多線搖擺往復式線鋸切割藍寶石法向力試驗研究

摘要 多線搖擺往復式線鋸切割加工是目前將藍寶石晶棒切割成晶圓襯底的主要加工方法，加工過程中法向切割力是反映加工過程穩定性的重要指標。測量了多線搖擺往復式線鋸切割藍寶石晶棒過程中產生的法向力Fn，跟蹤了晶棒不同位置和不同切割深度下法向力的變化規律，以法向力變化幅值ΔFn 為指標，探究各種工藝參數對加工過程穩定性的影響。試驗結果表明：法向力 Fn 與線鋸的往復運動、工件的搖擺運動有明確的對應關系，晶棒前端的ΔFn 與中后端的有明顯的不同。線速度 Vs、最大搖擺角度θmax、單片耗線量 Md、張緊力 Fw、總切割時間 T 等工藝參數對ΔFn 有著不同的影響。ΔFn 的波動程度與線鋸磨損有著密切的關系。

關鍵詞 多線搖擺往復式線鋸切割；藍寶石；法向力；磨損；加工穩定性

中圖分類號 TH140; TH145; TH162; TG58 文獻標志碼 A

文章編號 1006-852X（2024）02-0143-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0039

收稿日期 2023-02-24 修回日期 2023-06-24

固結磨料多線切割技術是一種通過燒結、電鍍、釬焊等手段，將具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數的 金剛石磨料固結在線鋸基體上形成切割工具，并把切 割工具纏繞在滾輪上形成加工線網，通過滾輪的往復 轉動以及工件（或線網）的進給運動產生切割動作，最終完成對晶棒的切片加工的技術[1-3]。與游離磨料線鋸切割技術相比，固結磨料多線切割技術具有切割效 率高、損耗小、精度高等特點[4-8]。

多線搖擺往復式切割加工引入了線鋸與晶棒的相對搖擺運動， 目前工業上常用的機床結構由此分為2大類：一類是工件固定，線網搖擺；另一類是工件搖擺，線網固定。搖擺運動的引入有效減小了線鋸與工件的接觸長度，提高了晶片的加工質量。

切割力是工件與工具接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑成型、表面摩擦等綜合作用，是表征線切加工性能的重要過程參量。目前針對鋸切力已開展了一定的研究，COSTA 等[9]探究了單金剛石線鋸切割單晶硅時產生的法向力，結果表明法向力隨著進給量或張緊力的增加而增大，隨線鋸速度的增加而減小，材料去除量對進給力有顯著影響；WANG 等[10-11]基于應變梯度塑性理論的壓痕尺寸效應和彈性恢復，構建了線 切割單晶碳化硅中金剛石磨粒的刻劃力模型，實現了 對固結磨料金剛石線鋸切割單晶碳化硅鋸切力的預測； WANG 等[12-13]基于沖擊載荷開展了超聲振動輔助單線鋸切割單晶硅時的鋸切力建模與驗證，完成了基于磨 料磨損的切割力理論研究；李茜茜[14]分別對 A/C 面藍寶石進行單線鋸切試驗，研究表明 A/C 面藍寶石的切 向力隨著線鋸速度的增加或進給速度的減小而減??；麻磊[15]分析了單線鋸切割玻璃時的切割力 ，通過調節線鋸速度使法向切割力保持恒定；紀磊磊等[16]構建了對單線鋸橫向振動產生主要影響的法向隨機力模型， 分析了在小偏移狀態下線鋸的線性振動情況；KIM 等[17] 采用多線鋸切割4英寸（101.6 mm ）藍寶石晶棒，研究 發現法向鋸切力隨晶圓切割深度的增加而先增大后減 小，并隨著單片耗線量的增加而增大；KIM 等[18]對多線鋸切割藍寶石過程中的線弓進行測量，研究表明初 始線弓越大鋸切力越大；KAO 等[19]對多線切割過程中的鋸切力進行監控，研究發現切割力隨切入深度的增 加而先增大后減小，隨著耗線量的降低而增大。

目前開展的關于線鋸切割力的研究多集中在單線切割，對多線搖擺往復式切割加工過程中鋸切力變化規律的研究尚缺少完整分析，以鋸切力的波動情況分析線鋸加工過程穩定性的研究較少。本文測量了多線搖擺往復式線鋸切割藍寶石晶棒過程中的法向力，跟蹤了不同線網位置和不同切割位置的法向力的變化規律，探究了鋸切工藝參數對法向力波動程度的影響規律。該試驗結果對理解線鋸切割過程，指導實際生產都具有參考意義。

