賈 禎 李淑娟 麻高領(lǐng) 邵 偉 喬 暢 張 晨

西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安，710048

0 引言

電火花線切割(wire electrical discharge machining, WEDM)作為一種非接觸式加工技術(shù)，非常適合硬脆導(dǎo)電材料的加工。根據(jù)LEE等[1]的研究，傳統(tǒng)放電加工中工件的電阻率必須小于10～100 Ω·cm。然而近年來，WEDM技術(shù)已經(jīng)逐漸擺脫了對(duì)工件導(dǎo)電性的要求。對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，可以通過摻雜[2-3]或在其表面涂覆導(dǎo)電材料[4]來進(jìn)行放電加工，對(duì)于絕緣材料，可以使用輔助電極的方法對(duì)其進(jìn)行加工[5-6]，從而WEDM的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。不僅如此，研究人員還在不斷嘗試通過各種方法提高WEDM的工藝性能，包括超聲振動(dòng)輔助電火花線切割[7-8]、磁場(chǎng)輔助電火花線切割[9-10]以及磨削輔助電火花線切割(A-WEDM)[11]。關(guān)于超聲振動(dòng)輔助電火花線切割和磁場(chǎng)輔助電火花線切割的研究報(bào)道較多，但對(duì)A-WEDM的研究還很缺乏，特別是其加工機(jī)理還存在爭(zhēng)議。

早在20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)研究人員首次嘗試將電火花加工和金剛石磨削相結(jié)合來加工硬脆導(dǎo)電材料，并將這種復(fù)合加工方法稱為“電火花金剛石磨削”[12]。在電火花金剛石磨削加工過程中，電極材料通常是固結(jié)有大量金剛石顆粒的砂輪，并且在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，材料在放電和研磨的綜合作用下被去除。直到2008年，MENZIES等[11]首次將WEDM與金剛石線鋸相結(jié)合，并將這種方法稱為“磨削輔助電火花線切割”，他們簡(jiǎn)述了A-WEDM切割機(jī)理，并且發(fā)現(xiàn)該方法可以提高材料去除率(material remove rate, MRR)，有效去除放電產(chǎn)生的電蝕坑并減小重鑄層厚度。WU等[13]驗(yàn)證了A-WEDM加工單晶硅的可能性，并將這種方法與金剛石線鋸以及WEDM的工藝性能進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與金剛石線鋸相比，復(fù)合切割方法可以減少單晶硅表面的劃痕并提高6%的切割效率，與WEDM相比，可以將工件表面粗糙度降低73%并提高160%的切割效率。WANG等[14]發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合切割方法也可以用來切割絕緣材料，但電介質(zhì)需要更換為氯化鈉水溶液并且需要一個(gè)輔助電極，他們稱這種方法為“電化學(xué)放電輔助金剛石線鋸切割”，因?yàn)檫@種放電是由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣膜被高壓擊穿后造成的。

盡管研究人員發(fā)現(xiàn)A-WEDM可以加工不同導(dǎo)電性能的材料，且其加工性能優(yōu)于WEDM和線鋸切割，但研究過程中均沒有對(duì)A-WEDM的機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的探索和研究，導(dǎo)致后續(xù)切割過程的精確質(zhì)量控制無法實(shí)現(xiàn)。本文通過設(shè)計(jì)電路對(duì)A-WEDM切割單晶硅的最大放電間隙進(jìn)行了測(cè)量。通過采集和分析加工中的放電波形，觀測(cè)加工后工件表面形貌，同時(shí)比較磨粒出刃高度與放電間隙的大小，研究了A-WEDM材料去除機(jī)理。此外，研究了脈沖寬度、占空比、進(jìn)給速度以及線鋸速度對(duì)工藝性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)在改造的DK77-25往復(fù)式電火花線切割機(jī)上進(jìn)行，圖1為A-WEDM機(jī)床示意圖。機(jī)床主要包括控制柜、線鋸系統(tǒng)、電介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、工作臺(tái)等。工作臺(tái)可沿x、y方向進(jìn)給，脈沖當(dāng)量為1 μm。工件旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給，vx為工件進(jìn)給速度，線鋸由滾筒電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，vs為線鋸運(yùn)動(dòng)速度。控制柜內(nèi)配有高頻脈沖電源，電壓可調(diào)節(jié)為90 V、110 V，脈沖寬度4～74 μs，占空比1/15～1/3，線鋸速度范圍0～11 m/s，工件旋轉(zhuǎn)速度0～60 r/min。

