超硬磨料在硬脆材料切割中的应用

超硬磨料在硬脆材料切割中的应用

250061󰀁山东大学机械工程学院󰀁高󰀁伟󰀁刘镇昌󰀁

DeBeers工业钻石部󰀁PhilipBex,GraceZhang

摘要󰀁本文概述了硬脆材料切割中使用超硬磨料的几种典型切割方法。常用的硬脆材料的切割方法有:金

刚石锯片切割,金刚石框架锯切割,金刚石带锯切割,金刚石串珠锯切割等。这此切割方法各有其特点,用途各

异,也各有其局限性,除了金刚石串珠锯外,一般都难以切割曲线,并且切缝较宽,出材率低,不适用于贵重材料的切割。本文还比较详细地介绍了较先进的线锯切割的几种方式,指出环形电镀金刚石线锯切缝窄,特别适合切割

贵重的硬脆非金属材料,并且切割速度高,能充分体现金刚石磨料的卓越性能,是应用前景非常广泛的切割方法。

文中最后探讨了超硬磨料切割技术的发展方向。

主题词󰀁超硬磨料󰀁硬脆材料󰀁切割󰀁金刚石1󰀁概述

硬脆材料是指硬度高、脆性大的材料,通常为非导

电体或半导体,如:各种石材、宝石、玻璃、硅晶体、石英晶体、硬质合金、陶瓷和稀土磁性材料等。随着工业的

发展,硬脆材料在各个领域的应用日益广泛。在硬脆

材料的各种加工方法中,切割加工占有很重要的地位,

对脆性材料的切割大致有以下要求:高效率、低成本、窄切缝(材料利用率高)、无损伤、无环境污染。

近十几年来,随着超硬材料的迅速崛起,硬脆材料

的切割加工发展较快,新工艺、新设备、新方法不断涌

现。超硬材料主要指金刚石和立方氮化硼(CBN),它们以单晶、聚晶及薄膜等形式出现,是当今世界高科技

领域中最有活力、最有前景的材料之一。金刚石是世

界上已知最硬的物质,并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性等多种优良性能,可用于铝、铜等有色金属

及其合金的高效精密加工,特别适用于加工硬脆非金

属材料。

立方氮化硼的硬度仅次于金刚石,具有高化学稳定性,高热稳定性等优良性能,特别适用于加工黑色金

属材料及其合金。超硬材料的独特性能决定了其在各

种工程材料尤其是硬脆材料的切割加工领域将有广阔的发展前景。

2󰀁硬脆材料的切割方法

当前,按切割工具形状分,硬脆材料的切割方法可

分为如图1所示的几种。2.1󰀁圆锯片切割

按切割形式,圆锯片切割又分为外圆切割和内圆

切割两种。外圆切割机以锯片外圆周上的金刚石磨粒作为切割刀刃,是应用较早的切割方法。金刚石圆片图1󰀁硬脆材料切割方法分类

锯自19世纪中期开始在欧洲制造[1],1965年以来由于

人造金刚石的大量上市,金刚石圆片锯作为切割工具

今天已进入全盛时期。这种设备具有操作方便、效率高、加工质量好等优点,但噪音较大,刀片刚性差。切

割过程中锯片易产生振摆、跑偏,导致被切割工件的平

行度差。锯片主轴难以承受较大的锯片,使切割过程中产生摆动,而不能切出直线,尽管增加锯片厚度可以

提高其刚性,但仍难以保证切片的平行度。另外,增加厚度不仅增加了锯片成本,而且使锯缝宽度增加而降

低了出材率[2]。外圆切割的线速度较高,可达50m/s,

锯切深度受到锯片直径的限制,一般不超过直径的三分之一。目前,锯切深度一般不超过1米,1997年德

国研制成功直径达5米的圆锯片芯片,据称是世界之最[3]。外圆切割主要用于石材的切割,房屋、桥梁、路

面等建筑的拆除、改建。为提高生产率,生产板材多用

先进的多片式圆片锯,一般不超过30片,多者可达55片[9~11]。

内圆切割机是利用圆锯片内孔圆周上的金刚石磨料作切割刀刃,周边被张紧在一个框架上,因此,内圆󰀁26󰀁󰀁金刚石与磨料磨具工程󰀁切割片的刚性好,可做得很薄,目前最薄可达0.1mm。

