表面產生劃痕。松動的金剛石磨粒凸出高度遠大于其平均出露高度：一方面減小了切削區的容屑空間，增加了線鋸與工件之間的摩擦等，且松動磨粒的切削深度較深，從而在表面產生了如圖6a所示的劃痕；另一方面，當松動的磨粒因連續工作而整顆脫落后，脫落的磨粒在潤滑排屑不及時等情況下，受金剛石線擠壓而在工件鋸切表面產生劃痕并嵌入工件表面，產生如圖6b所示的劃痕2。

2.1.4 線速度對表面形貌的影響

圖7為表4中試驗1條件下，以不同線速度切割碳化硅后獲得的表面形貌。圖7的4組工件表面形貌均表明，形成的鋸切表面是塑性和脆性去除綜合作用的結果。由圖7可以看出：當線速度從0.4 m/s增加到0.7 m/s時，隨著線速度增加，脆性剝落區域占比減少，其中的條狀塑性區域從紋理紊亂到相對規則轉變，微坑數量也明顯減少(圖7a和圖7b)。當線速度從0.7 m/s增加到1.0 m/s時，對比圖7b、圖7c可觀察到表面的塑性光滑區域比例明顯增加，表面的脆性剝落區域則減小，剝落微坑尺寸明顯減小，表面形貌良好。在實際鋸切過程中，塑性光滑區域與脆性剝落區域所占比例的大小會直接影響碳化硅陶瓷的力學性能，其力學性能隨塑性光滑區域占比增加而提升[13]。但隨著線速度繼續增加，如圖7d所示，金剛石線鋸在運動過程中隨機產生的小幅度橫、縱向振動會導致鋸切過程中的碳化硅脆性坑數量略微增加。因此，在不引起線鋸振動的情況下適當提高線鋸線速度，能夠改善碳化硅陶瓷切割形成的表面形貌。

2.1.5 進給速度對表面形貌的影響

圖8為表4中試驗2條件下，不同工件進給速度時得到的碳化硅陶瓷切割后的表面形貌。如圖8a、圖8b、圖8c所示：當進給速度從6 μm/s增加到18 μm/s時，切割表面的塑性條紋區域開始縮小, 脆性剝落區域慢慢變大，剝落微坑數量與尺寸明顯增加，工件表面形貌開始由好變差，這表明工件進給速度增加將會減少磨粒對工件材料的塑性去除；當進給速度進一步提高到圖8d的24 m/s時，碳化硅陶瓷鋸切表面的塑性條紋區明顯減少，其表面主要由剝落坑組成，這表明此時金剛石線上的磨粒對工件材料的塑性去除較少，碳化硅陶瓷鋸切表面的材料去除方式主要以脆性斷裂為主。

2.1.6 比值R相同時的工件表面形貌變化

當工件的進給速度和金剛石線鋸的線速度不同，但其比值R是常數時，在表5條件下得到的碳化硅陶瓷表面形貌如圖9所示。

從圖9可知：當工件的進給速度與線鋸線速度成比例增加時，碳化硅陶瓷的表面形貌先略微好轉，塑性條紋區稍有增加，脆性剝落區域面積占整體切割表面面積的百分比減小，剝落微坑數量慢慢減少，如圖9a、圖9b、圖9c所示；而后雖然R值不變，但當工件的進給速度與線鋸線速度增加的數值超過其臨界點時，工件表面形貌又出現略微變差的情況，表現為脆性剝落區域中的微坑數量稍有上升，塑性區與脆性區面積占比恢復到臨界點之前的狀態等(圖9d)。

2.2 表面粗糙度結果及分析

表面粗糙度Ra值是評價碳化硅陶瓷表面質量的另一重要指標，可以反映碳化硅陶瓷切割后的表面塑性條紋光滑區和脆性剝落凹坑區的形態組成和比例。Ra值較大的表面往往是材料脆性去除形成的，且是表面凹坑面積和凹坑尺寸也較大的表面。在表4和表5條件下切割后的碳化硅陶瓷表面中選擇一個穩定的切割區域，沿工件進給方向和金剛石線鋸移動方向隨機測量工件表面6次表面粗糙度值，取其平均值為最終結果，測量結果分別如圖10所示。

在表4中試驗1下測量的表面粗糙度Ra如圖10a所示。從圖10a中可明顯看出：沿工件進給方向的表面粗糙度Ra為0.505～0.634 μm，而沿線鋸移動方向的表面粗糙度Ra為0.257～0.287 μm，前者的值大于后者的。即金剛石線鋸的線速度從0.4 m/s提高到1.3 m/s時，進給方向的表面粗糙度值下降了20.35%，線鋸方向的則下降了10.45%。原因是表面粗糙度受平行于線鋸方向的塑性條紋光滑區的影響。在同一條紋光滑區，工件被加工表面所受的力的大小均勻、方向近似一致，切割后產生相似的形變；而不同條紋光滑區則受力不一致，形變也有差異，進而導致不同條紋光滑區的粗糙度有差異。