1 試驗條件

1.1 多線搖擺往復式線鋸切割的鋸切力測量系統

試驗在多線搖擺往復式切割機床（ X07M250× 350-1D-O ）上完成，如圖1a 所示。機床的主體運動包括工件的搖擺運動、工件的進給運動、線鋸的往復運動[20]。試驗所用線鋸為日本住友公司生產的電鍍金剛石線，母線直徑?0.18 mm，金剛石磨粒粒徑為30～ 40μm，線槽間距為0.75 mm，如圖1b 所示。圖1c 為多 線切割藍寶石晶棒的側視圖。試驗工件為4英寸 C 面藍寶石晶棒，晶棒無崩角、氣泡等缺陷。藍寶石晶棒 定向后粘接在樹脂安裝臺上，安裝臺連接測力儀并最終固定在工件臺上。試驗使用 Kistler-9119AA2測力儀進行鋸切力的測量，通過 Kistler 配套的5080A 電荷放 大器將所采集的壓力信號轉換為電壓信號，并使用 Dewe 數據采集系統將電壓信號轉化為鋸切力信號。試驗中鋸切力的采樣頻率為5 kHz，采樣時間約為120 s。選擇2.5 Hz 的低通濾波對法向力Fn 進行濾波處理。

在加工過程中，線鋸往復運動可以保證線鋸具有一定的切割速度，并在切割過程中不斷提供新的線鋸。線鋸的往復運動是通過左右導輪的周期性正反轉帶動來完成的，其往復運作周期性取決于往復運動周期。線鋸正向平穩切割耗時33.19 s，反向平穩切割耗時32.51 s，線鋸正向切割轉成反向切割的換向周期為43.19 s，反向切割轉成正向切割的換向周期為42.51 s，每次換向過程耗時10 s，平穩切割的速度為 Vs。工件搖擺運動為正弦運動，固定搖擺周期為4 s。本文采用的 切割參數見表1。

由于晶棒為圓柱體，在不同切割深度下，線鋸與晶棒的接觸弧長不同，工業中一般將工件進給速度設置成可變的進給曲線。本文參考楊沁等[21]提出的恒定單位長度新線材料去除體積模型設置工件進給曲線和新線進給曲線，表1中的10組工藝參數對應的工件進給曲線和新線進給曲線已在補充數據文件中給出。

1.2 不同晶棒位置的鋸切力測量

參與切割的藍寶石晶棒總長為114 mm，總共可獲得152片晶片。為了分別測量前、中、后各16片晶片切割時的鋸切力，本文采用分段測量法，將總長為114 mm 的藍寶石晶棒分割成2～3段，其中參與測力的晶棒長度始終保持在12 mm，前、中、后位置測力工件與測力儀的安裝示意圖如圖2所示。

1.3 不同切割深度的鋸切力測量

試驗加工的晶棒為規則圓柱體，線鋸與晶棒的接觸弧長隨切入深度的增加而不斷變化。將晶圓切面沿中間軸線等分為10份，晶圓切入深度每隔10 mm測量1次，以獲得不同切割深度的鋸切力值（如圖3所示）。當晶圓切入深度達到40 mm 時，由于線鋸機床切割的室內的切削液管與測力儀的線纜產生干涉，影響切割加工，因此測力試驗在此停止。

2 試驗結果

2.1 典型力信號

圖4為3種不同搖擺角度條件下的典型法向力信號圖，測量時間為120 s 。 Fn1是設定工件搖擺角度為0°（即工件不搖擺）時法向力隨時間變化的曲線。0時刻線鋸開始正向加速運動，法向力信號由細逐漸變粗并趨于穩定。在20 s左右（此時線鋸處于穩定正向運行階段的中段），力曲線有明顯的滑落，隨后保持穩定。在45 s左右（此時線鋸處于正、反換向階段），力信號由粗先變細后變粗，整體保持平穩。在65 s左右（此時線鋸處于穩定反向運行階段的中段），力曲線有明顯的爬升，隨后保持穩定。在85 s左右（此時處于線鋸反、正換向階段），力信號同樣由粗變細再變粗。