圖1 A-WEDM機(jī)床示意圖Fig.1 Schematic diagram of A-WEDM machine tool

工件材料是直徑1英寸的P型單晶硅，晶向?yàn)閇100]，電阻率為0.01 Ω·m。金剛石線的線芯為不銹鋼材質(zhì)，在其表面電鍍有大量金剛石顆粒，所使用的金剛石線鋸的線芯直徑為180 μm，線鋸平均直徑為250 μm，金剛石粒徑為40～50 μm，破斷力為95.25 N，抗拉強(qiáng)度為1794.9 N/mm2。實(shí)驗(yàn)中，工件與金剛石線分別與脈沖電源的正、負(fù)極相連，電介質(zhì)(去離子水)被噴灑在兩極之間，工件轉(zhuǎn)速恒定為5 r/min。

為了研究A-WEDM的加工機(jī)理，需要實(shí)時(shí)采集加工過程中的放電電壓和放電電流，不同的電壓、電流波形可以反映不同的加工狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)中采用Rigol Technologies公司生產(chǎn)的DS1104四通道示波器對(duì)放電電壓、電流進(jìn)行采集，采樣頻率為500 MHz。使用萊卡DCM 3D白光干涉儀測(cè)量工件表面粗糙度Sa，測(cè)量精度為0.01 μm。使用基恩士超景深三維顯微系統(tǒng)(VHX-6000)對(duì)單晶硅表面形貌進(jìn)行觀測(cè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在切割過程中，考慮4個(gè)影響因素(即脈沖寬度、占空比、線鋸速度和進(jìn)給速度)對(duì)工藝性能的影響。通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并不是所有的加工參數(shù)組合都適合A-WEDM。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案之前，需要找到各個(gè)影響因素的最佳選擇范圍。

首先，當(dāng)脈沖寬度小于24 μs時(shí)，加工過程中發(fā)生短路現(xiàn)象，機(jī)床自動(dòng)回退，無法正常加工。當(dāng)占空比大于1/5或進(jìn)給速度小于3 μm/s時(shí)，雖然加工可以順利進(jìn)行，但加工后的單晶硅表面可以看到大量電蝕坑和重鑄層，這說明線鋸上的金剛石顆粒無法有效發(fā)揮作用。當(dāng)線鋸速度小于4 m/s時(shí)，兩極之間無法有效產(chǎn)生放電作用。此外，當(dāng)脈沖寬度為44 μs時(shí)，機(jī)床進(jìn)給速度達(dá)不到最大值10 μm/s，當(dāng)線鋸速度大于6 m/s時(shí)，線鋸絲振動(dòng)加劇，不利于加工的進(jìn)行。因此脈沖寬度和線鋸速度只有3個(gè)水平值。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因?qū)⒃诘?.2節(jié)詳細(xì)討論。通過這些初步實(shí)驗(yàn)最終確定了各影響因素的選擇范圍，如表1所示。

表1 因素及水平

2 A-WEDM的微觀切割機(jī)理

為便于研究，假設(shè)金剛石線鋸上的金剛石顆粒大小、形狀相同。在每個(gè)脈沖寬度內(nèi)，A-WEDM的微觀放電過程與WEDM相似，當(dāng)脈沖電壓施加在線鋸絲與單晶硅之間時(shí)，極間電場(chǎng)由于電極表面的微觀不平整而變得極不均勻，介電液中的雜質(zhì)和弱電解質(zhì)的極性分子在極間電場(chǎng)作用下向電場(chǎng)較強(qiáng)的方向聚集、結(jié)合，從而導(dǎo)致電場(chǎng)發(fā)生畸變。隨著兩極間距進(jìn)一步縮小或外加電場(chǎng)進(jìn)一步升高，極間某處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)超過介電液的介電強(qiáng)度，從而使介電液發(fā)生雪崩式電離，最終形成等離子體放電通道[15-16]。

