薄型砂輪片的種類及制造原理介紹

薄型砂輪片的種類及制造原理介紹——核工業(yè)第八研究所第六研究室摘要本文簡(jiǎn)單介紹薄型砂輪片的結(jié)構(gòu)原理、種類、磨料、結(jié)合劑、制造工藝、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況以及我室研制并生產(chǎn)薄型金剛石砂輪片的情況。引言薄型砂輪片一般由磨料和粘合劑等組成的一個(gè)園環(huán)薄片狀（如圖1）。厚度在0.015-0.3毫米之間的一般稱為薄型砂輪片，而厚度小于0.1毫米的也稱為超薄型砂輪片。廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)對(duì)各種硬脆材料進(jìn)行切割或開槽加工，如硅、鍺、磷化鎵、神化鎵、磷砷化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷、光學(xué)陶瓷、玻璃等。具有切割精度高、割縫窄、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。使用時(shí)裝在專用設(shè)備上可單刀使用也可多刀同時(shí)使用（如圖2和圖3）結(jié)構(gòu)薄型砂輪片根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為：a、整體型；b、金屬基板支承型；c、表面電鍍型；血與法蘭一體型等。（圖4為幾種砂輪的結(jié)構(gòu)原理圖）種類薄型砂輪片的種類如圖5。磨料砂輪片對(duì)工件的切割實(shí)際是對(duì)工件進(jìn)行磨削，磨削時(shí)起主要作用的是砂輪片中的磨料。4.1磨料種類磨料種類主要有：剛玉類、SiC、金剛石、CBN（立方氮化硼）等。磨料選擇時(shí)主要是基于磨料和工件材料的理化性能，依據(jù)磨料對(duì)工件材料的磨削能力及加工適應(yīng)性來(lái)選擇。剛玉類磨料適合磨削抗拉強(qiáng)度較高的材料；而SiC磨料則適合磨削抗拉強(qiáng)度低的材料。磨削難加工材料，高速及超高速磨削可選用CBN和金剛石超硬磨料?？紤]化學(xué)磨損因素，人造金剛石砂輪適于磨削硬質(zhì)合金、陶瓷等非金屬難加工材料；而CBN砂輪可用來(lái)加工高釩高速鋼、工具鋼、耐熱合金等一些金屬難加工材料；SiC砂輪則不宜用來(lái)磨削鋼，剛玉砂輪不宜磨削玻璃。薄型砂輪片主要用于電子工業(yè)對(duì)硬脆非金屬材料的精密切割或開槽，所以在制造砂輪片時(shí)一般采用金剛石磨料或立方氮化硼磨料。金剛石磨料的特點(diǎn)：硬度高，硬度可達(dá)10000KG/MM2，耐磨性好，耐溫在900r以下，高溫下容易與鐵屬金屬發(fā)生粘連。所以金剛石磨料一般適用于對(duì)硬脆非金屬材料的切削，切削時(shí)必須要有強(qiáng)制冷卻的條件；CBN（立方氮化硼）磨料的特點(diǎn)：硬度高，硬度可達(dá)8000-9000KG/MM2，硬

度僅次于金剛石，耐磨性好，耐溫高可達(dá)1600°C，比金剛石高一倍；另外，對(duì)