内圆切割的切缝窄,材料利用率高,机床易于调整,切

割晶体质量高,对材料损伤极小。由于其显著优点,因此,内圆切割在硬脆材料的切割领域中应用广泛,发展

迅速,特别适于切割硅晶体、陶瓷及硬质合金等硬脆材

料。但是,内圆切割只能进行直线切割,无法切割曲

面。2.2󰀁带状工具切割

框架锯是一种古老的使用带状工具的切割设备,

人们对框架锯切割原理进行了深入的研究[12,13]。现代框架锯的工艺参数在一定范围内可自动调节,连杆

行程可实现不停机自动补偿。目前,世界上最大的框

架锯一次可安装180根锯条,能切出10mm厚板材,锯

条行程为80cm,采用双连杆驱动,可确保锯路的直线性[3]。框架锯是生产花岗岩、大理石板材的常用机械

设备,特别适合生产大尺寸板材。根据切割介质分,框

架锯有使用游离磨料的,也有使用固结磨料的。使用

游离磨料的框架锯采用含有钢砂的切割液为切割介质,切割过程中产生的大量废钢砂浆对环境污染严重,

切割效率较低,工具磨损较快,因此,采用固结金刚石

磨料的锯条是框架锯的一个发展方向。不过,金刚石框架锯目前还不能用于切割较硬的花岗岩石材。这是

因为框架锯的锯条作往复运动,使金刚石烧结块刀头

上的金刚石后部无法形成󰀁鱼尾󰀁状支撑,把持力较小,

容易从胎体上脱落[2]。框架锯锯切大理石等较软的石材时,现在广泛采用金刚石框架锯[2,3]。各种框架锯

的共同缺点是需要频繁停止进行换向,切割速度非常

低,一般不超过0.2m/h。金刚石带锯是以镶焊金刚石烧结块的环形锯条为

切割工具。金刚石带锯于20世纪50年代出现于市

场,我国于80年代才开始研制出该类设备[14]。这种

设备有锯口小,锯切速度快,刀具材料消耗小、噪音小等优点,但它对荒料要求规整,不能进行多片切割。

钢片切割机是利用一排一定间隙的张紧的钢片在

工件上作往复运动进行切割,其原理类似于钢砂锯。磨液不断地浇注到钢片与工件的接触部位,钢片将磨

液带入工件切缝中形成切割作用。磨液中的磨料通常

为碳化硅。钢片切割机可同时切割几十片、上百片工

件,切割效率高,质量好。磨液经处理后可重复使用,但切割环境较脏,对环境仍造成一定污染。钢片切割

法适用于大量生产石英谐振器的石英振子,计算机磁

头用的陶瓷铁氧体结合剂,彩电用的延时玻璃片,陶瓷等的切断、切槽等[15]。

2.3󰀁线锯切割线锯可分为三种:钢丝锯、金刚石线锯和金刚石串

珠锯。

2.3.1󰀁钢丝锯钢丝锯分为单线式和多线式两种,但常用多线式。

多线式钢丝锯原理如图2所示,是利用一根钢丝缠绕

在一组锯丝导轮上,形成一排以一定间隔排列的切割

线,切割时,钢丝按一定方向运动,同时工件和钢丝相互压紧,当含有游离磨料的切割液浇注到工件和锯丝

之间时,锯丝快速运动将切割液带入工件切缝,产生切

削作用。切割液通常为磨料和矿物油按一定比例混合而成。常用的磨料为碳化硅。

图2󰀁多线式钢丝锯切割原理

传统的钢丝锯一般为往复式运动,受到钢丝长度

的限制,切割速度较低。1990年日本的小岛正康研究

了利用单向行程钢丝进行高速、高精度切断加工,解决

了󰀁8󰀁的大直径硅片的高精度、高效切断加工问题[16]。1993年他又研制了一种多线精密切割装置,能

使切割线始终朝一个方向运动,比往复式钢丝锯切割

速度提高1~2倍,可达400~800m/min,通过提高送料速度可缩短锯切时间,这种钢丝可重复使用5~10次。

该装置可切割单晶硅、石英、陶瓷和水晶等[17]。为了

加工大规模集成电路散热器,1998年KOJIMA开发了

一种多线切割技术。该装置仍为单向走丝,钢丝线长达300~500km,是一般线长的5~10倍,最大走线速度

达900m/min[18]。

钢丝锯的主要特点为:切缝窄,目前最小切缝可达0.2mm,切片量大,切片成本低;但可靠性差,钢丝耐用

度低。

2.3.2󰀁金刚石线锯

金刚石线锯是将高硬度、高耐磨性的金刚石磨粒牢固地电镀在钢丝基体上面制成的一种切割工具。和

