Effet des caractéristiques des fils diamantés

Nous avons étudié la topographie de la surface en fonction du diamètre du fil, de la granulométrie des diamants et de la provenance des fils.

a. Effet du diamètre du fil

Afin d’augmenter la productivité et de diminuer la perte de matière, les fils de diamètres de 120 µm sont aujourd’hui remplacés par des fils de diamètre de 0 µm. L’effet de cette diminution de diamètre sur la topographie de surface peut être caractérisé directement par l’analyse des traces de sciage à la surface des tranches brutes de découpe. La Figure 73.a présente deux profils de hauteurs obtenus par profilométrie mécanique dans la direction perpendiculaire aux sillons de découpe pour deux fils de diamètres 120 µm et 70 µm. Ces profils, pris au centre des tranches, montrent une structure périodique. La Figure 73.b présente les amplitudes, obtenues par transformée de Fourrier (FFT) de ces profils, des différentes fréquences spatiales contenues dans les profils. L’utilisation d’un fil de diamètre 70 µm se traduit par des traces de sciage beaucoup moins marquées d’amplitude réduite d’un facteur 3. Notons que la taille du stylet utilisé en profilométrie mécanique ne permet pas d’avoir accès aux hautes fréquences spatiales. Ainsi, les fréquences pouvant être corrélées à d’autres caractéristiques des fils comme la taille des grains diamants, ne sont pas détectées.

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(a) (b)

Figure 73 : Analyse des traces de sciage acquises au centre de deux tranches des lots 4-MS et 8-MS dans la direction perpendiculaire aux stries de découpe. (a) Profils de hauteur ; (b) Analyses spectrales (obtenues par FFT) des profils de hauteur correspondants.

b. Effet de la granulométrie des diamants

Pour pouvoir analyser l’effet de taille des grains de diamants, nous avons mis en œuvre des analyses microscopiques. Des images 3D acquises par microscopie optique confocale permettent d’extraire les paramètres de rugosité de surface introduites au Chapitre II (§ II.2.1.1). Dans la Figure 74, nous comparons l’effet de la taille de grains des diamants des fils provenant d’un même

fournisseur sur les paramètres de rugosité S_a et S_z de la surface brute de découpe. Les mesures sont

effectuées sur les lots 4 et 7 découpés dans des conditions identiques (Tableau 20). Afin d’assurer la représentativité des caractérisations, les mesures sont faites au centre dix tranches successives extraites des deux côtés, MS et OS, d’une coupe. Les données statistiques sont représentées graphiquement en

utilisant les « Box-Plots » ou boites à moustaches qui sont définies par :

‒ Le premier quartile q₁ (25 % des valeurs) et le troisième quartile q₃ (75 % des valeurs) :

bordures inférieure et supérieure de la boite rectangulaire ;

‒ La médiane : trait horizontal au sein de la boite rectangulaire ;

‒ La moyenne : marquée par le point en trait plein au sein de la boite rectangulaire ;

‒ La plus petite valeur supérieure à q₁1,5(q₃q₁), et à la plus grande valeur inférieure à

3 1,5( 3 1)

q  q q : extrémités inférieure et supérieure des moustaches en forme de tiret «

» situées sur le trait vertical ;

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(a) (b)

Figure 74 : Paramètres de rugosité mesurés par microscopie optique confocale sur les surfaces brutes de découpe en fonction de la granulométrie des diamants (lots de tranches 4 et 7) avec (a) la moyenne des hauteurs S_a et (b) la hauteur du profil S_z.

La dissymétrie de distribution, par rapport aux moustaches des boîtes, observée pour certains groupes de tranches montre que parfois la distribution des mesures sur les 10 tranches ne suit pas une loi normale. Cela pourrait indiquer que d’autres effets conditionnent la topographie de la surface que la granulométrie des diamants dans ces essais pour lesquels nous avons considéré que les autres conditions de découpe sont conservées. En particulier, l’usure du fil pourrait être différente selon la taille des diamants. Néanmoins, nous pouvons faire les observations suivantes :

‒ La valeur moyenne de la moyenne des hauteurs de la surface a tendance à diminuer avec la

granulométrie des diamants seulement en position MS (fil neuf) ;

‒ La valeur médiane de la moyenne des hauteurs de la surface a tendance à diminuer de la

position MS (fil neuf) à la position OS (fil usé) mais reste stable avec la granulométrie ;

‒ La hauteur du profil qui représente essentiellement la profondeur des écaillages, a tendance à

montrer une plus forte dispersion mais sa valeur moyenne varie peu à l’exception des tranches en position OS du fil à petits grains de diamants.

