双层紫外光固化树脂金刚石锯丝研究

针对单层紫外光固化树脂金刚石锯丝存在树脂柔韧性差、金刚石磨粒易脱落等问题,提出了一种双层紫外光固化树脂金刚石锯丝制作工艺.该工艺先在芯线表面涂覆一层柔韧性好并且与芯线结合能力强的光固化树脂,经紫外光固化,再在该树脂层表面涂覆一层含金刚石磨粒的光固化树脂并且固化.分别用双层和单层紫外光固化树脂金刚石锯丝对硅锭进行切割对比试验,其中双层紫外光固化树脂金刚石锯丝切割效率达到26mm2/min;切缝和崩边小,材料利用率高;表面粗糙度从Ra4.595 μm减小到Ra1.031μm,切片质量较高.     

固结金刚石线锯锯切硅片的正交试验研究

对固结金刚石线锯锯切硅片的工艺参数进行了正交试验研究。分析了工件进给速度、锯丝线速度和锯丝张紧力对硅片表面粗糙度的影响,获得了基于降低硅片表面粗糙度的最佳工艺参数。在本试验范围内,最佳工艺参数为:工件进给速度为0.5 mm/min,锯丝张紧力为0.22 MPa,锯丝线速度为1.5~1.8 m/s。     

环形电镀金刚石线锯锯切工艺参数的正交试验研究

这里对环形电镀金刚石线锯锯切工艺参数进行了正交试验研究。分析了金刚石粒度、进给压力和锯丝速度对锯切过程的影响。获得了基于提高锯切效率和锯丝寿命,降低锯切力的最佳锯切工艺参数。锯切花岗岩时,要保证较高的锯切效率和锯切比,在本试验范围内,最佳工艺参数为:采用金刚石粒度为200～230#的锯丝,进给压力为9N,锯丝速度为20m/s。     

混凝土锯切加工过程的基本特征

通过金刚石单颗粒划伤、金刚石单个节块锯切和金刚石锯片锯切系列试验，对混凝土锯切加工过程中的切屑形态和切削区表面形貌，以及切削力等基本特征进行了详细讨论。结果表明：金刚石锯片锯切混凝土的过程表现为高速锯切过程中金刚石锯片的冲击引起混凝土表层断裂破碎，水泥石子等在切削区内层受到金刚石磨粒的微切削作用形成粉屑，以及钢纤维和钢丝发生金属塑性变形断裂或被拔拉而断裂的过程。在粘性水泥粉屑以及金刚石磨粒的挤压作用下，多种形态的切屑易粘结成团，并粘附到混凝土锯切表面和锯片节块上而导致锯片堵塞。     

金刚石线锯横向超声振动切割SiC单晶表面 粗糙度预测*

把横向超声振动应用到金刚石线锯切割硬脆材料加工中,基于冲量原理分析了线锯横截面上不同位置处金刚石磨粒对工件的法向锯切力。应用压痕断裂力学理论,定量分析了在法向和切向载荷共同作用下磨粒下方中位/横向裂纹扩展的长度和深度。研究了振动磨粒在工件上间歇加载和卸载使横向裂纹优先扩展并抑制中位裂纹扩展的屏蔽效应。建立了横向振动线锯切割硬脆材料时线锯横截面不同位置处磨粒的材料去除模式模型,得到了横向振动线锯切割硬脆材料晶片表面粗糙度的预测公式。以SiC单晶为切割对象,进行普通线锯和横向超声振动线锯切割对比试验,测定线锯的锯切力和晶片表面粗糙度,并对表面形貌进行观察。结果表明,横向超声振动线锯切割SiC是以脆性去除为主塑性去除为辅的混合材料去除模式;同等试验条件下,超声振动线锯切割能使晶片表面粗糙度降低25.7%。表面粗糙度测试结果与理论预测具有较好的一致性。     

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硅片性能的研究

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮,制备效率高且具有良好的力学性能。研究其磨削硅片的性能,利用恒压力平面磨削试验台进行一系列砂轮节块试样硅片磨削实验,分析不同的磨削工艺参数(压力、速度以及时间)下硅片表面粗糙度、表面形貌及砂轮节块磨削比。实验结果表明当磨削压力22N,速度450 mm/s,时间1 h时,硅片表面粗糙度值最小达到0.41μm,砂轮磨削比为0.17,微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮能够满足硅片的磨削表面质量要求。     