Fn2和 Fn3分別為設定工件最大搖擺角度為5°和10°時法向力隨時間變化的曲線。這2條力曲線的整體趨勢和Fn1有很大不同：當工件搖擺時，力信號在整個測試時間段內都較為平穩，同時力信號表現出較為規 律的鋸齒形波動。由此推測該鋸齒形波動與工件的搖擺運動相關。由圖4可知，藍寶石多線切割過程中工 件搖擺運動的引入能夠顯著降低法向力的波動并使其處于整體相對平穩的狀態。同時，不管工件搖擺與否，在線鋸換向的過程中，法向力信號會發生由粗變細再 變粗的變化，這可能跟線鋸的振動有一定關系，當線鋸 速度為0時振動最小，力信號光滑無毛刺。

圖5是60～70 s 范圍內的力信號圖像，此時線鋸處于反向穩定切割加工的過程中。通過對比θ、Fn2和 Fn3曲線可以發現，三者發生變化的過程相互對應。力值變化的頻率是工件搖擺頻率的2倍，當工件擺動到左右極限位置時，法向力達到峰值；當工件處于中間位置時，法向力達到谷值。

受到測力儀設備的限制，測量過程中須先進行切割，暫停機床后利用測力儀進行測量，此時測力儀雖然處于0點，但線鋸對工件已存在一定的加載力，因此無法獲得鋸切過程中法向力的零線值，即無法獲得鋸切過程中實際法向力的絕對值。圖5中法向力的變化更多反映的是線鋸或工件的運動對法向力的實時影響。為了量化分析工藝參數對法向力波動變化的影響，對換向區域附近的Fn 尋峰，取換向前5個連續的波峰值 Fnmax 以及換向后5個連續的波谷值Fnmin，令ΔFn =Fnmax ? Fnmin，重復以上操作5次并取其平均值作為ΔFn 的值。

2.2 晶棒不同切割位置對ΔFn 的影響

圖6反映了線網不同位置處ΔFn 的變化。在相同深度的情況下，前端16片工件處的ΔFn 為6.53～10.91 N，中間16片工件處的ΔFn 為7.83～11.78 N，后端16片工件處的ΔFn 為7.52～10.58 N，ΔFn 隨著晶棒前、中、后位置的變化而先增大后減小。在線網相同位置處，ΔFn 隨切入深度的增加而呈現逐漸增大的趨勢。

2.3 工藝參數對ΔFn 的影響

2.3.1 線速度對ΔFn 的影響

圖7顯示了線速度 Vs 對ΔFn 的影響。 Vs=15 m/s 時的ΔFn 為17.44～19.51 N，Vs=20 m/s 時的ΔFn 為7.29～8.62 N，Vs=25 m/s 時的ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著線速度的增大而先減小后略增大。ΔFn 隨著晶棒前、中、后位置的變化而逐漸增大。

2.3.2 最大搖擺角度對ΔFn 的影響

圖8顯示了最大搖擺角度θmax 對ΔFn 的影響。θmax=0°時的ΔFn 為1.94～2.71 N，θmax=5°時的ΔFn 為5.27～7.70 N，θmax=10°時的ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著最大搖擺角度的增大而增大。ΔFn 隨著晶棒前、中、后位置的變化而略減小。

2.3.3 單片耗線量對ΔFn 的影響

圖9顯示了單片耗線量 Md 對ΔFn 的影響。Md=12.6 m/pcs 時的ΔFn 為7.61～7.69 N，Md=15.8 m/pcs 時的ΔFn 為7.38～9.68 N，Md=18.9 m/pcs 時的ΔFn 為5.70～8.36 N，ΔFn 隨著單片耗線量的增大而先增大后減小，隨著晶棒前、中、后位置的變化而增大。

2.3.4 張緊力對ΔFn 的影響

圖10顯示了張緊力 Fw 對ΔFn 的影響。 Fw=35 N 時的ΔFn 為6.68～7.76 N，Fw=40 N 時的ΔFn 為7.62～8.18 N，Fw=45 N 時的ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著張緊力的增大而略增大，隨著晶棒前、中、后位置的變化而增大。

2.3.5 總切割時間對ΔFn 的影響

圖11是采用不同總切割時間 T 工藝時藍寶石晶棒同一切割深度的法向力變化ΔFn 的對比圖。對于 T=360 min 切割工藝，線鋸切割深度為20 mm 的ΔFn 為5.70～8.36 N，采用 T=540 min 切割工藝的 ΔFn 為7.99～9.02 N，ΔFn 隨著總切割時間的增加而增大，隨著晶棒前、中、后位置的變化而增大。