La stabilité de la hauteur du profil pourrait traduire que la dimension des écailles est peu sensible à la taille de grains des diamants. Son évolution pour les petits diamants peut être liée à une usure particulière du fil. La caractérisation de cette usure a été réalisée en dehors du cadre de notre étude, par comparaison de la densité des diamants à la surface du fil avant et après utilisation. La densité des diamants est obtenue par l’analyse statistique des variations des diamètres apparents du fil mesurés à l’aide d’un micromètre optique (Annexe 4). Le Tableau 23 donne les valeurs de densité ainsi mesurées pour les deux granulométries considérées ici. Ainsi, après l’utilisation du fil, la densité des diamants diminue de façon significative pour le fil de plus faible granulométrie traduisant une usure plus importante.

Tableau 23 : Densité linéique de diamants pour les fils de granulométrie différente.

Granulométrie

Densité linéique (mm^-1)

Écart Avant découpe

(fil neuf) ^{Après découpe}

8-16 µm 67 67 0 %

5-10 µm 91 74 23 %

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En dehors des écaillages, la moyenne des hauteurs semble montrer que les grains de forts diamètres induisent une surface plus rugueuse. Il s’ajoute à cela qu’une densité de diamants plus élevée engendre une diminution de la force des diamants sur le silicium [2]. Ceci est donc favorable à une surface plus lisse comme cela est observé avec le fil de faible granulométrie qui a une densité deux fois plus grande.

c. Effet de la provenance du fil

Comme nous l’avons déjà mentionné, les caractéristiques des fils diamantés peuvent être différentes selon le fabricant. Dans cette partie, nous analysons la topographie de la surface des tranches découpées avec deux fils de fournisseurs différents, A et B. Ce sont les fils qui ont servi à découper, dans des conditions identiques, les lots de tranches 1 et 2 (Tableau 20). Ces fils ont le même diamètre et la même classe de granulométrie, mais diffèrent par leur méthode de fabrication, principalement la forme des diamants et le type de liant. Les grains sur le fil B possèdent une forme spécifique, dite « en étoile », qui permet d’augmenter le pouvoir de coupe. La Figure 75 montre ces formes en regard des formes classiques. De plus, la densité des diamants sur le fil A est environ deux fois plus importante que sur le fil B.

Figure 75 : Images MEB des formes des diamants (a) classiques (fil A)et (b) « en étoile » (fil B).

Les résultats obtenus par microscopie optique confocale sont présentés dans la Figure 76.

(a) (b)

Figure 76 : Paramètres de rugosité mesurés par microscopie optique confocale sur les surfaces brutes de découpe pour deux fournisseurs différents (lots de tranches 1 et 2), avec (a) la moyenne des hauteurs S_a et (b) la hauteur du profil S_z.

Ces graphes amènent la même remarque sur la dissymétrie de distribution des mesures qu’au paragraphe précédent. Néanmoins, nous pouvons noter que les paramètres de rugosité considérés sont

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équivalents pour les deux fils et leur évolution entre la position MS et OS est similaire. Cette évolution se caractérise par les deux points suivants :

‒ La moyenne des hauteurs de la surface diminue de façon significative de la position MS (fil

neuf) à la position OS (fil usé) ;

‒ La valeur moyenne de la hauteur du profil (profondeur des écaillages) reste stable.

Comme avec l’effet de la granulométrie, la stabilité de la hauteur du profil de la surface pourrait traduire que la dimension des écailles est peu sensible au type de fil. De plus, l’effet de l’usure du fil (évolution entre la position MS et OS) semble également insensible au type de fil. D’autres paramètres de la découpe peuvent dominer l’effet observé, par exemple la durée de coupe.