Test study on ultrasonic wire saw cutting of reaction bonded silicon carbide

SONG Hongxia; ZENG Guowei; CHAO Shenghao; GUO Xiaoguang; DONG Zhigang; WANG Yidan

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.015

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Test study on ultrasonic wire saw cutting of reaction bonded silicon carbide

更新时间：2025-09-22

- Test study on ultrasonic wire saw cutting of reaction bonded silicon carbide
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 9, Pages: 164-173(2025)
- 作者机构：
  
  大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室，大连 116024
- 作者简介：
  
  WANG Yidan, E-mail: ydwang@dlut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Key Research and Development Program of China(2022YFB3403401)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.015
  CLC：
- Received：26 March 2025，
  
  Published：15 September 2025
- 稿件说明：
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宋洪侠，曾国伟，晁胜豪，等. 反应烧结碳化硅超声线锯切割试验研究［J］. 机械强度，2025，47（9）：164-173.

SONG Hongxia，ZENG Guowei，CHAO Shenghao，et al. Test study on ultrasonic wire saw cutting of reaction bonded silicon carbide［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：164-173.
宋洪侠，曾国伟，晁胜豪，等. 反应烧结碳化硅超声线锯切割试验研究［J］. 机械强度，2025，47（9）：164-173. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.015.

SONG Hongxia，ZENG Guowei，CHAO Shenghao，et al. Test study on ultrasonic wire saw cutting of reaction bonded silicon carbide［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（9）：164-173. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.09.015.

摘要

反应烧结碳化硅（Reaction Bonded Silicon Carbide

RB-SiC）因其优异的热稳定性、耐辐射性以及化学惰性，被广泛应用于核能和光学领域核心构件的制造。但是，RB-SiC材料具有硬度高、脆性大等特点，传统加工方法难以保证其加工质量和效率。超声金刚石线锯切割（锯切）技术作为硬脆材料的高效加工方法，已在单晶Si、单晶SiC等硬脆材料的加工中成功应用。然而，该技术在RB-SiC材料的切削试验和工艺的研究还有待开展。为此，首次开展了RB-SiC的超声锯切试验研究，搭建了超声锯切RB-SiC平台，对比分析了平行与垂直超声振动方向的加工表面质量，研究了超声振幅、线速度、进给速度参数对表面粗糙度及表面微观形貌的影响规律。试验结果表明，超声锯切在提高表面质量等方面具有显著优势。随着振幅由3 μm提高到7 μm，表面粗糙度值降低了17.4%，表面划痕和凹坑数量随之减少；相较于垂直进给方向，平行进给方向的超声锯切更能有效提高RB-SiC材料的表面质量。本研究可为RB-SiC材料超声锯切工艺研究提供指导。

Abstract

Reaction bonded silicon carbide (RB-SiC) is widely used for manufacturing core components in nuclear energy and optics due to its excellent thermal stability

radiation resistance and chemical inertness. However

RB-SiC is highly hard and brittle

making it difficult to ensure processing quality and efficiency with traditional methods. Ultrasonic diamond wire saw cutting technology

as an efficient machining method for hard brittle materials

has been successfully applied in the processing of single crystal Si

single crystal SiC

and other hard brittle materials. However

the cutting test and process research of this technology in RB-SiC materials need to be carried out. To this end

the ultrasonic sawing test of RB-SiC was carried out for the first time. The ultrasonic wire saw cutting RB-SiC platform was built. The surface quality of parallel and vertical ultrasonic vibration directions was compared and analyzed. The effects of ultrasonic amplitude

line speed and feed speed parameters on surface roughness and surface micro-morphology were studied. Results demonstrate ultrasonic sawing has significant advantages in improving surface quality. Increasing the amplitude from 3 μm to 7 μm reduces surface roughness value by 17.4% and decreases the number of surface scratches and pits. Compared to the vertical feed direction

ultrasonic vibration sawing in the parallel feed direction is more effective in improving the surface quality of RB-SiC materials. This study can provide guidance for the research of ultrasonic sawing process of RB-SiC materials.

关键词

Keywords

references

JOHNSON J S ， GROBSKY K D ， BRAY D . Rapid fabrication of lightweight silicon-carbide mirrors ［C］// Optomechanical Design and Engineering 2002 . Seattle ： Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers ， 2002 ： 243 - 253 .

李梦飞，马波 . 碳化硅陶瓷在光伏领域的应用与研究［J］. 中国高新科技， 2024 （ 11 ）： 103 - 105 .

LI Mengfei ， MA Bo . Application and research of silicon carbide ceramics in the field of photovoltaics ［J］. China High and New Technology ， 2024 （ 11 ）： 103 - 105 . （In Chinese）

张锴瑜，杨冰，朱钧国，等 . 碳化硅在核能技术中的应用［C］// 中国核学会2001学术年会论文集 . 北京：中国核学会， 2001 ： 762 - 763 .