3 討論

在磨削過程中，隨著高硬度金剛石磨粒對工件的劃擦切削，工件材料被去除，同時磨粒也會產生磨損。圖12a 是切割前線鋸的微觀形貌，從圖中可以得出切割前的線鋸有著完整的形貌。隨著切割加工的進行，磨粒鍍層表面首先破裂并裸露出金剛石，磨粒逐漸磨損，如圖12b 所示。加工過程中，線網上金剛石線鋸表面磨粒的狀態是影響線鋸切割穩定性的重要因素之一。在試驗過程中，發現線網切割一段時間后，相同時刻沿晶棒軸向金剛石線鋸在藍寶石晶棒上的切割深度各不相同，并呈現出進線端和出線端線鋸切割深度較大，晶棒中間的線鋸切割深度較小的現象。由此可見，切割藍寶石晶棒的線鋸具有兩頭磨損小、中間磨損大的特點。 YANG 等[22]通過仿真計算金剛石線鋸多線往復切割截面為圓形和方形工件的磨損的研究也得到類似的結論。

在線網切割藍寶石晶棒的某一時刻，晶棒前、中、后位置的名義切割深度相同。由于切割藍寶石晶棒前 端和后端的線鋸磨損比中間的小，晶棒前、后端法向 力的變化則小于晶棒中間的法向力變化。在晶棒同一 切割位置，隨著線鋸切入深度的增加，金剛石磨粒的磨 損程度增加，ΔFn 逐漸增大，如圖6所示。

多線搖擺往復式切割藍寶石晶棒法向力的波動與工藝參數密切相關。隨著線鋸穩定運行速度的增加，單位時間內參與切割的磨粒數增加，這使得每顆金剛 石負責去除的材料體積減小，法向力減小，其波動相應減小，如圖7所示。值得注意的是，當線鋸速度增加到 一定程度時，法向力波動會趨于穩定。由表1可知，總切割時間取決于工件進給速度，同時又影響新線進給 速度?？偳懈顣r間越短，相同切割深度下的工件進給 速度越快、新線進給速度越快。進給速度越快，單位 時間材料去除率就越大，切割法向力和線鋸磨損也相 應增大。圖11所示的法向力變化情況是由工件進給速度和新線進給速度綜合作用導致的。線網張緊力的增加會增加線鋸的剛性，磨粒更容易因較大的切割力而產生磨損，表現為法向力變化幅值略有增加，如圖10所示。

搖擺角度對線鋸切割晶棒法向力的波動有顯著影 響。從圖4可以得出法向力與工件搖擺運動有著明確 的對應關系，這說明搖擺切割時法向力周期性波動是 由搖擺運動導致的；當工件不搖擺時，力產生的周期波 動很可能是線鋸振動導致的[23]。需要注意的是，根據ΔFn 的定義，圖8的數據是在多線切割換向階段獲取的，工件不搖擺時的換向階段的法向力波動比搖擺時小得 多；同時，增加搖擺角度會增加法向力波動。這是因為 晶棒搖擺至極限位置時的接觸弧長增加，去除材料的 體積相應增加。但是，從圖4整體的力信號波形來看，無搖擺切割在線網穩定切割階段會出現顯著的臺階式 波動，這可能是實際加工中無搖擺多線切割容易斷線 的原因之一；而有搖擺運動的切割力信號整體呈現平 穩趨勢。從這個角度看，搖擺運動的引入提高了多線 往復切割的整體穩定性。

單片耗線量的大小取決于總耗線量，其他切割參 數保持一樣，總耗線量又決定了新線進給速度。而新 線進給速度又與線鋸表面磨粒磨損狀態密切相關。如 圖9所示，當耗線量為12.6 m/pcs 時，晶棒前、中、后端 法向力波動趨于相同；而當耗線量增加至15.8 m/pcs 時，晶棒各位置（除了前端）的法向力波動增加，并且三 者之間的差異與前文提及的線鋸切割晶棒的磨損規律 相近；當進一步增加耗線量時，晶棒各位置的法向力波 動減小。線鋸切割過程的法向力波動與線鋸磨粒磨損 狀態密切相關，但線鋸切割晶棒的磨損規律并不能很 好地解釋圖9所示的變化。需要注意的是 YANG[22]仿 真研究的磨損規律是基于線鋸點累計切割次數，并沒 有考慮磨粒本身。這可能是實際切割藍寶石晶棒過程 中發現的磨損現象與仿真結果略有偏差的原因之一。另外，本文使用的金剛石線鋸為電鍍金剛石線鋸，其表 面磨粒初始被很厚的鎳包裹，如圖12a 所示，金剛石線 鋸表面磨粒的磨損除了金剛石磨粒本身，還包括磨粒 鍍層的磨損。因此推測單片耗線量的增加所導致的 ΔFn 變化和金剛石線鋸表面磨粒鍍層磨損開刃有很大 的關系。