多孔钎焊砂轮的制备及SiC陶瓷磨削试验研究

基于模压成形和真空固相烧结工艺,选用Cu-10Sn结合剂、经氧化预处理的TiH2钎焊造孔剂、MBD8金刚石磨粒,制备出磨粒把持力大、孔隙分布均匀的多孔钎焊金刚石砂轮（PBDGW）。开展PBDGW与多层钎焊金刚石砂轮（MBDGW）的SiC陶瓷磨削对比试验,从磨削力、工件表面粗糙度和表面/亚表面形貌等方面分析砂轮的磨削性能。试验结果表明：与MBDGW相比,PBDGW磨削SiC陶瓷的切向力下降了8.4%～23.6%、法向力下降了10.2%～38.6%,磨削加工表面粗糙度平均降幅为10.4%;工件表面完整性较好,表面/亚表面的脆性断裂、微观裂纹等缺陷较少。     

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151 μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10 μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6 μm以内,轴向梯度误差由6 μm降至2.5 μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2 μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。     

超微粒金刚石和富勒烯研具创建超平滑表面的研究

制备了超微粒金刚石和富勒烯研磨工具,并分别进行了硅片研磨试验,详细分析了两种材料的研磨特性如表面粗糙度的稳定性、磨料粒度对研磨效果的影响以及研磨材料的显微结构等。试验结果表明,使用0~1/8μm粒度的金刚石研具获得的表面粗糙度值大于使用0~1/4μm粒度金刚石研具的表面粗糙度值,这是因为磨粒被粘结剂覆盖所致。研究结果表明,采用富勒烯研具研磨硅片可获得Ra5nm的超平滑镜面。     

亚固结线锯切割实验研究

针对目前游离磨料线锯切割效率低、切缝损失大的缺点,提出了一种亚固结线锯切割的新方法,即在线锯表面增加凹槽,在线锯切割时让磨粒嵌入凹槽实现瞬间固结,从而达到提高效率和减小切缝损失的目的。应用VW-6000/5000动态分析三维显微系统,观测切割区域内磨粒的运动状态,结果表明磨粒可以实现瞬间固结。通过亚固结线锯和游离磨料线锯的切割对比实验,分析了两者在切割效率、切缝宽度和表面粗糙度方面的差距。     

磁感应游离磨粒线锯吸附机理及切割性能分析

传统游离磨粒线锯切割过程中,磨粒难以进入到切割区域,这使得切割区域工况变差,线锯切割效率降低,切缝损失增大。提出了一种磁感应游离磨粒线锯切割的新方法,通过磁场力的作用将磁性磨粒吸附于锯丝表面顺磁区,使更多磁性磨粒进入切割区域,从而提高线锯切割性能。通过分析锯丝在不同磁场强度下的吸附磁性磨粒情况,验证了磁感应游离磨粒吸附机理的正确性。最后,进行磁感应游离磨粒线锯切割实验。结果表明,磁场强度的变化对游离磨粒线锯的切割效率、表面粗糙度和切缝宽度都会产生显著的影响。     

悬浮法制造电镀金刚石线锯的研究

采用悬浮法进行电镀金刚石线锯的实验研究。通过单因素实验方法,借助扫描电子显微镜,研究了复合镀层表面的形貌。结果表明,当工艺参数为金刚石磨粒质量浓度80g/L、分散剂质量浓度2g/L、电镀时间20min、平均电流密度2A/dm2时,能够获得金刚石磨粒分布均匀、符合实际切割需要的电镀金刚石线锯。     

研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料去除率及加工稳定性;制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石,并制备成固结聚集体金刚石磨料垫,探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能;分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明:采用固结聚集体金刚石磨料垫,研磨后工件表面粗糙度低,去除效率稳定;在15~21 kPa的压力下,结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高,材料去除率达到8.94~12.43μm/min,加工性能较稳定,研磨后的工件表面粗糙度R a在60 nm左右;在3.5~7 kPa压力下,结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定,材料去除率在2.67~3.12μm/min,研磨后的表面粗糙度R a在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件,而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。     

超声辅助金刚石线锯切割硬脆材料的研究

金刚石线锯切割硬脆材料时具有切缝窄、柔性好等优点而广为应用,通过添加超声振动装置更能显著提高加工效率及降低表面粗糙度。介绍了金刚石线锯超声复合加工系统的具体结构及超声添加方式,分析了横向和纵向两种不同超声激励下线锯的有效切割过程,对金刚石磨粒的切削运动过程进行了分析研究,建立了单颗磨粒去除模型,总结了超声振动对线锯切割加工的影响因素。     

