金刚石线锯切割机设计[含CAD高清图纸和文档全套]
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毕业设计(论文)译文及原稿译文题目:线锯过程中凹凸不平面的损伤情况原稿题目:Roughness Damage Evolution Due to Wire Saw Process原稿出处:Egemen Teomete,International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2011,12(6):941-947浙江工业大学之江学院毕业设计(论文) 外文翻译线锯过程中凹凸不平面的损伤情况摘要:线锯工艺被被广泛用于硅晶片生产与高收益、低表面损伤的太阳能电池和微电子产业。这个线锯过程是用于机器切割脆性材料从而得到高韧性, 高收益和低表面损伤的。线锯工艺也可用于切割混凝土和岩石,土木工程。在这研究中,通过改变工艺参数进行了试验参数的研究,以确定表面粗糙度损坏。延性材料的穿晶断裂和脆性断裂的晶间破坏的切割表面可以在电子显微镜照片中观察到。涉及粗糙度破坏过程的损伤模型的参数是可以得到的。这个损伤模型预测粗糙度损害令人满意。该模型显示这种粗糙度损伤比率是进给速度与线速度成正比。提高效率的过程在于不增加粗糙度损伤而通过增加进给速度正比线速度的比率。线张力不影响粗糙度损伤。但是,导线的性能影响粗糙度损伤。导线的砂砾半径越小和砂粒间距越短则粗糙度损伤越少。关键词:陶瓷,损伤模型,韧性加工,粗糙度,线锯1 介绍硅晶片用于太阳能电池和微电子学产业可以减少从硅晶体使用内径(ID)锯或线锯。线锯的优势是ID可以看见。这些优点是更高的生产力,更少的晶片表面损伤和较低的切口损失。此外,晶片的直径可以被切成一个线锯高于一个ID。线锯适用切割蓝宝石,碳化硅,锂铌酸,木材,岩石和几乎所有种类的陶瓷,包括泡沫陶瓷。穆勒指出,线锯过程中的成本是占硅晶片生产的总成本的30,这直接影响整个行业。所以有必要来采取优化过程的措施:通过发展模型相关的工艺参数,产品质量和过程效率。20世纪90年代,早期的线锯是在晶圆生产裸钢丝和磨料泥浆过程中开发的,在研磨加工中使用弹性流体动力。研磨颗粒可以是SiC或钻石,用30至60的磨料颗粒的粒度可以是530m体积分数的料浆。平均线直径是180m,切缝损失为200到250m。浆料可以是水性或油性的。油性泥浆使溶液彼此互溶,很难独立,而从晶圆片表面清除油状物是另一个问题。油性泥浆的使用处理也是一个问题。产生的氢气和水性泥浆中硅的相互作用可能会导致爆炸。然而,从环保的角度来看,考虑到高数量的泥浆处理过程,水性通常是优选的。Clark等人说,为了提高生产率和能够削减更硬的陶瓷,开发了镶金刚石线。其适用于磨削加工。在自由磨料线锯中,送丝速度为515米/秒,线张力为2030N。在电线弓中,其结果使得所述导线达到2度到6度的水平。在研磨加工工艺的线锯中,线速度较低的材料去除是不会发生水动力作用的。线锯过程的研究已经持续在三个主要领域:材料去除机制,运动学,进程之间的输入和输出参数的研究。Li等人提出了磨料颗粒的受应力作用是滚动和缩进的线锯的过程。穆勒提出的材料去除机制对于自由磨料加工开发利用断裂力学和流体动力学行为的浆料。材料去除率的定义是作为一个功能电源提供给磨料流体动压效应与流体膜性能。它的计算采用有限元阀夫妇雷诺方程,流体力学与弹性力学方程。刘等人指出,材料去除机理线锯切割岩石是赫兹类破裂,其中破裂的发生是由于拉伸后面滑珠引起的。魏和高从事分析直线的刚度和研究在张力作用下的导线,还有振动特征对线速度,张力,和浆料粘度的研究。当线速度低于25米/秒时,增加线张力和浆粘度而降低振幅和切口损失,对它几乎没有影响。Clark等人监测线锯过程,线速度,送丝速度和线的张力。Clark和Hardin等人还进行了参数研究有关工艺的参数,表面粗糙度和线切割泡沫陶瓷,木材。他们还进行了与一个固定的磨料切片单晶SiC的参数研究,研究金刚石线有关的线速,摇摆频率,下表面和亚表面损伤的进给速度。Meng等人研究了闭环金刚石绳锯切割和浸渍氧化铝陶瓷粉末。硬度各向异性的铌酸锂晶片已经被应用在纳米压痕中。Bhagavat和Kao确定了三个最常见的取向的方法。他们通过切片硅晶体的各向异性来确定的方向。硅片的钢丝锯对光伏及半导体行业有着重大的利益关系。半导体有严格的公差和表面质量要求。从现有的模拟脆性材料压痕损失中可以看出在加工脆性材料时的损坏情况。脆性材料的压痕存在几种的失效模式。Ryu等人研究了硅片,玻璃和碳化硅上的压痕。赵等人观察到在地面上被破坏的光学玻璃表面的压痕。不同的研究人员对延性域磨削脆性材料进行了试验研究。Bifano等人指出在研磨中,当进给量减少到一定量时,磨损机制就可以实现从脆性到韧性转变。在这项研究中,一个线锯损伤模型可以看出线锯过程中粗糙度的损坏。这个损伤模型是基于延性去除模式和脆性损害模式,观察扫描电镜中切割面的图像。