綜上分析可知，工藝參數通過影響材料去除體積進而影響力的大小及其波動性；此外，磨粒的磨損狀態對多線搖擺往復式切割藍寶石晶棒法向力波動性的影響較大。

4 結論

本文測量了金剛石線鋸多線搖擺往復式線鋸切割藍寶石晶棒過程中產生的法向力，跟蹤了晶棒不同位置和不同切割深度的法向力Fn 的變化規律，以法向力變化幅值ΔFn 為指標，探究各種工藝參數對加工過程穩定性的影響。研究中得到主要結論如下：

（1）搖擺運動的引入提高了線鋸切割藍寶石晶棒的穩定性，并顯著減小了鋸切力。

（2）多線搖擺往復式線鋸切割藍寶石晶棒過程中，從晶棒前端到后端，法向力變化幅值先增大后減小。隨著線鋸切入深度的增加，其法向力變化幅值也逐漸增大。

（3）線速度的增大會使法向力變化幅值減小；最大搖擺角度的增大會使法向力變化幅值明顯增大；單片耗線量的增加會使法向力變化幅值先增大后減??；張緊力的增大會使法向力變化幅值略增大；總切割時 間的增加會使法向力變化幅值略增大。

（4）線鋸多線切割過程中，法向力變化幅值受工藝參數和磨粒磨損狀態的影響較大。

參考文獻：

［1］ WU H. Wire sawing technology a state-of-the-art review [J]. Precision Engineering，2016，（43：1-9.

［2］ 高航， 孔維邈.脆性材料用固結金剛石線鋸切割技術研究進展[J].金剛石與磨料磨具工程，2019，39（4）：97-102.

GAO Hang， KONG Weimiao. Development of consolidated diamond wire saw cutting technology for brittle materials [J]. Diamond amp; Abrasives Engineering，2019，39（4）：97-102.

［3］ ANSPACH O， HURKA B， SUNDER K. Structured wire： From single wire experiments to multi-crystalline silicon wafer mass production [J]. Solar Energy Materials and Solar Cells，2014（131）：58-63.

［4］ 張強.固結磨料多線切割設備的設計與研究[D].蘇州：蘇州大學 ，2019.

ZHANG Qiang. Design and Research of Fixed Abrasive Multi-wire Cutting Equipment [D]. Suzhou： Soochow University， 2019.

［5］ LIU Y H， GAO Y F， YANG C F. Analysis of sawing characteristics of fine diamond wire slicing multicrystalline silicon [J]. Diamond and Related Materials，2021（48）：17335-17342.

［6］ GE M R， CHEN Z B， WANG P Z， et al. Crack damage control for diamond wire sawing of silicon the selection of processing parameters[J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2022，148：106838-106846.

［7］ LIU Y H， ZHU Z F. Experimental investigation on diamond wire sawing of Si3N4 ceramics considering the evolution of wire cutting performance [J]. Ceramics International，2022（48）：17335-17342.

［8］ HUANG H， LI X X， XU X P. An Experimental research on the force and energy during the sapphire sawing using reciprocating electroplated diamond wire saw [J]. ASME International，2017，139（12）：121011-121015.

［9］ COSTA E C， WEINGAERTNER W L， XAVIER F A. Influence of single diamond wire sawing of photovoltaic monocrystalline silicon on the feed force， surface roughness and micro-crack depth [J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2022（143）：106525-106535.

［10］ WANG P Z， GE P Q， GAO Y F， et al. Prediction of sawing force for single-crystal silicon carbide with fixed abrasive diamond wire saw [J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2017（63）：25-32.

［11］ WANG P Z， GE P Q， LI Z Q， et al. A scratching force model of diamond abrasive particles in wire sawing of single crystal SiC [J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2017（68）：21-29.

［12］ WANG Y， ZHANG S， DONG G J， et al. Theoretical study on sawing force of ultrasonic vibration assisted diamond wire sawing （UAWS） based on abrasives wear [J]. Wear，2022（496/497）：204291-204301.

［13］ WANG Y， LI D L， DING Z J， et al. Modeling and verifying of sawing force in ultrasonic vibration assisted diamond wire sawing （UAWS） based on impact load [J]. International Journal of Mechanical Sciences，2019（164）：105161-105170.

［14］李茜茜.線鋸切割光電材料的鋸切力及鋸切質量的試驗研究[D].廈門：華僑大學， 2017.