2.1 最大放電間隙的測(cè)量

最大放電間隙是指能夠產(chǎn)生放電現(xiàn)象時(shí)線鋸線芯到工件表面的最遠(yuǎn)距離。在A-WEDM加工中，若最大放電間隙大于金剛石顆粒的出刃高度，則在加工初始階段，先產(chǎn)生放電腐蝕作用，反之，則先產(chǎn)生金剛石磨削作用。

圖2 A-WEDM最大放電間隙測(cè)量電路Fig.2 The maximum discharge gap measurementcircuit of A-WEDM

采用圖2所示的電路對(duì)最大放電間隙進(jìn)行測(cè)量，其中V1和R1分別為機(jī)床電源和電源內(nèi)阻，V2和R2分別為外接直流電源(5V)和限流電阻，D是發(fā)光二極管，S1和S2是開關(guān)。首先將S1斷開，S2閉合，將線鋸絲與單晶硅直接接觸，發(fā)現(xiàn)二極管被點(diǎn)亮，這說明線鋸絲能夠傳輸電流。由于線鋸絲上的金剛石顆粒是通過電鍍的方法固結(jié)于線芯表面的，而在電鍍過程中首先會(huì)在線芯表面進(jìn)行預(yù)鍍鎳，從而增大金剛石顆粒與線芯之間的結(jié)合力，因此在工件與線鋸絲之間傳導(dǎo)電流的正是這些鎳層。

當(dāng)二極管被點(diǎn)亮后，反向移動(dòng)工作臺(tái)，使單晶硅朝著遠(yuǎn)離線鋸絲的方向運(yùn)動(dòng)，直到二極管忽明忽暗，說明線鋸絲與單晶硅剛剛接觸上。此時(shí)斷開S2，閉合S1,調(diào)節(jié)控制柜參數(shù)使工作臺(tái)繼續(xù)反向進(jìn)給(進(jìn)給速度為1 μm/s)，直到示波器顯示放電停止，記錄反向進(jìn)給距離，重復(fù)3次取平均值，最終得到最大放電間隙為57 μm(大于金剛石顆粒的出刃高度)，這說明A-WEDM加工中，隨著工作臺(tái)的進(jìn)給，首先產(chǎn)生的是放電腐蝕作用。

2.2 A-WEDM的不同加工狀態(tài)及單個(gè)脈沖周期內(nèi)材料去除過程分析

圖3為A-WEDM加工初始階段示意圖及相對(duì)應(yīng)的放電電壓、放電電流波形，圖中，d0和d1分別代表線芯直徑和線鋸絲直徑，d代表工件表面到線芯的距離，即兩極間的距離，d′代表最大放電間隙。

在加工剛開始時(shí)(圖3a)，工件表面到線芯的距離d還沒有達(dá)到最大放電間隙d′，絕緣電介質(zhì)沒有被擊穿，稱為開路狀態(tài)，此時(shí)只能觀察到開路電壓為110 V左右，而電流仍然為0(圖3b)。

隨著工作臺(tái)的進(jìn)給，工件與線芯之間的距離達(dá)到最大放電間隙(圖3c)，絕緣介質(zhì)被擊穿形成等離子體放電通道，此時(shí)放電腐蝕作用已經(jīng)開始。圖3d是該過渡階段的放電電壓和放電電流波形。從圖中可以看出，此時(shí)的波形為典型的火花放電波形。當(dāng)一個(gè)脈沖開始時(shí)，電壓迅速上升，但還沒有電流產(chǎn)生。經(jīng)過大約幾微秒的擊穿延遲后，電介質(zhì)被擊穿，放電電壓開始下降，并產(chǎn)生放電電流。當(dāng)?shù)入x子體通道趨于穩(wěn)定時(shí)，放電電壓和放電電流維持在某個(gè)特定值(具體值取決于所選擇的加工參數(shù))附近波動(dòng)。當(dāng)一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，放電電壓和放電電流迅速下降到0。