鐵元素的化學(xué)惰性高。所以CBN磨料一般能適用于對(duì)金屬材料的切削，切削時(shí)可

以在自然的環(huán)境下進(jìn)行而不需要強(qiáng)制冷卻的條件。4.2磨料粒度砂輪片中磨料粒度的大小將影響割縫的性能，因此必須選擇合適的磨料粒

度。粒度選擇時(shí)主要根據(jù)工件材料和加工效率要求來(lái)確定，此外還要考慮磨削條

件如磨削液、機(jī)床及修整條件等。一般在滿足割縫要求的前提下，為保證加工效

率，盡可能選擇較粗粒度。薄型砂輪片為了保持砂輪形狀精度及受到砂輪片厚度的限止，一般選用粒度在3u-60u之間的細(xì)粒磨料。薄型砂輪片在切割不同材料時(shí)，必須選擇合適的磨料粒度，才能得到最佳的切割效果。表1為不同材質(zhì)所選金剛石粒度時(shí)的參考。表1金剛石粒度切割材料金剛!|石粒度切割材料粒度號(hào)粒度尺寸（V）粒度號(hào)粒度尺寸（V）W55-3.5硅、磷化鎵、砷化鎵、磷神化鎵、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰等W2828-20光學(xué)陶瓷、氧化鋁陶瓷、未燒結(jié)陶瓷等W77-5硅、鐵氧體、鈮酸鋰、鉭酸鋰、壓電陶瓷等W4040-28W1010-7280#50-40氧化鋁陶瓷、未燒結(jié)陶瓷、玻璃等W1414-10超厚硅片、鐵氧體、壓電陶瓷等240#63-50W2020-14光學(xué)陶瓷、壓電陶瓷等4.3磨料濃度磨料濃度指砂輪片中磨料的多少，是砂輪片的重要持性之一。濃度過(guò)底，切削效率不高；濃度過(guò)高，砂輪強(qiáng)度差和砂輪消耗大。磨料濃度在粉末壓制燒結(jié)型或樹脂結(jié)合劑砂輪片中的定義為：每立方厘米的

體積中含4.4克拉金剛石定義為100濃度。薄型砂輪片其濃度一般在75-150之

間較為合適。電鑄成型型砂輪片的金剛石含量一般用重量百分比表示，其含量一般控制在9-20%比較合適。結(jié)合劑結(jié)合劑在砂輪片中起到固結(jié)磨料作用，從而達(dá)到切削的要求。結(jié)合劑一般有