LI Xixi. Experimental study on force and surface quality of photoelectric material with fixed abrasive diamond wire [D]. Xiamen： Huaqiao University， 2017.

［15］麻磊.金剛石線鋸切割力的分析與控制研究[D].西安：西安理工大學，2017.

MA Lei. Study on cutting force analysis and control of diamond wire saw [D]. Xi’an： Xi’an University of Technology， 2017.

［16］紀磊磊.固結金剛石磨粒線鋸振動對切片表面形貌影響的研究[D].西安：西安理工大學， 2018.

JI Leilei. Study on effect of vibration of fixed diamond A-Brasive grain saw on surface morphology of slice[D]. Xi’an： Xi’an University of Technology， 2018.

［17］ KIM H， KIM D， KIM C， et al. Multi-wire sawing of sapphire crystalswith reciprocating motion of electroplated diamond wires [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2013（62）：335-338.

［18］ KIM D， KIM H， LEE S， et al. Effect of initial deflection of diamond wire on thickness variation of sapphire wafer in multi-wire saw [J]. Springer Science and Business Media LLC，2015（2）：117-121.

［19］ KAO I， PRASAD V， LI J， et al. Wafer slicing and wire saw manufacturing technology[C]// Proceedings of the 1997 NSF Design amp;Manufacturing Grantees Conference. Washington： University of Washington， 1997：239-240.

［20］楊沁.多線搖擺往復式線鋸切割大尺寸單晶碳化硅的試驗研究[D].廈門：華僑大學， 2020.

YANG Qin. Experimental study on cutting large-size single-crystalline silicon carbide with multi-wire swing reciprocating wire saw [D]. Xiamen： Huaqiao University， 2020.

［21］楊沁， 黃輝， 鄭生龍.多線搖擺往復式線鋸切割加工運動的理論及試驗研究[J].機械工程學報，2020，56（11）：219-228.

YANG Qin， HUANG Hui， ZHENG Shenglong. Theoretical and experimental research on machining movement of multi-wire sawing with rocking and reciprocating [J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56（11）：219-228.

［22］ YANG Z X， HUANG H， LIAO X J. Influence of cutting parameters onwear of diamond wire during multi-wire rocking sawing with reciprocating motion [J]. Frontiers in Mechanical Engineering，2022（8）：1-12.

［23］王蘭青.多線搖擺往復式線鋸切割藍寶石的晶片質量及鋸切力試驗研究[D].廈門：華僑大學， 2021.

WANG Lanqing. Experimental research on sapphire wafer quality and cutting force in multi-wire swing reciprocating wire saw cutting[D]. Xiamen： Huaqiao University， 2021.

作者簡介

劉億圣，男，1997年生，碩士研究生。主要研究方向：智能制造與精密加工。

E-mail：liuyishengcn@sina.com

通信作者：廖信江，男，1991年生，博士，講師，碩士生導師。主要研究方向：金剛石釬焊反應、潤濕機理研究；釬焊金剛石磨粒工具的研發。

E-mail：xinjiangliao@sina.cn

Experimental study on normal force of cutting sapphire with multi-wire swingreciprocating wire saw

LIU Yisheng1，HUANG Hui1，2，WANG Lanqing1，LIAO Xinjiang2

（1. Institute of Manufacturing Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021，Fujian China）

（2. College of Mechanical Engineering and Automation， Huaqiao University， Xiamen 361021，Fujian China）

Abstract Multi-wireswing reciprocating sawing technology is the main machining method used to cut sapphire crys- tal bars into wafer substrates， while normal force is an important index that reflects the processing stability. In this pa- per， the normal force（ Fn ）during multi-wireswing reciprocating wire saw cutting sapphire crystal bars was measured， and the change in normal force at different positions and cutting depths of the sapphire crystal bars was tracked. The in- fluence of various process parameters on the stability of the machining process was tracked by using the rangeability of normal force（ΔFn ）as the index. The experimental results show that Fn is closely correlated with the reciprocating motion of the wire saw and the rocking motion of the workpiece， and ΔFn in the front of the sapphire crystal bar is sig- nificantly different from that in the middle and back. Process parameters such as the wire saw speed（ Vs ）， maximum swing angle （θmax）， single piece wire consumption （Md）， tensioning force （Fw）， and total cutting time （T） have different effects on ΔFn . The fluctuation degree of ΔFn is closely related to the wear of the wire saw.

Key words multi-wireswing reciprocating sawing technology；sapphire；normal force；wear and tear；machining sta- bility