開路狀態(tài)和過渡狀態(tài)是任何情況下A-WEDM必然經(jīng)歷的加工狀態(tài)，但是在經(jīng)過了短暫的過渡狀態(tài)之后，可能出現(xiàn)不同的加工工況，這取決于所選擇的加工參數(shù)組合。不同的加工參數(shù)組合決定著加工過程中線芯與工件表面之間的距離，最終決定不同的工藝結(jié)果。

電源產(chǎn)生的周期性脈沖信號(hào)可以分為無數(shù)個(gè)脈沖寬度和脈沖間隔的總和，如圖4所示。當(dāng)一個(gè)脈沖開始時(shí)，放電腐蝕與金剛石顆粒共同去除工件材料，圖4中A處的虛線部分是脈沖寬度內(nèi)去除的工件材料。當(dāng)一個(gè)脈沖寬度結(jié)束時(shí)，在電介質(zhì)的沖洗作用下，放電腐蝕以及金剛石磨削的電蝕產(chǎn)物和加工屑被帶離放電間隙，與此同時(shí)，工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和線鋸絲的縱向運(yùn)動(dòng)使金剛石顆粒繼續(xù)產(chǎn)生磨削作用，此時(shí)的金剛石顆粒不但能夠去除放電腐蝕產(chǎn)生的電蝕坑與重鑄層，還可以繼續(xù)磨削未放電部分的工件表面，如圖4中C處所示。同理，由于電介質(zhì)的沖洗作用，被金剛石顆粒磨削掉的碎屑顆粒被順利帶離放電間隙。

(a)開路狀態(tài) (b)開路狀態(tài)放電電壓、電流波形

(c)過渡狀態(tài) (d)過渡狀態(tài)放電電壓、電流波形圖3 A-WEDM加工初始階段不同加工狀態(tài)及相應(yīng)的電壓、電流波形(脈沖寬度為54 μs、占空比為1/10)Fig.3 Different processing states and corresponding voltage and current waveforms in the initial stage of A-WEDMprocessing(pulse width 54 μs， duty cycle 1/10)

圖4 連續(xù)脈沖信號(hào)和單個(gè)脈沖周期內(nèi)單顆金剛石顆粒去除材料示意圖Fig.4 Schematic diagram of continuous pulse signal andthe material removal by a single diamond particle in asingle pulse period

從圖4中還可以看出，脈沖寬度內(nèi)的材料去除速度與脈沖間隔內(nèi)材料去除速度之間的差值決定了線芯與工件之間的距離，最終導(dǎo)致了不同的加工狀態(tài)和工藝結(jié)果。當(dāng)占空比大于1/5或進(jìn)給速度小于3 μm/s時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致脈寬內(nèi)的材料去除速度近似等于脈間內(nèi)的材料去除速度，最終使兩極之間的距離保持在最大放電間隙附近，此狀態(tài)下的放電波形與圖3d一致，放電電壓較高，每個(gè)脈沖寬度內(nèi)都有擊穿延時(shí)現(xiàn)象，并且這種加工狀態(tài)可以一直持續(xù)到加工結(jié)束。加工后的工件表面仍然有許多電蝕坑與重鑄層(圖5)，這說明金剛石顆粒沒有在脈沖間隔內(nèi)有效去除電蝕坑與重鑄層。

圖5 單晶硅表面的電蝕坑與重鑄層(脈沖寬度54 μs，占空比1/11，線鋸速度5 m/s，進(jìn)給速度2 μm/s)Fig.5 Discharge craters and recast layer on the surfaceof single-crystal silicon(pulse width 54 μs, duty cycle1/11, wire speed 5 m/s, feed rate 2 μm/s)