樹脂型、金屬型等，而金屬型又有銅合金、竦合金等。每種結(jié)合劑都有一定的適

用范圍。樹脂結(jié)合劑有較好的彈性、自銳性及工藝性好，但耐熱性及耐磨性較差，

一般用于割縫光潔度要求較高場(chǎng)合。金屬結(jié)合劑具有強(qiáng)度高，耐磨性好，導(dǎo)熱性

好等特點(diǎn)，所以是薄型砂輪片較為理想的結(jié)合劑。其缺點(diǎn)是自銳性較差，不易修

整。制造工藝6.1樹脂結(jié)合劑制造工藝樹脂結(jié)合劑薄型砂輪片主要由金剛石磨料或CBN磨料、酚醛專用樹脂等組

成。目前厚度最薄的砂輪片可做到0.1毫米。制造原理及工藝流程如下：原理：將樹脂粉與金剛石混合后加入到成型模具中，用熱壓的方法壓制固化而成。6.2金屬結(jié)合劑制造工藝金屬合金結(jié)合劑薄型砂輪片主要由金剛石磨料或CBN磨料、金屬合金等組成。制造工藝主要采用粉末冶金法和電鑄成型法二種。6.2.1粉末冶金法制造工藝粉末冶金法制造工藝可制取多種不同合金成份結(jié)合劑的砂輪片，以滿足不同材料的切割要求，而被廣泛應(yīng)用。其制造工藝一般有二種，艮即熱壓法和冷壓法。二種方法的制造原理及工藝流程如下：a、 熱壓法原理：將金屬粉末與金剛石混合后加入成型模具用熱壓的方法壓制燒結(jié)而成。特點(diǎn)：此工藝所需壓機(jī)砘位可較小，制取砂輪片精度較好，砂輪片強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)；但模具由于采用石墨模，故模具壽命較短，采用真空熱壓機(jī)設(shè)備，所以設(shè)備資金投入較大，批量生產(chǎn)周期長(zhǎng)效率低，生產(chǎn)成本較高；另外，砂輪片厚度最薄只能做到0.1毫米以上。b、 冷壓法原理：將金屬粉末與金剛石混合后加入成型模具用冷壓的方法壓制成型，然后再燒結(jié)而成。特點(diǎn)：此工藝較簡(jiǎn)單，模具壽命長(zhǎng)，批量生產(chǎn)周期短效率高，生產(chǎn)成本低；但所需壓機(jī)砘位較高，制取的砂輪片精度不高。砂輪片厚度最薄只能做到0.1毫米以上。6.2.2電鑄成型法制造工藝原理：用一個(gè)金屬基板作陰極，一個(gè)電解鎳板作陽(yáng)極，將二極板放入含有金剛石磨料的電鑄溶液中，將陰極接直流電源的負(fù)極，陽(yáng)極接直流電源的正極，當(dāng)接通電源后，溶液中的磨料與金屬離子在陰極上均勻共析，以獲得金屬與金剛石磨料均勻混合的復(fù)合電鑄層。當(dāng)電鑄層厚度達(dá)到要求后將陰極取出溶液，清洗烘干后再將電鑄層與陰極基板分離，然后用沖模沖制成規(guī)格尺寸。特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、批量生產(chǎn)周期短、制取的砂輪片精度好、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)成本低等；砂輪片厚度最薄可做到0.015毫米。因此，被廣泛用于制取超薄型砂輪片。工藝的不足之處：只能制取鎳合金結(jié)合劑的砂輪片，此結(jié)合劑的砂輪片不能滿足所有材料的切割要求。6.2.3表面電鍍法制造工藝原理：將金屬薄板加工成一定直徑的園基片，在園基片的外園處，用電鍍的方法鍍上一層金屬和金剛石的復(fù)合層而制成砂輪片。特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低；但精度差，使用壽命短，砂輪片厚度只能做到0.3毫米以上。7.薄型砂輪片被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)對(duì)各種硬脆非金屬材料的精密切割或開槽加工。表2舉例說(shuō)明薄型砂輪片的使用領(lǐng)域、加工材料及加工方式。表2序號(hào)使用領(lǐng)域加工材料加工方式1二極管、三極管、集成電路、太陽(yáng)能電池板、發(fā)光二極管、PCB板、封裝器件等硅、鍺晶片、樹脂材料等切割（或稱劃片）2B超機(jī)探頭壓電陶瓷開槽3貼片電阻、貼片電容、厚膜電路、熱敏電阻等陶瓷片切割4制冷元件銻化鉍切割5氧化膜、金屬膜電阻氧化膜、金屬膜層螺旋形切割6光電器件玻璃、石英晶體切割或開槽7磁頭鐵氧體、陶瓷切割或開槽8照明器件石英管、玻璃管等切割9濾波器鈮酸鋰、鉭酸鋰切割或開槽隨著信息電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)微型電子元器件及集成電路的切割要求越

