金刚石线切割机的选用

1 金刚石线切割机的选用 一、金刚石线切割机 金刚石线切割机原理 金刚石线切割机装有一个绕丝筒。绕丝筒在高速旋转的同时进行往复回转运动进而带动金刚石线做往复运动，金刚石线被两个张紧轮所张紧，为增加切割的精度和面型，在张紧轮下面安装两个导向轮。[1] 通过自动控制工作台向金刚石线方向不断地进给，或是控制金刚石线向工作台方向不断进给，从而使金刚石线与被切割物件间不断产生磨削进而切割。 金刚石线锯切割优势 电火花线切割加工要求被加工材料必须导电，其工作原理是在绝缘油介质中，靠金属切割盘与试样之间产生的电弧起切割作用。将工件接入脉冲电源正极，采用钼丝或铜丝作为切割金属丝，将金属丝接高频脉冲电源负极作为工具电极，利用火花放电对加工零件进行切割。脉冲电源提供加工能量，加工过程中应用专用的线切割工作液清除加工中产生的碎屑[2] 。切割过程中若工件材料过厚时，工作液较难进入和充满放电间隙，会对加工精度和表面粗糙度造成影响。有时某些工件可能会在表面出现裂纹、变形等问题。切割后的金属表面没有裸露最原始的金属，而是覆盖一层氧化皮，若想观察原始金属层，需先将金属表面的氧化皮磨掉，否则影响整个样品表面的形态。对于一些熔点特别高的金属，如钨合金，切割时接触点放电的热量所提供的温度达不到其熔点，因此难以对其进行切割。当被加工材料不导电且需要采用线切割的方式进行加工时，此时电火花线切割机不再适用。而金刚石线切割机的加工优势便显现出来，金刚石线切割机同时适用于导电材料和不导电材料（硬度要比金刚石线小）的切割。因此，金刚石线切割机被广泛用于各种金属和非金属及复合材料的切割，如陶瓷、玻璃、岩石、宝石、玉石、陨石、单晶硅、碳化硅、多晶硅、耐火砖、环氧板、铁氧体、PCB以及建筑材料、牙科材料、生物材料及仿生复合材料等，特别适用于切割各种高硬度、高价值、易破碎的脆性材料。[3-4] 金刚石线切割机常用的金刚石线有电镀型和树脂型两种。 1、电镀型：用电镀的方法在金属丝上沉积一层金属（一般为镍和镍钴合金），并在金属内固结金刚石磨料制成的一种线性超硬材料工具。金属镀层是结合剂，金刚石磨料则用于切削加工。 2

目前人们研究和应用较多的是截面为圆形的单根钢丝的金刚石长切割线和环形电镀金刚石切割线。电镀金刚石长切割线是指采用电镀的方法将金刚石磨料固结到金属基体上形成的切割线，常用基体截面形状为圆形，一般为0.12～0.5mm，主要用于硅晶体、蓝宝石的切割加工。环形电镀金刚石切割线是指将金刚石磨料电镀到环形金属基体上形成的切割线。该类切割线使用时一般缠绕到几个导轮上进行单向循环切割，切割过程中无需换向，因此切割速度高。但环形金刚石线的焊接接头处在旋转过程中容易受向外的张力而断裂，因此实际切割过程中为延长环形金刚石线的使用寿命会适当降低切割速度来缓解接头处所承受的张力，因而实际使用速度达不到理想速度。环形电镀金刚石切割线中的由单根钢丝焊接成环形的切割线的线径一般不大于1 mm，因此切缝较小，适合于硅晶体和蓝宝石等比较贵重的硬脆材料的切割。虽然有很多优点，但环形金刚石焊接接头处的焊接和热处理技术要求都比较高，生产成本高而使用寿命却比较短，因而得不到普遍的应用。另外，通过缠绕的方法将单根钢丝编织成环形钢绞线或环形钢丝绳。这类环形切割线的线径一般难做到1 mm以下，因此切缝较宽，且使用多根金刚石线的设备在设置切割间距时程序较复杂，但切割线不易断裂，使用寿命较长，适合石墨、复合非金属材料等的切割[5]。相比之下将单根金刚石线缠绕在绕丝筒上，通过绕丝筒高速往复旋转来带动单根金刚石线往复旋转来切割样品，不仅不会出现接头断裂的情况，而且保留了单根金刚石线直径较小的优点，可以根据切割材料的不同来选择不同的线径，使切割缝隙宽度得到控制，在切割样品时，切割间距可随意设置，设置程序非常简单，因此这种切割方式有明显的优势，且单根金刚石线与环形金刚石线相比造价较低，因而现在得到了普遍的应用。 2,、树脂型：树脂金刚石线是在原有镀铜超细钢丝线上喷涂一种增强耐磨合金、特种树脂和金刚石超微粉的切割线，主要应用于单晶硅、多晶硅、蓝宝石、水晶、陶瓷和半导体材料的切割上，能取代目前碳化硅砂浆法，解决了环境污染。树脂金刚石线的特点是高强度树脂及金刚石相结合带来的强的切割能力，线径及金刚石粒度的配合及控制表现出了更好的硅