第二種情況是脈寬內(nèi)的材料去除速度略小于脈間內(nèi)金剛石的磨削速度，工件與線芯之間的距離略小于最大放電間隙，該狀態(tài)下的放電電壓和放電電流波形如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)一個(gè)脈沖開始時(shí)，由于兩極之間的間隙小于最大放電間隙，放電電壓迅速上升，電介質(zhì)瞬間被擊穿產(chǎn)生等離子放電通道，放電電流也迅速上升，基本沒有擊穿延遲現(xiàn)象。隨著等離子體通道的穩(wěn)定，放電電壓和放電電流也趨于穩(wěn)定，直到脈沖結(jié)束。

圖6 穩(wěn)定階段放電電壓、電流波形Fig.6 Discharge voltage and current waveforms atstable conditions

這種加工狀態(tài)下加工后的工件表面幾乎已經(jīng)沒有了重鑄層并且電蝕坑尺寸和數(shù)量也有所減少，表面粗糙度大幅度下降，但是會(huì)在工件表面產(chǎn)生一些劃痕(圖7)。

圖7 單晶硅表面的劃痕以及未去除完全的電蝕坑(脈沖寬度74 μs，占空比1/7，線鋸速度5 m/s，進(jìn)給速度6 μm/s)Fig.7 Scratches and craters on the surface ofsingle-crystal silicon(pulse width 74 μs, duty cycle1/7, wire speed 5 m/s, feed rate 6 μm/s)

第三種情況是脈沖寬度小于24 μs時(shí)，此時(shí)脈沖寬度內(nèi)的材料去除速度遠(yuǎn)小于脈沖間隔內(nèi)的材料去除速度，兩極間的距離會(huì)不斷縮小甚至直接接觸并發(fā)生短路現(xiàn)象，短路時(shí)的放電電壓和放電電流如圖8所示，可以看出，此時(shí)的放電電壓和放電電流波形非常雜亂。

圖8 短路時(shí)放電電壓、電流波形Fig.8 Discharge voltage and current waveforms atshort-circuit conditions

最后一種情況是當(dāng)線鋸速度小于4 m/s時(shí)，此時(shí)脈沖寬度內(nèi)的材料去除速度略大于脈沖間隔內(nèi)的材料去除速度，放電腐蝕速度較快，兩極間的距離會(huì)略大于最大放電間隙，盡管電源給兩極之間供電，但放電斷斷續(xù)續(xù)，無法穩(wěn)定加工。

2.3 材料去除過程的建模

為了研究在A-WEDM切割單晶硅時(shí)放電腐蝕與金剛石磨削哪種材料去除方法起主導(dǎo)作用，對(duì)單個(gè)脈沖周期內(nèi)的材料去除過程進(jìn)行建模。

由于A-WEDM加工中的材料去除過程非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型作出以下假設(shè)：

(1)每個(gè)脈沖信號(hào)只產(chǎn)生一個(gè)等離子體放電通道；

(2)等離子體放電通道的半徑與放電凹坑的半徑相等，且每個(gè)放電凹坑大小相等；

(3)將放電凹坑視為半球形；

(4)單顆金剛石的切槽寬度與平均粒徑相同；

(5)不考慮金剛石顆粒的磨損。

圖9為單顆金剛石在單個(gè)脈沖周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖，圖中，Ls為單顆金剛石在單個(gè)脈沖周期內(nèi)沿線鋸運(yùn)動(dòng)方向的位移(μm)，Lx為單顆金剛石在單個(gè)脈沖周期內(nèi)沿進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)的位移(μm)，則有

Ls=vsT

(1)

Lx=vxT

(2)

式中，T為脈沖周期，μs。

圖9 單顆金剛石在單個(gè)脈沖周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the movement of a singlediamond in a single pulse period

則單顆金剛石在單個(gè)脈沖周期內(nèi)去除的材料體積(μm3)為

(3)