过实验测定,用损伤模型来预测损害通是可靠的。第二节提出了这个实验工作。第三节提出了该模型。第四节提出了结果和讨论的研究。在第五部分提出这个结论。2 实验过程线锯的实验是在氧化铝陶瓷上进行的。在线锯切削试验中测量了丝弓角,轴向线速度Vx和进给速率Vz。同时也测量了切断面表面的粗糙度,还得到了扫描电镜成像的切表面。在这些测量中所使用的设备本节介绍及工艺参数。2.1 线锯切割和丝弓角测量图1 单丝,阀芯阀芯线锯机,该线轨道,由虚线标记。(DWT公司,千禧年生产的模型,美国科罗拉多州Springs,美国)实验中使用线锯设备(其模型是千禧年在科罗拉多州斯普林斯应用钻石线技术生产的)。这种阀芯对阀芯的线锯机摇摆运动的线可控制线速度Vx,进料速度Vz和线张力T。张力由紧线滑轮控制,由气压力驱动,而摆动如图1中可以看出。导线的切割长度为300英尺(91.4米)。因此,在每一个方向逆转,300英尺的线是从一个线轴转移到其他的线轴。在切割过程中使用的冷却剂包括水和润滑剂Sawzit(合成润滑剂公司的产品),它们的比例为50/1。线锯实验使用了四种不同的金刚石涂层钢线。平均半包括磨粒的角度DWS2是=71度。这个金刚石粒度的镀层钢丝DWS3是金刚石线锯公司的一个产品。涂金刚石砂砾的钢丝DWS4和DWS5是圣戈班磨料磨具公司的产品。DWS4和DWS5是用镍电镀钢制造的。磨粒被贴到电镀。镍层,而核心依然完整。氧化铝陶瓷样品的抗拉强度=300MP,断裂韧性K=4MPam(1/2),杨氏模量电子E=370GPa时,硬度H=22GPa,它用于对加工对象物的切削的测试。切割样品的长度是在1520毫米之间,高度7.1毫米。一组测试完成DWS2的线速度变化Vx=1.3,1.8,2.95,3.5米/秒,线张力变化T=13.3,17.8,22.4,26.7牛,和下料速度变化Vz=5,6.35,10.16微米/秒。为了探讨不同特性对表面质量影响,每个线进行了四次试验,在工艺参数Vx=1.35,2,3,4米/秒,Vz=6.35米/秒,T=13.3N下分别使用电线钢丝DWS3,DWS4和DWS5。图2 线钢丝锯弓角测试用一个28562142像素的数码相机(柯达易购DX7630)来测量丝弓角,其角度如图2。图像的线和样品收集过程如图3。氧化铝陶瓷SEM图像的线锯切割表面的(Vx=1.3米/秒,Vz=5微米/秒,T=13N)试验和分析用数字图像处理(Mathworks公司)获得的角度在导线和水平之间。平均稳态丝弓角的测试,达到了稳定状态丝弓角的要求。2.2 表面粗糙度测量和扫描电镜成像切割表面的表面粗糙度的测定使用非接触式的光学轮廓仪,Zygo公司生产的Zygo新查看6000。10倍的镜头用于测量。轮廓的垂直分辨率是3纳米的分辨率,在水平面上为1.1微米,而视野使用0.70.53毫米。在一个探针测量中,需要连续的轮廓测量每个0.70.53毫米,将这些数据结合在一起成为一个数据集。三针测量,是指测量每个0.73毫米尺寸,常应用在每个样品的切割方向的左中右的切割表面。经过测量后,用版本8.1.5Zygo公司开发的MetroPro软件进行数据处理,施加高通滤波,以除去表面的波状起伏。中心线的算术平均偏离就可以获得最佳拟合平面。三次测量的平均值作为表面粗糙度(Ra)的测试值。图3氧化铝陶瓷的线锯切割表面的SEM图像(Vx=1.3米/秒,Vz=5微米/秒,T=13N)扫描电子显微镜(SEM),JEOLJSM-606LV,用于图像的切割面拓扑。SEM图像的来自中心线的切割表面上,少于一半的样本。由图像可知材料去除的机制是穿晶断裂的。同时,也可以观察到晶间破坏的断裂模式。这两种机制中可以看图3。5毕业设计(论文)文 献 综 述浙江工业大学之江学院毕业设计(论文) 文献综述金刚石线锯切割机综述1 前言 脆性材料,如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等,具有优良、稳定的物理和化学性能耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等,在电子、光学及其它领域得到广泛应用,特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展,需求量不断增加,切割加工量大幅增长,由于硬脆材料硬度高、脆性大,因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序,锯切加工成本约占加工总成本的50以上,因此,切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注,并得到迅速发展1。金刚石线锯切割机是近十几年来获得快速发展的一种硬脆材料切割设备,包括使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构,也可分为往复式和单向线锯。