CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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电镀金刚石线锯用螺旋镀液流和旋转磁场装置的设计与分析

黄炜 贺艳明 徐金宝 宋振亚 黄翔 孙昱蒙 余锡孟

黄炜, 贺艳明, 徐金宝, 宋振亚, 黄翔, 孙昱蒙, 余锡孟. 电镀金刚石线锯用螺旋镀液流和旋转磁场装置的设计与分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2025, 45(2): 224-235. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266
引用本文: 黄炜, 贺艳明, 徐金宝, 宋振亚, 黄翔, 孙昱蒙, 余锡孟. 电镀金刚石线锯用螺旋镀液流和旋转磁场装置的设计与分析[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2025, 45(2): 224-235. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266
HUANG Wei, HE Yanming, XU Jinbao, SONG Zhenya, HUANG Xiang, SUN Yumeng, YU Ximeng. Design and analysis of spiral plating solution flow and rotating magnetic field device for electroplated diamond wire saw[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(2): 224-235. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266
Citation: HUANG Wei, HE Yanming, XU Jinbao, SONG Zhenya, HUANG Xiang, SUN Yumeng, YU Ximeng. Design and analysis of spiral plating solution flow and rotating magnetic field device for electroplated diamond wire saw[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(2): 224-235. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266

电镀金刚石线锯用螺旋镀液流和旋转磁场装置的设计与分析

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0266
基金项目: 浙江省市场监督管理局雏鹰计划培育项目(CY2023321);浙江省市场监督管理局科技计划(全额自筹)项目(ZC2023083)。
详细信息
    作者简介:

    黄炜,男,1971年生,高级工程师。主要研究方向:自动化控制及科技信息研究。E-mail:13575500509@163.com

    通讯作者:

    孙昱蒙,女,1986年生,工程师。主要研究方向:机械测试及标准化。E-mail:sunyumeng@qq.com

    余锡孟,男,1981年生,博士、高级工程师。主要研究方向:金属材料加工设计测试。E-mail:xmyu@zju.edu.cn

  • 中图分类号: TQ164; TG58; TQ7

Design and analysis of spiral plating solution flow and rotating magnetic field device for electroplated diamond wire saw

  • 摘要: 电镀金刚石线锯表面易存在金刚石磨粒团聚和分布密度波动大等缺陷,在探讨其成因及后果的基础上,设计螺旋镀液流和旋转磁场组合装置,制备电镀金刚石线锯。结果表明:螺旋镀液流和旋转磁场组合装置可显著减少金刚石磨粒的团聚现象,同时控制金刚石磨粒的分布密度波动范围在11颗/mm以内,使金刚石磨粒沿基线分布得更均匀。结合组合装置的基本参数,其制取电镀金刚石线锯的最佳工艺参数是螺旋叶片数为5片,螺旋角为60°,混合液流量为4.8 L/min,固持架数量为16件,永磁体交错布置角度为60°,磁场旋转速度为60 r/min,永磁体及其磁场特性代号为N38M,且在最佳参数下生产的电镀金刚石线锯适合用于硅晶片等高硬脆材料的切割。

     

  • 图  1  水平行进电镀法

    Figure  1.  Horizontal forward pulling electroplating method

    图  2  垂直上抽行进电镀法

    Figure  2.  Vertical upward pulling electroplating method

    图  3  螺旋镀液流电镀装置结构图

    Figure  3.  Structural diagram of electroplating device with spiral plation solution flow

    图  4  旋转磁场装置

    Figure  4.  Rotating magnetic field device

    图  5  磁场强度分布

    Figure  5.  Distribution of magnetic field intensity

    图  6  加装电镀组合装置的线锯生产线

    Figure  6.  Saw wire production line equipped with electroplating combination device

    图  7  中度团聚形貌

    Figure  7.  Moderate aggregation morphology

    图  8  重度团聚形貌

    Figure  8.  Severe aggregation morphology

    图  9  轻度团聚形貌

    Figure  9.  Mild aggregation morphology

    图  10  原始镀镍金刚石磨粒形貌

    Figure  10.  Original nickel-plated diamond particles morphology

    图  11  新装置下制作的线锯表面形貌

    Figure  11.  Surface appearance of wire saw made under new device

    图  12  国内某公司的线锯表面形貌

    Figure  12.  Surface morphology of wire saw from domestic company trade

    图  13  新线锯开刃断裂的端口形貌

    Figure  13.  Port morphology of cutting edge fracture of wire saw made under new device

    图  14  国内某公司线锯开刃断裂的端口形貌

    Figure  14.  Port morphology of cutting edge fracture of wire saw from domestic company trade

    图  15  硅片表面形貌

    Figure  15.  Surface morphology of silicon wafer

    表  1  螺旋镀液流电镀装置的电镀混合液组成[14]