ZHANG Kaiyu ， YANG Bing ， ZHU Junguo ， et al . The application of silicon carbide in nuclear energy technology ［C］// Proceedings of the 2001 Annual Conference of Chinese Nuclear Society . Beijing ： Chinese Nuclear Society ， 2001 ： 762 - 763 . （In Chinese）

张舸，赵汝成，赵文兴 . 空间用反应烧结碳化硅反射镜坯体制备技术研究［J］. 空间科学学报， 2011 ， 31 （ 3 ）： 401 - 405 .

ZHANG Ge ， ZHAO Rucheng ， ZHAO Wenxing . Study on fabrication technology of reaction bonded silicon carbide mirror blank for space ［J］. Chinese Journal of Space Science ， 2011 ， 31 （ 3 ）： 401 - 405 . （In Chinese）

GENG Z C ， FANG F Z . Investigation of photocatalysis/vibration-assisted finishing of reaction sintered silicon carbide ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2025 ， 133 ： 201 - 210 .

王健 . RBSiC超声辅助磨削工艺研究［D］. 大连：大连理工大学， 2015 ： 7 - 12 .

WANG Jian . Study on ultrasonic-assisted grinding technology of RBSiC ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2015 ： 7 - 12 . （In Chinese）

梁静静，张相召，赵光辉，等 . 磨削加工对Al 2 O 3 陶瓷表面质量与力学性能的影响［J］. 材料导报， 2020 ， 34 （ 16 ）： 16020 - 16024 .

LIANG Jingjing ， ZHANG Xiangzhao ， ZHAO Guanghui ， et al . Effect of grinding process on surface quality and mechanical properties of Al 2 O 3 ceramics ［J］. Materials Reports ， 2020 ， 34 （ 16 ）： 16020 - 16024 . （In Chinese）

肖龙飞，徐现刚 . 宽禁带碳化硅单晶衬底及器件研究进展［J］. 强激光与粒子束， 2019 ， 31 （ 4 ）： 40003 .

XIAO Longfei ， XU Xiangang . Recent development of wide band-gap semiconductor SiC substrates and device ［J］. High Power Laser and Particle Beams ， 2019 ， 31 （ 4 ）： 40003 . （In Chinese）

王沛志 . 单晶碳化硅的金刚石线锯切片表层裂纹损伤研究［D］. 济南：山东大学， 2020 ： 15 - 24 .

WANG Peizhi . Study on surface crack damage of diamond wire saw slice of single crystal silicon carbide ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2020 ： 15 - 24 . （In Chinese）

XIONG H F ， MAO W W ， WANG R ， et al . Characterizations on the doping of single-crystal silicon carbide ［J］. Materials Today Physics ， 2022 ， 29 ： 100906 .

ZHANG J J ， HAN L ， ZHANG J G ， et al . Brittle-to-ductile transition in elliptical vibration-assisted diamond cutting of reaction-bonded silicon carbide ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2019 ， 45 ： 670 - 681 .

高玉飞，葛培琪，刘全斌，等 . SiC单晶线锯切片及电镀锯丝制造技术的研究进展［J］. 河北科技大学学报， 2013 ， 34 （ 6 ）： 501 - 506 .

GAO Yufei ， GE Peiqi ， LIU Quanbin ， et al . Research progress of manufacturing technology of SiC single crystal wire saw slicing and electroplated wire saw ［J］. Journal of Hebei University of Science and Technology ， 2013 ， 34 （ 6 ）： 501 - 506 . （In Chinese）

高玉飞 . 电镀金刚石线锯切割单晶硅技术及机制研究［D］. 济南：山东大学， 2009 ： 10 - 14 .

GAO Yufei . Study on technology and mechanism of cutting monocrystalline silicon with electroplated diamond wire saw ［D］. Jinan ： Shandong University ， 2009 ： 10 - 14 . （In Chinese）

SEFENE E M ， CHEN C A ， TSAI Y H . A comprehensive review of diamond wire sawing process for single-crystal hard and brittle materials ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2024 ， 131 ： 1466 - 1497 .

李言，王肖烨，李淑娟 . 大尺寸SiC单晶片的超硬磨料切割技术研究进展［J］. 工具技术， 2010 ， 44 （ 7 ）： 7 - 11 .

LI Yan ， WANG Xiaoye ， LI Shujuan . Research progress on super-hard abrasive cutting technology of large size SiC wafer ［J］. Tool Engineering ， 2010 ， 44 （ 7 ）： 7 - 11 . （In Chinese）

陈勇彪，张松辉，张晓红，等 . 金刚石线锯切割碳化硅陶瓷的机制与工艺研究［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2021 ， 41 （ 3 ）： 60 - 67 .

