CN114654608A - 一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，包括以下步骤，S1，首先，采用放线—粗拉丝—精拉丝—收线的工艺流程，生产出直径为30微米的超细金刚母线；S2，其次，PLC作为逻辑控制中心，控制微拉机设备的放卷系统、传动系统、摆杆系统、收卷系统、排线系统及气动系统，实现完全自动化控制；S3，然后，以金刚石线锯切割机为基础，在线切割处喷流电解与冷却两用电解液；S4，最后，对切割完成后的原料进行清洗。本发明将传统金刚石线锯线切割工艺与电解电化学微细加工工艺结合，解决了传统金刚石线锯切割SiC时加工表面质量较低且无法切割金属基碳化硅增强材料的问题，使所切SiC工件的表面质量提升，提高了切割效率，延长了设备使用寿命。

Description

一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法

技术领域

本发明涉及碳化硅切割技术领域，尤其是一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法。

背景技术

碳化硅的硬度极高，莫氏硬度达到9.5，仅次于金刚石，其切割难度较大，属于硬脆材料。碳化硅芯片的加工流程包括切片、研磨、刻蚀、抛光等多道工序，切片作为第一道工序，其加工质量直接影响了产品的最终质量。现阶段碳化硅的加工方式主要分为两种：游离磨料切割与固结磨料切割。游离磨料切割包括水射流切割及游离线切割等方式，被加工工件表面会产生较大的裂纹与较深的损伤层，其损耗大，效率差，设备寿命低，不适用于大规模产业化生产；固结磨料加工将磨粒固定在母线上制成切割刀具，使用电动机带动线锯运动，以达到切割待加工材料的目的。固结磨料切割效率高，加工成品质量好，已成为大多数碳化硅切割工序的首选技术。

现阶段固结磨料切割的主要形式为金刚石线锯切割。在金刚石线锯切割碳化硅材料的过程中，工件的加工质量与金刚石线锯的直径直接相关。在保证力学性能的前提下，线锯直径越小，切应力越大，切割效率越高，硅片损耗越低，加工质量显著提升。选择较细的母线制成金刚石线锯进行切割，可以提高材料的利用率。如何在保证金刚母线各项机械性能的前提下，减小其直径，以进一步提高切割质量，成为行业内亟待解决的关键技术难题之一。

金刚石线锯切割虽可以有效加工碳化硅，但仍存在明显缺陷：产品表面质量低，难以满足精密零部件的要求；同时，传统金刚石线锯在切割金属时会出现金刚石镀膜石墨化现象，线锯的使用寿命及加工精度急剧降低，故无法切割金属基碳化硅增强材料。故寻找一种既可精密加工碳化硅材料又可直接加工金属基碳化硅增强材料的加工方式，将会是行业内的研究热点之一。

电解电化学加工技术作为一种成熟的微细特种加工技术，已被广泛应用到各种精密金属零部件的生产中。电解电化学加工技术使用金属丝连接阴极电极，待加工工件连接电极阳极，在电解液中对工件进行电化学腐蚀加工。用此法加工出的材料切缝缝宽极小，且表面粗糙度极低，表面加工质量高。但电化学电解加工技术无法对非导体材料进行直接加工，针对碳化硅类材料的电解电化学加工技术尚未成型。故结合金刚石线锯切割技术和电解电化学加工技术，在这里我们提出一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法。

发明内容

本发明为解决上述技术不足，采用改性的技术方案，一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，包括以下步骤，

S1，首先，采用放线—粗拉丝—精拉丝—收线的工艺流程，生产出超细金刚母线；

S2，其次，PLC作为逻辑控制中心，控制微拉机设备的放卷系统、传动系统、摆杆系统、收卷系统、排线系统及气动系统，实现完全自动化控制；

S3，然后，以金刚石线锯切割机为基础，在线切割处喷流电解与冷却两用电解液，由金刚石线锯、待加工工件及电解液组成电流回路，并对机床与待加工工件进行绝缘处理，以实现电解磨削与线切割的复合；

S4，最后，对切割完成后的原料进行清洗，并自然冷却，冷却完成后，即完成制作。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S1中，原材料通过水箱拉丝机进行初次拉拔，完成粗加工；后使用精密微拉机进行微细拉拔，使线材直径达到超细金刚母线标准，并使用专业磨具加工线材表面，保证线材表面平整度。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S3中，在加工工件与切割线间附加交流电源，利用电解液的导电性发生电化学反应，在机械磨削的同时复合电化学钝化或腐蚀。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S3中，所述电解液使用NaOH溶液，选择喷液导电方式，利用铜质喷嘴将电解液喷流至线锯与加工工件的接触处，并将电极夹持在喷嘴上。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S3中，金刚石线锯的轻张力控制系统，轻张力控制系统由压力传感器、PLC、上位机及电动机组成。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S4中，所述清洗溶液中包括有盐酸、氢氟酸、碳酸氢钠进行混合的溶液，其中所述所述盐酸的浓度为0.5mol/L、氢氟酸浓度为0.4mol/L、所述碳酸氢钠浓度为0.3mol/L。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S1，所述超细金刚石线锯的直径控制在30-40mm之间。