金刚石线锯使用高硬度的金刚石作为磨料,其典型磨粒尺寸为数十个微米,同时具备线锯切割的特点,能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割,且可实现成形加工。随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展,金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点:加工表面损伤小、挠曲变形小,切片薄、片厚一致性好,能切割大尺寸硅锭,省材料、效益高,产量大,效率高等2。2 国内外发展现状2.1 国外线锯切割机概况用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由Mesh于20世纪70年代提出W.Ebner进行了早期线锯加工实验,由一个主动轮鼓和一个从动滑轮组成往复式多线锯的往复式试验机床,金刚石锯的两端绕过滑轮分别固定在轮鼓径向的两端电机驱动轮鼓带动锯丝往复运动。W.Ebner用之进行切割,得到了小于0.4mm的切片厚度。20世纪80年代,出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ100金刚石多线锯进行了硅切片实验,得到的切缝宽度小于0.16mm,表面损伤层深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人则对金刚石线锯的切害特性进行初步实验研究3。 20世纪90年代,尤其是近几年来,金刚石线锯得到了快速发展,对其研究也更为深入。Li等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动,同时压挤磨粒嵌入切削表面,从而形成剥落片屑和表面裂缝,形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用,发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下,据此对磨料的选择进行优化。Kao等人指出在“滚动一嵌入”模型中,磨粒的运动除滚动和嵌入外,还包括刮擦,三者共同形成切削作用。Bhagirat等人则在这个模型中考虑了磨浆的作用并认为,在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内,锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境,用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型,得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数,还得出结论:磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸,是磨粒的流动产生了切削4。Sahoo等人用有限元方法对薄片切割过程中锯丝的振动模型和热应力进行了分析,提出一个反馈控制算法,根据在线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度等参数对切割过程进行控制,最后提出了一种分析、改进锯切工艺的方法。Wei等人对单晶和多晶棒以及陶瓷材料(氧化铝)进行切割实验,建立了一个轴向运动的锯丝振动模型,通过振动仿真研究了锯丝张紧力、切片的池壁效应和磨浆阻尼对锯丝振动幅度的影响并认为,锯丝振动受走丝速度影响很小,研究中还第一次使用莫尔条纹干涉法对切片表面质量进行了高精度测量5。在得到广泛应用的游离磨料线切割加工中,金刚石磨浆的组成特性无疑对切割性能和质量有直接影响,同时也是加工成本和环境污染的主要决定因素。Oishi等人开发了一种适合切割大截面硅片时使用的水溶性冷却剂。Costantini和Caster使用沉积槽和筐式离心过滤机对被微细硅切屑所污染的磨浆进行了分离,取得了较好效果。Nishijima等人对油基磨浆的净化和回收进行了研究并认为,锯丝中的铁质粘附于金刚石磨粒的表面从而降低其切削性能,提出用超导磁体分离器先进行被磁化磨粒的分离,再进行硅粉末的分离,实现磨浆的净化和回收重用6。国外线切割设备生产厂家主要有日本TAKATORI公司,不二越机械工业株式会社,NTC公司以及瑞士的M&B公司,HCT公司,从产品技术角度划分,瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是HCT公司,该公1984年成立以来,专攻线切割机技术,如今已成为业界的技术带头人。