式中，w為單顆金剛石的切槽寬度，μm。

由于進(jìn)給速度遠(yuǎn)小于線鋸的縱向運(yùn)動(dòng)速度，且單個(gè)脈沖周期非常短，因此單個(gè)脈沖內(nèi)主要參與磨削的磨粒數(shù)N為

(4)

其中，C為線芯的底面周長(zhǎng),μm;m為單顆金剛石粒徑,μm。則在一個(gè)脈沖周期內(nèi)通過金剛石磨削的總體積(μm3)為

V′=NV1

(5)

根據(jù)假設(shè)條件2可以得到單個(gè)放電凹坑的半徑R(μm)[17]為

(6)

其中，Ton為脈沖寬度(μs)。從而單個(gè)放電凹坑體積V2(μm3)為

(7)

最終可以得到放電腐蝕在整個(gè)加工過程中所占比例：

(8)

結(jié)合本文所選擇的加工參數(shù)，考慮兩種極端情況，第一種情況是將放電腐蝕作用最小化、金剛石磨削作用最大化。此時(shí)的脈沖寬度為54 μs，占空比為1/15，進(jìn)給速度為10 μm/s，線鋸速度為6 m/s，通過計(jì)算可得放電腐蝕作用所占比例為60.39%。第二種情況是將放電腐蝕作用最大化、金剛石磨削作用最小化。此時(shí)的脈沖寬度為74 μs，占空比為1/7，進(jìn)給速度為6 μm/s，線鋸速度為4 m/s，此時(shí)的放電腐蝕作用所占比例為93.54%。綜上所述，在整個(gè)加工過程中，放電腐蝕作用所占比例在60.39%～93.54%之間。

3 加工參數(shù)對(duì)工藝性能的影響

本次實(shí)驗(yàn)主要研究脈沖寬度、占空比、進(jìn)給速度和線鋸速度對(duì)材料去除率RMRR和表面粗糙度(arithmetic mean height of surface，Sa)的影響。其中，脈沖寬度和占空比是電參數(shù)，進(jìn)給速度和線鋸速度為非電參數(shù)，下面分別進(jìn)行討論分析。為了盡可能減小金剛石顆粒的磨損對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，每組實(shí)驗(yàn)完成后更換線鋸絲。本文中RMRR的計(jì)算公式如下[13]：

(9)

式中，r為單晶硅的半徑，mm；t為切片時(shí)間，min。

為了使Sa的測(cè)量更加準(zhǔn)確，在每片單晶硅表面隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并求取平均值。Sa的計(jì)算公式如下[18]：

(10)

其中，lx和ly分別為取樣區(qū)域沿x軸和y軸的長(zhǎng)度，如圖10所示，E(x,y)為取樣區(qū)域輪廓上的點(diǎn)到基準(zhǔn)平面的距離。

圖10 單晶硅表面形貌(脈沖寬度54 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.10 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 54 μs, duty cycle 1/11, feed rate 8 μm/swire speed 6 m/s)

3.1 電參數(shù)對(duì)RMRR和Sa的影響

圖11所示為脈沖寬度與占空比對(duì)RMRR的影響情況，可以看出，當(dāng)脈沖寬度相同時(shí)，隨著占空比的增大，單位時(shí)間內(nèi)的放電時(shí)間增多，RMRR隨之增大。

圖11 脈沖寬度與占空比對(duì)RMRR的影響(進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.11 The influence of pulse width and duty cycleon MRR(feed rate 8 μm/s, wire speed 6 m/s)

當(dāng)占空比小于1/9且相等時(shí)，隨著脈沖寬度的增大，RMRR增大，這是因?yàn)殡S著脈沖寬度的增大，單個(gè)脈沖的放電能量增大。單個(gè)脈沖放電能量的計(jì)算公式[19]為

(11)

式中，Q為單個(gè)脈沖放電能量；U、i分別為放電電壓、電流。

但是當(dāng)占空比大于1/9時(shí)，隨著脈沖寬度的增大，RMRR先增大后減小，這是因?yàn)樵趩蝹€(gè)脈沖寬度內(nèi)，隨著等離子體放電通道的不斷擴(kuò)張，放電微區(qū)的熱流密度下降，單個(gè)電蝕坑的尺寸先增大后略微減小，此外，脈沖寬度的增大還導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)減少，因此RMRR先增大后減小。