基材是否为环形

基材种类

金刚石磨料

电镀金刚石长切割线 环形电镀金刚石切割线 单根钢丝基体金刚石切割线 多根钢丝基体金刚石切割线

不带金属衣的普通金刚石切割带金属衣的金刚石切割线

电镀金刚石切割线 3

片表面质量及切割表现，高耐扭曲能力的母线带来了非常低的断线率。但树脂金刚石线的工艺复杂，目前主要依靠进口，其成本较高，因此还得不到广泛的应用。 沈阳科晶自动化设备有限公司生产的STX系列金刚石线切割机属于高精密柔性切割，操作简单，金刚石线锯切割精度高，加工质量优良，切割面平整（Ra≤1.6μm），边缘无破边（如图4利用STX-202A小型金刚石线切割机切割玻璃柱放大200倍可以观察到切割后的玻璃柱平面度极好，边缘无破边现象）。机身采用铝型材结构，美观轻便，不易生锈。STX系列金刚石线切割机各机型各有其特点和优势，可根据所要切割样品的特性来选择合适的切割机。

图4 STX-202A金刚石线切割机切割玻璃柱的截面图 金刚石线切割机的选择： 1、当切割样品较小，切割深度≦50㎜时通常可选用：STX-202A和STX-202AQ两种型号的小型金刚石线切割机。这两种机器都是专为材料研究人员而设计，用于脆性材料样品的精密切割。且都具有：可用于各种不同硬度材料的切割，特别是适用于脆性、易解理的晶体切割；操作简便，加工质量优良；设备小巧，无需占用大面积位置放置。两种切割机的区别是STX-202A型金刚石线切割机采用弹簧对张紧轮进行张紧，无需额外的配套设备；STX-202AQ型金刚石线切割机采用气动张紧，张紧力输出均匀、气压可调整，最小可以使用φ0.08mm金刚石线，但须额外配备一台空气压缩机。若不要求使用特别细的金刚石线两种设备都可以应用。

图5 STX-202A小型金刚石线切割机 图6 STX-202AQ小型金刚石线切割机

2、当切割的样品相对较大且切割深度≥50㎜时，可根据样品尺寸在以下5种型号的设备中进行选择。

200× 4

图7 STX-1202A全自动金刚石线切割机，最大切割直径可达300㎜。 图8 STX-2401全自动金刚石线切割机，最大切割直径可达600㎜。

图9 STX-603 精密金刚石线切割机，最大切割直径可达150㎜。 图10 STX-4001金刚石线切割机，最大切割直径可达1米，工作台最大载重1.5吨

图11 STX-402台式金刚石线切割机，最大切割直径可达100㎜，采用80m长的金刚石线进行往复式切割，线速度在0-2m/s间可调。

金刚石线径的选择： 金刚石线径通常根据材料的特性选择，一般硬度高、强度大、耐磨损、耐腐蚀的材料不易被切割，因此应选用线径较粗、金刚石颗粒大的金刚石线，以此来保证金刚石线切割机对材料的切割能力和切割速度。当切割的材料易于切割时不需要很大的摩擦力便能将材料切削，因此一般选用小线径小颗粒的金刚石线。一些时候实验者会根据个人实验目的或被切割材料的特性对切割线径进行具体要求，如要求切割下来的样品表面平整度Ra在一定范围内或要求尽可能节约样品，这时所用金刚石线应按规定选择适当的线径。当切割贵重的样品时，考虑到材料的成本及节约材料的目的，一般选用较细的、颗粒小的金刚石线进行切割。通常情况下，对于绝大多数的样品我们选用直径为φ0.35㎜的金刚石线就能满足切割要求。目前，沈阳科晶自动化设备有限公司所使用金刚石线的线径有φ0.125±0.02㎜、φ0.25±0.02㎜、φ0.35±0.03㎜、φ0.42±0.03㎜四种规格，也可以根据需要，定制所需要直径的金刚石线。 切割速度的选择： 金刚石线锯的切割属于柔性切割，利用金刚石颗粒的硬度比被切割的材料坚硬，切割过 5

