金刚石线电火花复合形状切割工艺及弯丝控制研究

摘要

硬脆材料，尤其是半导体材料，在光伏、电子、高能光学等领域的应用日益增多。与此同时，新应用也对硬脆材料加工提出了高精度形状切割的新要求。因为形状切割的加工表面不是平面，传统的外圆切割、内圆切割、游离磨料多线切割等硬脆材料加工方法无法满足形状切割的要求。新兴的加工方法用于硬脆材料形状切割有着各自的缺点：固结磨料线切割形状精度差，加工效率极低；电火花线切割精度较高，但表面损伤严重，而且因为半导体导电性差，导致能量利用率很低，加工效率不高。 针对以上问题，本文结合固结磨料线切割和电火花线切割两种加工方法，提出一种金刚石线电火花复合线切割方法用于硬脆材料形状切割。自主改造机床实现复合加工，分析材料去除机理，进行工艺对比试验验证形状切割效果；建模探索复合加工弯丝机理，设计压力检测弯丝控制系统并验证效果。主要工作内容如下： （1）利用SolidWorks和Autocad软件对电火花线切割机床运丝机构进行改造，并设计专用导轮对金刚石线上电，满足了两种加工方式同时进行的要求。编制零部件加工工艺并进行加工，改造完成复合加工机床； （2）分析了复合加工材料去除机理，对金刚石线与工件之间三种加工状态进行分别讨论，采集放电波形，统计了三种放电状态比例等分析复合加工特点； （3）研究了金刚石线电火花复合形状切割过程中弯丝现象的产生与影响，提出一种基于加工过程中金刚石线与工件间压力大小检测的弯丝控制方法——压力检测法，设计了检测控制系统运行方案，包括压力信息采集、传输、处理、反馈控制等，使得加工过程中能实时检测控制金刚石线弯丝量； （4）利用复合加工机床对多晶硅材料进行切割质量和形状切割精度验证试验，切割厚度20mm，直径Φ10mm的多晶硅圆柱度可以达到0.011mm，大幅提高了硬脆材料形状切割精度； （5）利用压力检测弯丝控制系统对多晶硅材料进行切割效果验证试验，结果表明系统可以很好的检测加工中弯丝量并对进给速度实时调整，能在满足形状精度要求的同时接近最大进给速度。

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