圖12所示為脈沖寬度與占空比對(duì)Sa的影響情況，可以看出，當(dāng)脈沖寬度相同時(shí)，隨著占空比的增大，單晶硅表面粗糙度整體下降。此外，當(dāng)占空比一定時(shí)，隨著脈沖寬度的增大，單晶硅表面粗糙度有所下降。

圖12 脈沖寬度與占空比對(duì)Sa的影響(進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.12 The influence of pulse width and duty cycle on Sa(feed rate 8 μm/s, wire speed 6 m/s)

圖13和圖14所示為不同占空比下的單晶硅表面形貌。通過對(duì)比圖13和14可以發(fā)現(xiàn)，圖13中的單晶硅表面劃痕較多，而圖14中的單晶硅表面劃痕較少，這是因?yàn)楫?dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，隨著占空比的增大，脈沖間隔相對(duì)減小，從而使得脈沖間隔內(nèi)金剛石顆粒的磨削時(shí)間縮短，工件表面質(zhì)量較好。

圖13 單晶硅表面形貌(脈沖寬度64 μs，占空比1/15，進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.13 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 64 μs, duty cycle 1/15, feed rate 8 μm/s,wire speed 6 m/s)

圖14 單晶硅表面形貌(脈沖寬度64 μs，占空比1/7，進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.14 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 64 μs, duty cycle 1/7, feed rate 8 μm/s,wire speed 6 m/s)

圖15和圖16所示為不同脈沖寬度下的單晶硅表面形貌，可以看出，當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，脈沖寬度由54 μs增加到74 μs，盡管單個(gè)脈沖放電能量有所增加，但是單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)減少，單晶硅表面的電蝕坑減少，表面質(zhì)量有所提高。

圖15 單晶硅表面形貌(脈沖寬度54 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s,)Fig.15 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 54 μs, duty cycle 1/11, feed rate 8 μm/s,wire speed 6 m/s)

圖16 單晶硅表面形貌(脈沖寬度74 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度8 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.16 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 74 μs, duty cycle 1/11, feed rate 8 μm/s,wire speed 6 m/s)

3.2 非電參數(shù)對(duì)RMRR和Sa的影響

圖17 進(jìn)給速度與線鋸速度對(duì)材料去除率的影響(脈沖寬度為64 μs，占空比為1/11)Fig.17 The influence of feed speed and wire speedon MRR(pulse width 64 μs, duty cycle 1/11)

圖17所示為進(jìn)給速度與線鋸速度對(duì)單晶硅材料去除率RMRR的影響，可以看出，當(dāng)線鋸速度相同時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，材料去除率RMRR不斷增大，這是因?yàn)檩^大的進(jìn)給速度使得金剛石顆粒的磨削作用增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)去除更多的材料,從而材料去除率RMRR增大。當(dāng)進(jìn)給速度一定時(shí)，材料去除率隨著線鋸速度的增大而增大，這是因?yàn)殡S著線鋸速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)增加，材料去除率隨之增大。

圖18所示為進(jìn)給速度與線鋸速度對(duì)Sa的影響，可以看出，當(dāng)線鋸速度為4 m/s時(shí)，線鋸速度較低，單位時(shí)間內(nèi)參與切削的磨粒數(shù)較少，金剛石顆粒無法將大部分電蝕坑與重鑄層磨削掉，盡管進(jìn)給速度從6 μm/s增加到10 μm/s，但Sa變化不大。當(dāng)線鋸速度分別為5 m/s和6 m/s時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)較多，隨著進(jìn)給速度的增大，金剛石顆?？梢阅ハ鞯舸蟛糠蛛娢g坑與重鑄層，如圖19和圖20所示，因此Sa逐漸減小。但是當(dāng)進(jìn)給速度大于9時(shí)，由于進(jìn)給速度過大，磨粒切削深度增大，在工件表面產(chǎn)生了較深的劃痕，Sa反而增大。