CHEN Yongbiao ， ZHANG Songhui ， ZHANG Xiaohong ， et al . Study on mechanism and process of cutting silicon carbide ceramics with diamond wire saw ［J］. Diamond & Abrasives Engineering ， 2021 ， 41 （ 3 ）： 60 - 67 . （In Chinese）

YANG H Y ， FU M ， ZHANG X ， et al . Material removal mechanisms of polycrystalline silicon carbide ceramic cut by a diamond wire saw ［J］. Materials ， 2024 ， 17 （ 17 ）： 4238 - 4240 .

张俊然，朱如忠，张玺，等 . 线锯切片技术及其在碳化硅晶圆加工中的应用［J］. 人工晶体学报， 2023 ， 52 （ 3 ）： 365 - 379 .

ZHANG Junran ， ZHU Ruzhong ， ZHANG Xi ， et al . Wire saw slicing and its application in silicon carbide wafers processing ［J］. Journal of Synthetic Crystals ， 2023 ， 52 （ 3 ）： 365 - 379 . （In Chinese）

HARDIN C W ， QU J ， SHIH A J . Fixed abrasive diamond wire saw slicing of single-crystal silicon carbide wafers ［J］. Materials and Manufacturing Processes ， 2004 ， 19 （ 2 ）： 355 - 367 .

李宏达，秦军存，邢旭，等 . 线速度对金刚石线锯及硅片表面质量的影响［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2017 ， 37 （ 5 ）： 41 - 44 .

LI Hongda ， QIN Juncun ， XING Xu ， et al . Influence of wire speed on diamond wire saw and surface quality of silicon wafer ［J］. Diamond & Abrasives Engineering ， 2017 ， 37 （ 5 ）： 41 - 44 . （In Chinese）

郭俊文，苏宇飞 . 线速度对金刚石线锯及硅片表面质量的影响［J］. 工具技术， 2019 ， 53 （ 11 ）： 63 - 66 .

GUO Junwen ， SU Yufei . Influence of wire speed on diamond wire saw and surface quality of silion wafer ［J］. Tool Engineering ， 2019 ， 53 （ 11 ）： 63 - 66 . （In Chinese）

HUANG H ， ZHANG Y X ， XU X P . Experimental investigation on the machining characteristics of single-crystal SiC sawing with the fixed diamond wire ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2015 ， 81 （ 5 ）： 955 - 965 .

WANG P Z ， GE P Q ， BI W B ， et al . Effect of wire speed on sub-surface cracks in wire sawing process of single crystal silicon carbide ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2017 ， 184 ： 273 - 285 .

COSTA E C ， XAVIER F A ， KNOBLAUCH R ， et al . Effect of cutting parameters on surface integrity of monocrystalline silicon sawn with an endless diamond wire saw ［J］. Solar Energy ， 2020 ， 207 ： 640 - 650 .

吴大伟 . 高频超声换能器技术研究进展与展望［J］. 振动.测试与诊断， 2017 ， 37 （ 1 ）： 1 - 12 .

WU Dawei . Progress and prospects of high-frequency ultrasonic transducer techniques ［J］. Journal of Vibration ，Measurement & Diagnosis， 2017 ， 37 （ 1 ）： 1 - 12 . （In Chinese）

吕东喜 . 硬脆材料旋转超声加工高频振动效应的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2014 ： 20 - 26 .

LÜ Dongxi . Study on high frequency vibration effect of rotary ultra-sonic machining of hard and brittle materials ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2014 ： 20 - 26 . （In Chinese）

赵波，李鹏涛，张存鹰，等 . 超声振动方向对TC4钛合金铣削特性的影响［J］. 航空学报， 2020 ， 41 （ 2 ）： 623301 .

ZHAO Bo ， LI Pengtao ， ZHANG Cunying ， et al . Effect of ultrasonic vibration direction on milling characteristics of TC4 titanium alloy ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2020 ， 41 （ 2 ）： 623301 . （In Chinese）

XU W H ， HUANG C ， LIU X H ， et al . Influences of ultrasonic vibra-tion directions，amplitudes，and frequencies on sapphire polishing studied by molecular dynamics ［J］. Precision Engineering ， 2024 ， 91 ： 155 - 173 .

李伦，李艳军，李济顺 . 横向超声辅助线锯振动切割单晶SiC法向锯切力研究［J］. 人工晶体学报， 2015 ， 44 （ 12 ）： 3730 - 3736 .

LI Lun ， LI Yanjun ， LI Jishun . Research on normal cutting force of transverse ultrasonic-assisted wire saw vibration cutting SiC mono-crystal wafer ［J］. Journal of Synthetic Crystals ， 2015 ， 44 （ 12 ）： 3730 - 3736 . （In Chinese）

LI S J ， WAN B ， LANDERS R G . Surface roughness optimization in processing SiC monocrystal wafers by wire saw machining with ultrasonic vibration ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ，Part B：Journal of Engineering Manufacture， 2014 ， 228 （ 5 ）： 725 - 739 .