应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石

通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备了具有球状晶结构、棱锥形晶结构和棱柱形晶结构等3种不同表面特征的化学气相沉积(CVD)金刚石涂层工具,以提高其研磨效率。通过正交实验法研究了金刚石涂层晶粒形态、载荷、工作台转速、研磨时间等4个工艺参数对蓝宝石材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:金刚石涂层的晶粒形态对材料去除率和表面粗糙度影响较大;球状晶结构金刚石涂层切向力较小,棱柱形晶结构金刚石涂层切向力较大;选择棱柱形晶CVD金刚石涂层工具研磨蓝宝石,在研磨加工参数为载荷0.15 MPa、转速100 r/min、研磨时间3 min时,其材料去除率为0.397μm/min,表面粗糙度为0.354μm。结果表明:提出的CVD金刚石涂层工具可用于进一步加工、研磨蓝宝石切片,去除其表面划痕,从而改善工件表面质量。     

金刚石锯条张夹机具

石材加工设备金刚石框锯机,在我国石材加工技术领域中,目前尚是一种唯一的新型专业化高效率机械。它一次可装上40～80根金刚石锯条,锯切幅面(1.9～2.2)×1.6m的大规格石材毛板39～79块以上。板的锯切厚度均匀、平整度好、粗糙度低,可省去粗磨工序,生产效率是老式砂石锯的6～10倍。但是,该机受到锯机的锯条张夹机具的限制,尽管采用世界上先进的金刚石框锯机锯条张夹机具(图1),锯切的石材厚度最小也要20mm。     

单晶硅料摆辅助多金刚线切片的锯切力模型研究

料摆辅助多金刚线切片技术是实现硬脆材料高精高效加工行之有效的工艺技术,探明其工艺参数、锯切力和切片质量的定量关系,具有重要的现实意义。在研究金刚线运动轨迹的基础上,推导了考虑线弓影响的切割长度变化公式;结合压痕断裂力学和试验研究,建立并验证了料摆辅助切片的锯切力模型。开展了不同工艺参数对锯切力的影响分析,结果表明,料摆辅助加工可以降低锯切力近50%;摆动角度对最大切割力的影响较小,但摆角增大会加剧"锯齿形波动"周期内的锯切力极值幅度,摆动角速度对"锯齿形波动"的周期影响较大;在恒定进给速度条件下,进给速度越高,锯切力越大;在变速进给条件下,最大锯切力可降低12%左右。进一步进行了摆角分别为0°、3°、5°和7°的多金刚线切割单晶硅实验,试验表明,料摆辅助切片加工有助于减少硅片表面因脆性崩裂产生的表面材料破损、深凹坑等缺陷;相较于普通切片加工,在摆角5°工况时,工件的表面粗糙度和硬化层厚度最大分别降低30.1%和20.1%。     

硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

环形金刚石线锯开方单晶硅棒试验研究

通过环形金刚石线锯开方单晶硅棒试验,分析了影响环形金刚线锯切割能力的因素及其切割硅棒的能力和切割失效机理,结果表明:相同跑线方式下,相比于冷却水流量10L/min工况下,在20L/min时更有利于维持环形金刚石线锯切割能力;在张力100N、线速度30m/s、进刀速度20mm/min的工况下,环形金刚石线锯总开方深度为2635mm,其失效形式主要为磨粒磨损与镀层磨损。在金刚线切割过程中,受张力以及切割时硅棒的反作用力影响,易导致金刚石磨粒和镀层开裂、磨粒脱落;同时,因导轮处反复折弯换向,钢线出现松散,最终引起环形金刚石线锯韧性断裂;随着切割深度的增加,环形金刚线锯开方后的硅棒表面粗糙度呈现先降后升的趋势,但变化幅度不大,表面粗糙度的数值均小于1μm,表面质量良好。     

基于轮廓法的金刚石线锯整周三维表面形貌测量和评价

针对毫米级尺度线径和微米级尺度磨粒的金刚石线锯整周三维表面形貌测量难以实现与定量评价问题,提出一种基于轮廓法的圆周扫描表面磨粒形貌测量与分析方法。通过显微测量系统沿周向扫描采集金刚石线锯对应的边缘轮廓图像序列,经图像处理后获得金刚石线锯整个圆周表面形貌的坐标点云,采用三次样条插值法对数据进行平滑处理,经圆柱坐标变换处理,可重构金刚石线锯三维表面形貌。在金刚石线锯常用评价参数基础上,提出基于扫描过程二维投影轮廓和三维重构形貌的综合评价参数。采用自行研制的测量系统,对两个规格的线锯（线径外径分别为0.250 mm、0.320 mm;磨粒粒径范围30~40 μm）进行测量和评价。试验结果表明：该方法无需多次拼接,就可完成金刚石线锯整周三维微观形貌测量,并能实现对线锯特征参数的全面评价,可为线锯本身制造及使用过程中的工艺优化提供更加客观的基础数据。