圖18 進(jìn)給速度與線鋸速度對(duì)Sa的影響(脈沖寬度為64 μs，占空比為1/11)Fig.18 The influence of feed speed and wire speed on Sa(pulse width 64 μs, duty cycle 1/11)

圖19 單晶硅表面形貌(脈沖寬度64 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度6 μm/s，線鋸速度5 m/s)Fig.19 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 64 μs, duty cycle 1/11, feed rate 6 μm/s,wire speed 5 m/s)

圖20 單晶硅表面形貌(脈沖寬度64 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度9 μm/s，線鋸速度5 m/s)Fig.20 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 64 μs, duty cycle 1/11, feed rate 9 μm/s,wire speed 5 m/s)

當(dāng)其他參數(shù)相同且線鋸速度由5 m/s增加到6 m/s時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)參與磨削的磨粒數(shù)增加，去除了更多的電蝕坑，使得Sa減小，如圖21和圖22所示。

圖21 單晶硅表面形貌(脈沖寬度64 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度7 μm/s，線鋸速度5 m/s)Fig.21 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 64 μs, duty cycle 1/11, feed rate 7 μm/s,wire speed 5 m/s)

圖22 單晶硅表面形貌(脈沖寬度64 μs，占空比1/11，進(jìn)給速度7 μm/s，線鋸速度6 m/s)Fig.22 Surface morphology of single-crystal silicon(pulse width 64 μs, duty cycle 1/11, feed rate 7 μm/s,wire speed 6 m/s)

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前關(guān)于A-WEDM微觀切割機(jī)理尚不明確的問題，以單晶硅為實(shí)驗(yàn)加工對(duì)象，通過設(shè)計(jì)電路對(duì)線鋸絲的導(dǎo)電性進(jìn)行了驗(yàn)證并測(cè)量了最大放電間隙。通過比較磨粒出刃高度與放電間隙的大小研究了A-WEDM材料去除機(jī)理?？疾炝烁鲄?shù)對(duì)材料去除率和表面粗糙度Sa的影響。結(jié)論如下：

(1)設(shè)計(jì)了最大放電間隙檢測(cè)電路。由于在電鍍金剛石過程中會(huì)有鎳層包裹在金剛石顆粒表面，因此金剛石線鋸具有一定導(dǎo)電性，實(shí)驗(yàn)測(cè)得A-WEDM切割單晶硅的最大放電間隙為57 μm，大于金剛石出刃高度，因此在A-WEDM加工初始階段先產(chǎn)生放電腐蝕作用。

(2)通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及加工后工件表面形貌找到了各參數(shù)選擇范圍。不同的加工參數(shù)組合會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度內(nèi)的材料去除速度與脈沖間隔內(nèi)的材料去除速度產(chǎn)生差值，最終產(chǎn)生不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與工藝結(jié)果。當(dāng)占空比大于1/5或進(jìn)給速度小于3 μm/s時(shí)，放電電壓較高，單晶硅表面產(chǎn)生大量電蝕坑與重鑄層。當(dāng)脈沖寬度小于24 μs時(shí)產(chǎn)生短路現(xiàn)象，當(dāng)線鋸速度小于4 m/s時(shí)無法穩(wěn)定產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

(3)在整個(gè)A-WEDM切割單晶硅過程中，放電腐蝕作用所占的比例為60.39%～93.54%。

(4)脈沖寬度、占空比、線鋸速度和進(jìn)給速度的增大可以提高A-WEDM切割單晶硅的材料去除率。單晶硅的表面粗糙度隨著脈沖寬度和占空比的增大而減小，隨著線鋸速度的增大先增大后減小。當(dāng)線鋸速度為4 m/s時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，單晶硅表面粗糙度變化不大。當(dāng)線鋸速度為5 m/s和6 m/s時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，工件表面粗糙度先減小后增大。