來(lái)越高，而且切割的量也越來(lái)越多。據(jù)資料介紹，世界上薄型砂輪片的年銷售額

達(dá)5億多美元。目前，該類產(chǎn)品的市場(chǎng)主要被日本、美國(guó)、以色列等世界領(lǐng)先的

公司所占領(lǐng)。這些公司所生產(chǎn)的刀具性能穩(wěn)定、規(guī)格種類齊全、具有很高的切割

精度。我國(guó)電子工業(yè)正步入一個(gè)飛速發(fā)展期，對(duì)精密切割工具的需求也進(jìn)入了高速增長(zhǎng)期。但是由于國(guó)內(nèi)該類產(chǎn)品發(fā)展起步較晚，其性能還存在諸多的缺陷，不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)快速發(fā)展的要求，每年從國(guó)外進(jìn)口大量的各種類型的薄型金剛石砂輪片，消耗國(guó)家大量的外匯。在國(guó)內(nèi)，對(duì)薄型砂輪片進(jìn)行研究和制造并打入市場(chǎng)的企業(yè)很少，目前，在這一領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)較領(lǐng)先的企業(yè)只有我們所和國(guó)內(nèi)XX?，F(xiàn)將二家的產(chǎn)品及特點(diǎn)例于表3。從表3看，二家的產(chǎn)品不完全相同，但都有其特點(diǎn)，不能相互取代，因此，都有其發(fā)展前景。我所有開發(fā)用粉末冶金法制取薄型砂輪片的計(jì)劃，目前在做這方面的調(diào)研和試驗(yàn)工作。表3企業(yè)名稱制造工藝結(jié)合劑厚度范圍（MM）特點(diǎn)國(guó)內(nèi)XX粉末冶金法銅合金0.1以上制造工藝復(fù)雜、成本高，厚度0.1毫米以下制造難度較大，但砂輪片自銳性較好，割縫光潔好。核工業(yè)第八研究所電鑄成型法鎳合金0.015-0.5制造工藝簡(jiǎn)單、成本低，厚度最薄可以做到0.015毫米，但砂輪片的自銳性沒(méi)有銅合金結(jié)合劑好。8. 我所研制并生產(chǎn)薄型金剛石砂輪片的情況介紹8.1我所薄型砂輪片發(fā)展概況我所從80年代初開始從事金剛石薄型砂輪片的研制，20多年來(lái)，先后成功研制了END-112型、CND型、END-421型金剛石砂輪片、金剛石外園切割片、金剛石滾磨砂輪、金剛石倒角砂輪、ENB型電阻刻槽砂輪等產(chǎn)品。其中END-112型和CND型金剛石砂輪片是我所第一個(gè)通過(guò)技術(shù)鑒定的軍轉(zhuǎn)民項(xiàng)目。目前，END-112型金剛石砂輪片和ENB型電阻刻槽砂輪已成為我室的主要產(chǎn)品，其它產(chǎn)品每年也有一定的銷量。20多年來(lái)，由于市場(chǎng)不景氣，發(fā)展不快，但我室一直堅(jiān)持了下來(lái)。近年來(lái)，隨著我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我室的薄型金剛石砂輪片產(chǎn)品也得到了較快速度的增漲。我所研發(fā)并生產(chǎn)的金剛石砂輪劃片刀其性能不斷在提高（切割3英寸硅片，

壽命達(dá)30-50萬(wàn)條線），并已逐步形成了規(guī)格的系列化，銷售價(jià)格也相當(dāng)?shù)谋阋?/p>

（軟刀的價(jià)格是disco同類產(chǎn)品的三分之一），但在實(shí)際推廣應(yīng)用上也碰到較大因

難。首先，我國(guó)在一些高端劃片企業(yè)，很多是國(guó)外及臺(tái)灣的獨(dú)資或合資企業(yè)，這

些企業(yè)很少采購(gòu)國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品；另外，我所的劃片刀與進(jìn)口的品牌產(chǎn)品相比，在某

些方面確存在一定的差距，因此很多高端劃片企業(yè)不會(huì)輕易使用；其次，我所在

產(chǎn)品的宣傳上做得不夠，實(shí)際上很多劃片企業(yè)對(duì)我所的產(chǎn)品并不了解。今后我們

將加倍努力，加快趕上國(guó)際先進(jìn)水平，使我所的超薄型金剛石砂輪片更好地為我

國(guó)電子工業(yè)的快速發(fā)展而服務(wù)。END型金剛石砂輪片和ENB型電阻刻槽砂輪的結(jié)構(gòu)END型金剛石砂輪片和ENB型電阻刻槽砂輪的實(shí)物如圖6、圖7、圖8。END112及ENB型砂輪片為一園環(huán)薄片狀（也稱軟刀），END412型砂輪片為鋁合金法蘭與園環(huán)薄片狀砂輪片組合而成（也稱硬刀）；外徑一般在50-100毫米之間，內(nèi)徑一般在6-40毫米之間，厚度在0.015-0.5毫米之間；結(jié)合劑為金屬鎳合金；磨料：為人造金剛石磨料，粒度一般在5-60微米。END型金剛石砂輪片和ENB型電阻刻槽砂輪的用途8.