WANG Y ， BAI T Q ， SHU L ， et al . Analytical prediction of sub-surface damage depth of monocrystalline silicon in ultrasonic vibration assisted wire sawing ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2024 ， 133 （ 5 ）： 2445 - 2460 .

WANG Y ， ZHAO B C ， LI J X ， et al . The surface residual stress of monocrystalline silicon in ultrasonic vibration-assisted diamond wire sawing ［J］. The International Journal of Advanced Manufac-turing Technology ， 2022 ， 121 （ 5 ）： 3079 - 3091 .

WANG Y ， ZHANG S ， DONG G J ， et al . Theoretical study on sawing force of ultrasonic vibration assisted diamond wire sawing （UAWS） based on abrasives wear ［J］. Wear ， 2022 ， 496 ： 204291 .

袁日灿，单翔，金亦富 . 超声辅助金刚石线锯切割硬脆材料的研究［J］. 机械工程与自动化， 2018 （ 1 ）： 136 - 137 .

YUAN Rican ， SHAN Xiang ， JIN Yifu . Research on ultrasonic-assisted diamond wire saw cutting hard and brittle materials ［J］. Mech-anical Engineering & Automation ， 2018 （ 1 ）： 136 - 137 . （In Chinese）

DONG Z G ， YUAN G Q ， RAN Y C ， et al . Material removal mecha-nism of SiC f /SiC composites during ultrasonic-assisted scratching with vertical vibration ［J］. Chinese Journal of Aeronautics ， 2025 ： 103416 .

GENG D X ， SUN Z F ， LIU Y H ， et al . Unravelling the influence of vibration on material removal and microstructure evolution in ultra-sonic transversal vibration-assisted helical milling of Ti-6Al-4V holes ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2024 ， 326 ： 118320 .

SUN Z F ， GENG D X ， GUO H L ， et al . Introducing transversal vibration in twist drilling：material removal mechanisms and surface integrity ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2024 ， 325 ： 118296 .

陈剑彬，沈剑云，王江全，等 . 超声振动对单晶硅锯切比能的影响［J］. 材料科学与工艺， 2017 ， 25 （ 1 ）： 62 - 68 .

CHEN Jianbin ， SHEN Jianyun ， WANG Jiangquan ， et al . Influence of ultrasonic vibration on specific sawing energy of monocrystalline silicon ［J］. Materials Science and Technology ， 2017 ， 25 （ 1 ）： 62 - 68 . （In Chinese）

杨少东 . 超声激励线锯切割SiC单晶机制与工艺研究［D］. 洛阳：河南科技大学， 2019 ： 50 .

YANG Shaodong . Study on mechanism and technology of ultrasonic-excited wire saw cutting SiC single crystal ［D］. Luoyang ： Henan University of Science and Technology ， 2019 ： 50 . （In Chinese）

SHEN J Y ， ZHU X ， CHEN J B ， et al . Investigation on the edge chip-ping in ultrasonic assisted sawing of monocrystalline silicon ［J］. Micromachines ， 2019 ， 10 （ 9 ）： 616 .

郑非非，董志刚，张嘉桐，等 . 超声振动对单颗金刚石工具划擦RB-SiC材料去除行为的影响［J］. 机械工程学报， 2019 ， 55 （ 1 ）： 225 - 232 .

ZHENG Feifei ， DONG Zhigang ， ZHANG Jiatong ， et al . Influence of ultrasonic vibration on material removal of scratching on RB-SiC with single diamond tool ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2019 ， 55 （ 1 ）： 225 - 232 .

韩腊 . 反应烧结碳化硅振动辅助切削加工工艺研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019 ： 56 .

HAN La . Study on vibration-assisted cutting technology of reactive sintering silicon carbide ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2019 ： 56 . （In Chinese）

张辽远，赵炎，马康乐，等 . 超声金刚石线锯复合加工工件的对比实验研究［J］. 金刚石与磨料磨具工程， 2016 ， 36 （ 2 ）： 32 - 36 .

ZHANG Liaoyuan ， ZHAO Yan ， MA Kangle ， et al . Contrastive study on diamond wire saw cutting with/without ultrasonic vibration ［J］. Diamond & Abrasives Engineering ， 2016 ， 36 （ 2 ）： 32 - 36 . （In Chinese）

CAO S Y ， ZHANG X Y ， WU C Q ， et al . Towards understanding the material removal mechanism on the effect of ultrasonic vibration and anisotropy for unidirectional CFRP by scratching ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2024 ， 324 ： 118250 .

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