本发明所达到的有益效果是：本发明将传统金刚石线锯线切割工艺与电解电化学微细加工工艺结合，解决了传统金刚石线锯切割SiC时加工表面质量较低且无法切割金属基碳化硅增强材料的问题，使所切SiC工件的表面质量提升，提高了切割效率，延长了设备使用寿命。

附图说明：

图1，本发明的工艺流程图；

图2，本发明的金刚石线锯电解磨削加工系统原理图；

图3，本发明的金刚石线锯电解磨削材料去除原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，包括以下步骤，

S1，首先，采用放线—粗拉丝—精拉丝—收线的工艺流程，生产出直径为30微米的超细金刚母线；

S2，其次，PLC作为逻辑控制中心，控制微拉机设备的放卷系统、传动系统、摆杆系统、收卷系统、排线系统及气动系统，实现完全自动化控制；

S3，然后，以金刚石线锯切割机为基础，在线切割处喷流电解与冷却两用电解液，由金刚石线锯、待加工工件及电解液组成电流回路，并对机床与待加工工件进行绝缘处理，以实现电解磨削与线切割的复合；

S4，最后，对切割完成后的原料进行清洗，并自然冷却，冷却完成后，即完成制作。

步骤S1中，原材料通过水箱拉丝机进行初次拉拔，完成粗加工；后使用精密微拉机进行微细拉拔，使线材直径达到超细金刚母线标准，并使用专业磨具加工线材表面，保证线材表面平整度。

步骤S3中，在加工工件与切割线间附加交流电源，利用电解液的导电性发生电化学反应，在机械磨削的同时复合电化学钝化或腐蚀。

步骤S3中，所述电解液使用NaOH溶液，选择喷液导电方式，利用铜质喷嘴将电解液喷流至线锯与加工工件的接触处，并将电极夹持在喷嘴上。

步骤S3中，金刚石线锯的轻张力控制系统，轻张力控制系统由压力传感器、PLC、上位机及电动机组成。

步骤S4中，所述清洗溶液中包括有盐酸、氢氟酸、碳酸氢钠进行混合的溶液，其中所述所述盐酸的浓度为0.5mol/L、氢氟酸浓度为0.4mol/L、所述碳酸氢钠浓度为0.3mol/L。

首先，经过“放线—粗拉丝—精拉丝—收线”的工艺流程，生产出直径为30微米的超细金刚母线。相较于市场上传统的金刚母线，本公司生产的金刚母线直径更细，性能更好，使用寿命长，性价比高。

超细金刚母线的生产线由AM600型PLC控制器组成控制系统，控制张力摆杆及牵引杆的传动，实现轻张力控制和整机的同步运行，保证张力在0.3-3N 随时可控，可长时间生产超细金刚母线而不断线；同时，在保证生产质量的前提下，生产线可以较高的速度运行，平均生产速度可达800m/min，实现了超细金刚母线的高产能，高品质生产，原材料通过水箱拉丝机进行初次拉拔，完成粗加工；后使用精密微拉机进行微细拉拔，使线材直径达到超细金刚母线标准，并使用专业磨具加工线材表面，保证线材表面平整度；加工过程中，利用MES监控系统检测各加工环节的加工情况，并对异常情况进行自动调整。

其次，使用PLC作为逻辑控制中心，控制微拉机设备的放卷系统、传动系统、摆杆系统、收卷系统、排线系统及气动系统，实现完全自动化控制，降低了现场运作成本；使用IS620N伺服器，针对不同环境做出调整，提高伺服响应性和稳定性，可实现高精度、高速度的拉丝作业；同时采用系统平衡PID 算法优化，将PID参数进行二段线性处理，对积分饱和及已达到目标值的过冲运行情况进行暂停积分处理。当偏差较大时，系统进行快速积分的方式加以控制，解决了积分过冲带来的张力波动影响。在加强比例作用和积分作用的情况下，可保证系统不出现积分过冲现象。若数值偏差过大，可对积分进行放开处理，即当位置偏差过大时，对静止与快速靠近的积分信号，都进行快速积分累计，以达到快速回正的目的

最后，以金刚石线锯切割机为基础，在线切割处喷流电解与冷却两用电解液，由金刚石线锯、待加工工件及电解液组成电流回路，并对机床与待加工工件进行绝缘处理，以实现电解磨削与线切割的复合，降低了碳化硅类材料的切割难度，优化切割质量，提升切割效率；同时，设计并安装了金刚石线锯的轻张力控制系统，轻张力控制系统由压力传感器、PLC、上位机及电动机组成，工作时压力传感器检测实时张力信号，并输入PLC及上位机，对比张力信号并调整控制电动机转动，将张力的浮动控制在较小范围内，实现了超细金刚石线锯的长时间稳定切割，保证在加工时不断线，提高了设备的使用寿命。