由圖10a還可知：當線速度從0.4 m/s增加到0.7 m/s時，沿工件進給方向和線鋸移動方向的2個表面粗糙度Ra值都下降，原因是隨著線速度的增加，單位時間內參與切割的有效磨粒數也將增加，單個磨粒承擔的法向力減少，磨粒切割深度減小，切割后形成的表面中塑性條紋光滑區的占比升高，而產生的凹坑深度和尺寸也隨之減小，工件表面質量變好，Ra值降低；當線速度進一步增加到1.0 m/s，單位時間內參與切割的有效磨粒數量繼續增加，表面脆性剝落區微坑進一步減少，凹凸明顯減輕，切割面的表面質量大幅提高，表面粗糙度Ra值加速下降；但線速度增加到1.3 m/s時，線鋸振動的趨勢也隨之增大，易在工件表面形成劃痕及凹坑等，造成加工表面損傷，進而影響表面粗糙度值，所以在線速度增加過高的情況下粗糙度值下降幅度不明顯。

在表4中試驗2下測量的表面粗糙度Ra如圖10b所示。由圖10b可看出：沿工件進給方向表面粗糙度的變化范圍為0.489～0.548 μm，而沿線鋸方向的表面粗糙度則是0.281～0.292 μm，沿進給方向的表面粗糙度大于沿線鋸移動方向的，且2個方向的表面粗糙度值都基本上隨著工件進給速度的增加而增大。即進給速度從6 μm/s增加到24 μm/s時，隨著進給速度增大，進給方向與線鋸方向的表面粗糙度值分別上升了12.07%和3.91%。

工件進給速度增加，單位時間工件的進給量增大，從而加大了金剛石線的彈性變形，導致金剛石線鋸在鋸切時變形張角和張力變大，進而增大了切割碳化硅陶瓷的法向和切向鋸切力[20-21]；在工件進給速度增加的同時，金剛石線表面單顆金剛石磨料的法向載荷也隨著增加，這將增加磨料進入工件表面的深度；當磨粒在塑性區的切削深度超過脆性轉變的臨界切削深度時，磨粒轉變為脆性切削，被切割表面脆性區橫、縱向裂紋的尺寸受磨粒切削深度的影響而變大，進而增加了微坑的深度等。此時，碳化硅陶瓷工件不斷進給，切割表面微坑的數量也隨之增加，從而導致脆性剝落區占比增多，粗糙度也將隨之上升。

按表5條件增加進給速度與線速度，但固定其比值R時，測量的表面粗糙度變化如圖10c所示。圖10c中：表面粗糙度沿工件進給方向的變化范圍為0.519～0.528 μm，而沿線鋸移動方向的則在0.265～0.271 μm范圍變化，且沿進給方向的表面粗糙度大于沿線鋸移動方向的。當進給速度和線速度分別從6 μm/s、0.3 m/s增加到18 μm/s、0.9 m/s時，表面粗糙度略有降低，其原因是進給速度和線速度同時增加時，能及時加速切屑的排出，減少了加工表面劃痕的數量，同時增加了磨粒切割的接觸面積，切割形成的表面塑性光滑區比例稍有增加，從而使表面粗糙度略有降低；但隨著進給速度與線速度進一步增大到24 μm/s、1.2 m/s而超過其臨界點時，工件表面粗糙度值稍有上升，但變化不大。總之，進給速度與線速度比值R一定，改變進給速度與線速度數值，工件表面質量基本維持在同一水平。

3 結論

通過研究金剛石線鋸切割中的線速度、進給速度等工藝參數對碳化硅陶瓷表面質量的影響，并采用單因素試驗法分析其表面形貌和表面粗糙度與線速度、進給速度、進給速度與線速度比值R的關系，得出以下結論：

(1)金剛石線鋸切割碳化硅陶瓷時，形成的表面形貌是材料塑性和脆性綜合去除的結果。

(2)在工件進給速度相同，金剛石線鋸的線速度從0.4 m/s提高到1.3 m/s時，碳化硅陶瓷表面的塑性條紋光滑區面積占比升高，脆性剝落區的則下降，微坑的尺寸和數量減少，凹凸感明顯減輕，有效改善了切割面的表面形貌，進給方向的表面粗糙度值下降了20.35%，線鋸方向的則下降了10.45%。

(3)在金剛石線鋸線速度相同條件下，碳化硅陶瓷的表面質量隨進給速度從6 μm/s增加到24 μm/s而逐步降低，且工件材料脆性剝落產生的微坑數量及面積增大，塑性變形區面積占比逐漸減小，從而影響了工件表面形貌，導致進給方向與線鋸方向的表面粗糙度值分別上升了12.07%和3.91%。

(4)當進給速度與線速度比值R為常數2×10-5，增大進給速度與線速度時，碳化硅陶瓷的表面形貌略微改善，工件表面粗糙度值略有降低；二者數值繼續增大超過其臨界點時，工件表面粗糙度值略有上升，表面質量略有下降。但總的來說，進給速度與線速度比值R固定，改變進給速度與線速度值，工件表面質量基本維持在同一水平。