    Table  1.   Composition of electroplating mixture in spiral electroplating flow electroplating device[14]

    参数取值
    硫酸镍浓度 ρ1 / (g·L−1)250
    硼酸浓度 ρ2 / (g·L−1)35
    氯化镍浓度 ρ3 / (g·L−1)30
    复配光亮剂浓度 ρ4 / (g·L−1)0.5
    十二烷基硫酸钠浓度 ρ5 / (g·L−1)0.1
    温度 θ / ℃45
    pH值4.3
    M30 / 40金刚石微粉浓度 ρ6 / (g·L−1)1.55
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    表  2  组合装置的基本参数

    Table  2.   Basic parameters of combined device

    旋转磁场装置 螺旋镀液流电镀装置
    永磁体材料 磁体尺寸 玻璃管内壁
    直径 × 长
    基线行进速度
    v1 / (m·min−1)
    螺旋叶片底径
    d1 / mm
    金刚石磨粒浓度
    ρ6 / (g·L−1)
    叶片厚度
    h / mm
    钕铁硼合金[22] ϕ20 mm × 30 mm ϕ56 mm × 850 mm ≤ 20 5 1.55 2
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    表  3  线锯技术指标

    Table  3.   Wire saw technical specifications

    参数 指标或取值
    基线直径 D / mm[24] 0.135
    线锯切割速度 v2 / (m·min−1)[24] 1 500~1 700
    金刚石磨粒分布密度 ρ7 / (颗·mm−1)[24] 15~25
    金刚石团聚
    破断实验 镀层与基线无分离
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    表  4  不同螺旋叶片数时的结果

    Table  4.   Results at different spiral blade numbers

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放
    置角 β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围n3 / 颗
    团聚现象
    3604.8166060N38M14~3219中度
    416~3014中度
    515~2511
    615~2511
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    表  5  不同螺旋角时的结果

    Table  5.   Results at different helix angles

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5404.8166060N38M13~3018中度
    5015~2712轻度
    6015~2511
    7015~2612轻度
    8014~2714轻度
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    表  6  不同混合液流量时的结果

    Table  6.   Results at different mixture liquid flows

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5604.5166060N38M14~2613中度
    4.615~2612轻度
    4.815~2511
    5.014~2613轻度
    5.214~2814中度
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    表  7  不同固持架数量时的结果

    Table  7.   Results at different numbers of retaining frames

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置角
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5604.8126060N38M14~2714中度
    1314~2613轻度
    1415~2612轻度
    1515~2512轻度
    1615~2511
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    表  8  不同永磁体交错放置角时的结果

    Table  8.   Results of different staggered angles of permanent magnets

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置角
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5604.8162060N38M15~2713中度
    4013~2513轻度
    6015~2511
    8015~2511
    9015~2510
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    表  9  不同磁场旋转速度时的结果

    Table  9.   Results at different magnetic field rotation speeds

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置角
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5604.8166040N38M15~2511轻度
    4515~2511轻度
    5015~2511轻度
    5515~2511轻度
    6015~2511
    6515~239
    7015~218
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    表  10  不同磁场强度时的结果

    Table  10.   Results of different magnetic field strength

    参数线锯结果
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / (L·min−1)
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置角
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5604.8166060N40M15~239
    N38M15~2511
    N35M15~2511轻度
    N33H15~2612轻度
    N30VH15~2612中度
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    表  11  组合装置的最佳运行参数

    Table  11.   Advised operating parameters of combined device

    参数 线锯产品
    螺旋叶片数
    n1 / 片
    螺旋角
    α / (°)
    混合液流量
    qv / L·min−1
    固持架数量
    n2 / 件
    永磁体交错放置角
    β / (°)
    磁场旋转速度
    n / (r·min−1)
    永磁体代号 金刚石磨粒分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒波动
    范围 n3 / 颗
    团聚现象
    5 60 4.8 16 60 60 N38M 15~25 11
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    表  12  线锯表面形貌及开刃端口断裂形貌数据比较

    Table  12.   Comparison of surface appearance and port morphology of cutting edge fracture of wire saw

    线锯 指标或取值
    金刚石磨粒
    分布密度
    ρ7 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒
    波动范围
    n3 / (颗·mm−1)
    金刚石磨粒
    团聚现象
    破断试验
    新装置制取 15~25 11 镀层与基线
    无分离
    国内某公司 14~36 23 重度
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    表  13  硅片表面粗糙度平均值

    Table  13.   Average surface roughness of silicon wafers

    类型 进给方向的平均粗糙度 Ra / μm
    新线锯切割的硅片 0.583
    文献[4]中的硅片A 0.910
    文献[4]中的硅片B 0.812
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-05
  • 修回日期:  2024-06-02
  • 录用日期:  2024-06-17
  • 刊出日期:  2025-04-20

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