程中不锈钢线上镀有的金刚石颗粒层与被切材料进行往复磨削，达到切割的目的。根据材料特性，一般硬度适中（莫氏硬度＜9）的脆性材料切割速度可适当快一些，如硅、石墨、压电陶瓷、玻璃等。这是因为这些材料远没有金刚石坚硬，当金刚石线与其进行磨削时会很容易将材料磨削成颗粒进而切割。当切割金属或混合型材料或者难于切割的陶瓷材料，切割速度要尽可能慢。如各类硬质合金钢、氮化硅陶瓷、金属陶瓷、钛合金、电机等。这是因为金属类的样品具有粘刀的特性，降低金刚石线的磨削率，若切割速度设置过快会使与样品接触处的金刚石线出现一定向上的弧度，两个导向轮间线的跨距越大，允许的弧度越大，一般跨距是100㎜时允许金刚石线与样品接触处出现弧度的最高点与金刚石线的水平位置的距离不超过5㎜；坚硬材料切割时由于材料的硬度与金刚石颗粒硬度差小，因此切割时金刚石颗粒对被切材料表面的磨削速率减小，因而要适当减慢切割速度；当切割混合型材料时，由于被切割面的材质不均匀，金刚石颗粒对不同材料的磨削速率不同，若切割速度设置过快容易损坏金刚石线，因而应尽量放慢切割速度。 切割速度的大小不仅与材料的性质有关，与切割面的大小也有关系，同种材料切割时，被切面较大的切割速度设置就要相对较小一些。无论切割何种材料切割速度太快都不利于切割出光滑平整的试样面，速度太快切割后的样品表面会有明显的切割线痕迹，因此当要求切断试样同时还要有很好的面型（平面度、平行度、表面粗糙度）时一般选用较慢的切割速度。若设置的切割速度与实际切割速度不匹配容易发生夹线，进而使金刚石线断开，切割速度的设定没有具体规定，一般根据经验选择。切割过程中当发现所选用的速度过大时可进行适当的调整，速度的大小可根据金刚石线出现弧度的速度进行调整，若切割过程中金刚石线几乎一直处于平直状态，说明所选用的切割速度还可以适当增加，直到调整到金刚石线的弧度状态一直保持不变的，说明所选用的切割速度适于材料的切割；当切割过程中金刚石线很快出现弧度，说明所选用的切割速度过快，因此要进行适当减小，切割过程中继续观察，直到调整到适于切割的速度为止，这样可尽可能降低设备和金刚石线的损耗程度，提高切割速率。 切割行程的设置： 切割行程=样品的高度+5㎜。为保证将样品切断，通常会在样品的实际高度之上增加5㎜。当要求对样品进行开槽时，实际切割行程应与开槽深度相同，为保证停止切割时所开槽口深度达到要求，当切割行程达到设定行程时应暂停切割，但主轴带动绕丝筒和金刚石切割线继续运行一段时间，从而使样品未达到切割深度的位置继续被切割，直到样品被切割部位每一点都达到所要求的切割深度。 切割次数的选择：切割次数一般为所要求的试样片的个数加一。 参考文献： [1]高玉飞，葛培琪，李绍杰.往复式电镀金刚石线锯切割单晶硅片特性研究【J】.人工晶体学报，38（2）：373 [2]邢晨. 线切割技术分析与应用[J]. 中国新技术新产品, 2017(13):45-46. [3]周世威，郑超，刘莹，等.金刚石线锯切割设备现状分析【J】.超硬材料工程，2012,24（3）:50 [4]向波，贺跃辉，谢志刚，黄艳华.电镀金刚石线锯的研究现状【J】.材料导报，2007,21（8）：26-28