使用含碳化硅等传统磨料的切割液为切割介质的钢丝

锯相比,由于金刚石磨料具有高硬度、高耐磨性等显著

优点,被涂附在钢丝表面后,钢丝基体不直接与工件接󰀁27󰀁2001.3(123)触,钢丝寿命可大大提高,切割效率和精度也更高。金

刚石线锯不仅可以加工石材、玻璃等普通硬脆材料,而

且因其切缝窄(可小于0.5mm),特别适用于切割宝石、玛瑙、陶瓷、水晶等贵重的硬脆材料。实验研究表明,

金刚石线锯切割硬脆材料有以下优点:(1)切割未经烧

结的硬质合金能保证其软的边缘不破损;(2)脆性晶体

切片用线锯比用砂轮效果好,其振动一旦接触工件就马上停止;(3)线锯切割时温度低,可用来切割易炸裂

材料;(4)切割绝缘体不引起崩碎;(5)能切精密窄缝;

(6)能做大尺寸工件切片[19]。金刚石线锯亦有单线式和多线式两种。金刚石多

线锯的切割运动形式类似于钢丝锯。主要用于切断加

工。切割时锯丝从一个绞轮绕到另一个绞轮上,可实

现中等速度的切割,但同钢丝锯一样,锯丝必须有足够的长度,对绞轮的强度要求也较高。锯丝张紧力的调

节机构较繁琐。80年代中期,英国有人做出一种多线

式线锯[19],该锯驱动装置由梭形绞盘组成,盘槽中紧

紧缠着100~200英尺长的切割线。这种工具可锯割金属陶瓷、玻璃、石英等脆性物质,且线拉得越直切割

效果越好。英国的AhlburyTechnicalEquipmentCorp.公

司生产的金刚石线锯也为多线式。该锯可切割任意材料,切口表面光洁,无崩刃现象发生[20]。

金刚石单线锯多用于成型切割。金刚石单线锯有

两种形式:

1)往复式:多由曲柄机构驱动,锯丝上下往复运动。这种锯结构简单,适应性好,可以对各种硬脆材料

进行内、外曲线表面的切割。但由于往复运动,锯丝的

有效工作长度受到限制,锯丝利用率低,切割速度较低,一般为2~3m/s。瑞士于80年代中期研制出往复

式金刚石线锯[21]。九十年代国内先后研制出几种类

似设备[22,23],主要加工各种精密、复杂形状的石墨电

极、石墨零件等石墨制品,还可切割玻璃、夹布胶木、陶瓷、大理石等非金属材料。

2)回转式:是将线锯焊接成环形,通过导轮实现循

环切割。回转式线锯的整个长度内都可工作,使用寿命长,切割速度高,切割速度可达10~20m/s。美中不

足的是该形式的线锯切割内曲面时必须先切割一条进

线口。1989年联邦德国的HecherundKoch公司生产

了一种回转式的金刚石线锯,该锯用四个导向轮使线锯沿环形轨道导向,调节滚轮的位置可切割高达

300mm的坯料,切割宽度为0.6~1.5mm,可实现干切

割硬质合金、陶瓷、橡胶等各种软、硬材料[24]。1993年日本进行了金刚石电镀环形线锯的研究,并提出了焊接方法及焊接接头的评价方法。研究表明:金刚石线锯可提高硅块切割表面的质量[25]。

钢丝锯和金刚石线锯一般适用于尺寸较小的工件

的窄缝切割,受锯丝长度和寿命的限制,这两种线锯一般不能用于切割大尺寸工件。

2.3.3󰀁金刚石串珠锯

金刚石串珠锯是近十几年发展较快的切割工具。

它产生于70年代,最初应用于石材的开采,后来广泛应用于建筑物、桥梁等混凝土结构的拆除和改造,也用

于切割玻璃等材料[26~32]。金刚石串珠锯(Diamond

beadsaw)由钢丝绳芯、金刚石串珠和隔离套组成,串珠以一定间隔穿在绳芯上,并由隔离套分开。串珠锯的

性能,如切割效率、使用寿命等主要取决于金刚石串珠

的物理和机械特性。传统的串珠有两种制造方法,电

镀和热压烧结。最初金刚石串珠是通过电镀的方法制造的,1983年以后开始用烧结的方法生产[2]。前者只

有一层金刚石磨料,开始时切割速度较快,但磨损速度

也较快;而后者的金刚石磨料可以不断的更新,切割速

度较慢,但使用寿命长。这两种串珠的共同缺点是金刚石磨粒为随机分布,分布不均。文献[2]介绍了一种