本发明方法基于现有的金刚石线锯切割系统，在加工工件与切割线间附加交流电源，利用电解液的导电性发生电化学反应，在机械磨削的同时复合电化学钝化或腐蚀。

试验系统原理见图2。

切割过程中，加工工件为阳极，连接电源的正极，切割线为阴极，连接电源的负极。在阳极电场的作用下，加工工件发生阳极氧化和腐蚀形成钝化腐蚀层，钝化层不断被切割线上的金刚石磨粒刮除，在露出新鲜表面后，继续发生电化学作用，去除过程不断重复，材料去除机理见图3。

加工过程中，电解液使用NaOH溶液。由于金刚石线锯表面均匀附着有一层金刚石颗粒，其导电性较差，故接触式导电方式不适用；又因为线锯进行往复式切割作业，使用碳刷导电会使碳刷磨损急剧增加，降低工作效率，故此方法也不适用。本项目组选择喷液导电方式，利用铜质喷嘴将电解液喷流至线锯与加工工件的接触处，并将电极夹持在喷嘴上，此时电流将随电解液流向加工区域，以达到施加电流的目的。

当电解反应开始时，在工件阳极与切割线阴极上发生的电化学反应为：

阳极反应：4OH^--4e^-→2H₂O+O₂↑

阴极反应：2H₂O+2e^-→H₂↑+2OH-

电解反应后，溶液中被电离的OH^-与h⁺充斥整个电解液氛围。由于此时 SiC相对于工具电极具有正向电位差，离子被运送至SiC周围，并将SiC氧化，此时发生如下反应：

SiC+4OH^-+4h⁺→SiO+2H₂O+CO↑

SiC+8OH^-+8h⁺→SiO₂+4H₂O+CO₂↑

切割过程中产生的SiO_x氧化物可继续与电解液中的NaOH产生如下反应：

SiO+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂↑

SiO₂+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O

反应产物Na₂SiO₃俗称水玻璃，是一种易溶于水的化合物，故电解反应生成的产物均为易溶于水的物质或气体，不会因杂质沉积而影响线切割的进行。

由反应方程可以得出，在加工时SiC被电解形成SiO_x，主要形式为SiO与 SiO₂。SiO不稳定，极易被氧化生成SiO₂，SiO₂的莫氏硬度为6.5，小于SiC 的莫氏硬度9.5，其切割难度远小于SiC，故通过电解反应可将难切割材料SiC 转化为较易切割的SiO₂，大大提升了切割效率与材料加工质量。

金刚石线锯电解磨削线切割机床的工艺技术指标：

SiC精整加工整体尺寸精度优于：±2μm

SiC零部件加工表面粗糙度优于：Ra 0.4μm

③SiC切片整体厚度偏差TTV≤15μm，翘曲度BOW≤10μm，弯曲度(Warp) ≤10μm。

装备技术指标：

①线锯速度Vs：0.1-3000mm/s

②工件进给速度Vx：0-15mm/min

③切割作业周期T：1050-2700s

④法向切割力Fn：1.4-2.5N

⑤切向切割力Ft：0.6-1.0N

⑥线锯张紧力F：15N-50N

⑦金刚石线锯直径D：30-250μm

⑧电压V：20V

⑨电流I：0.1A-0.28A

⑩电解液：NaOH溶液。

。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1，首先，采用放线—粗拉丝—精拉丝—收线的工艺流程，生产出超细金刚母线；

S2，其次，PLC作为逻辑控制中心，控制微拉机设备的放卷系统、传动系统、摆杆系统、收卷系统、排线系统及气动系统，实现完全自动化控制；

S3，然后，以金刚石线锯切割机为基础，在线切割处喷流电解与冷却两用电解液，由金刚石线锯、待加工工件及电解液组成电流回路，并对机床与待加工工件进行绝缘处理，以实现电解磨削与线切割的复合；

S4，最后，对切割完成后的原料进行清洗，并自然冷却，冷却完成后，即完成制作。

2.根据权利要求1所述的一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，其特征在于，步骤S1中，原材料通过水箱拉丝机进行初次拉拔，完成粗加工；后使用精密微拉机进行微细拉拔，使线材直径达到超细金刚母线标准，并使用专业磨具加工线材表面。

3.根据权利要求1所述的一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，其特征在于，步骤S3中，在加工工件与切割线间附加交流电源，利用电解液的导电性发生电化学反应，在机械磨削的同时复合电化学钝化或腐蚀。

4.根据权利要求1所述的一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，其特征在于，步骤S3中，所述电解液使用NaOH溶液，选择喷液导电方式，利用铜质喷嘴将电解液喷流至线锯与加工工件的接触处，并将电极夹持在喷嘴上。

5.根据权利要求1所述的一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，其特征在于，步骤S3中，金刚石线锯的轻张力控制系统，轻张力控制系统由压力传感器、PLC、上位机及电动机组成。

6.根据权利要求1所述的一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法的其制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述清洗溶液中包括有盐酸、氢氟酸、碳酸氢钠进行混合的溶液，其中所述所述盐酸的浓度为0.5mol/L、氢氟酸浓度为0.4mol/L、所述碳酸氢钠浓度为0.3mol/L。

7.根据权利要求1所述的一种超细金刚石线锯电解磨削线切割方法，其特征在于，步骤S1，所述超细金刚石线锯的直径控制在30-40mm之间。

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