TAKATORI公司产品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三种,可用于100mm200mm之间半导体材料的切割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种线切割机产品都属于三轴(导轮)驱动形式,MWS-610SD采用材料向下运动的切割方式。这两种线切割机线丝存线长度不超过150KM。不二越机械工业株式会社线切割机主要有FSW-150型。三轴(导轮)驱动形式,可切150150方形材料(主要针对太阳能光电硅材料切割)存线长度不超过150KM。NTC公司(日平外山公司)主要提供300mm晶圆片线切割机MNM444B和MWM454B两种。三轴(导轮)驱动形式,存线长度达400KM。瑞士M&B公司在原DS260线切割机基础上研制出DS261、DS262、BS800三种机型。其中DS262机型是专为太阳能级硅片切割设计的,该机型一次可切四根单晶棒料。其最大生产效率为一次自动切割过程中能切出圆片4400片。BS800机型是带锯切割方形材料的设备7。M&B公司线切割机主要用于200mm硅圆片和太阳能级硅片的切割加工,四轴导轮驱动形式,大大增强了工作台的承料面积。HCT公司生产的线切割机主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四种,其中E400SD、E500SD两种机型主要用于太阳能级硅片切割加工,最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12适用于半导体圆片加工生产,E500ED-8为200mm设备,E400E-12为300mm设备。HCT公司与M&B线切割机设备主要以四轴导轮驱动形式设计,这样可以增大工作台的面积,增大切割能力8。2.2 国内线锯切割机概况我国半导体切割技术起步较晚,目前国内处于领先水平的是四十五所自主研制开发的DXQ601型多线切割机,具有手动、自动功能模式。界面直接显示线速、张力、被切材料的切割位置和进给速度、砂浆流量。其操作简洁直观,热交换器控制砂浆温度,温度控制准确,保证切片精度。采用主轴电机变频控制方式,张力传感器和伺服电机闭环控制9。樊瑞新和卢焕明对比线锯切割硅片和内圆锯切割硅片的表面切割损伤和损伤层厚度并指出,线切割硅片表面粗糙度大,外表面损伤大,但损伤层的厚度要小于常规内圆锯切割硅片,并讨论了影响线切割硅片表面损伤的原因。毕善斌等人研制了一台往复式金刚石线锯机床。孙建章等人设计了一台往复自旋式电镀金刚石线锯数控切割机,以气缸为驱动装置,步进电机控制锯丝旋转,在二维数控工作台上实现对非金属硬脆材料的切割及曲线加工。高伟对固结磨料的环形金刚石线锯的锯丝制造进行了研究,进行了花岗岩的切割实验,建立了锯切力的理论模型,研究了锯丝失效机理,用有限元模型分析了金刚石颗粒破碎和脱落原因10。国内最早从事太阳能多线切割机开发的是上海日进。上海日进引进日本技术,早在2006年就推出了第一台多线切割样机,样机类似NTC MWM442D。样机在日进内部切割试验结果良好,切除的硅片质量完全合格。但是在客户实际试用的时候,还是遇到了很多的问题,如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差11。湖南宇晶在2006年左右开始研制多线切割机,主要针对水晶切割市场。经过几年的实验和改进后,目前在国内也已经销售出了几十台多线切割机,取得了长足的进步。但是该公司还没有开发出适应太阳能硅片切割的多线切割机12。陕西汉江机床公司展出的4620型数控多线切割机。该机经过多年研制,突破并掌握关键技术而开发成功的大规格高效、高精多线切割设备,最大工件250mm,最大工件长度820mm,最大存线量800km。其解决了高精度排线导轮的多辊同步驱动技术,恒张力控制技术,高精度切割进给伺服控制系统,高精度排线导轮系统的制造及耐用度技术13。中国电子科技集团承担的国家重大科技项目300mm多线切割机研制成功,打破了国内生产线上运行的12英寸多线切割机全部为进口设备的现状,该机将完成商业机型的生产工艺验收。国产切割机无论从品种规格,或性能参数指标各方面,与国外机相比,已缩小了差距,并接近国外水平14。3 研究发展方向从金刚石线锯技术的发展来看,许多突破性技术申请了专利保护,相对机理性研究的滞后而言,工业实践中的应用发展很快。下述为近年来金刚石线锯装备技术发展的几个方面。3.1 磨浆与回收在硅片等贵重材料的精密切割中,减少切缝损失、提高表面质量非常重要。对此,磨浆是一个重要影响因素。理想的磨浆应满足工艺、环境与健康、经济三方面要求,应具有粘度适中、化学性质稳定、清洁力强、易处理、可生物降解、无害、价格低等特点,其总体趋势是使用粒度更小的金刚石磨料,如HLC公司的HS-20型磨浆使用水溶性基浆,使用粒度小于15um的金刚石磨料,具有很好的工艺性。磨浆的回收重用则满足了绿色制造和降低成本的要求。在半导体和光电池切割过程中,磨浆消耗占所有消耗成本的60%,因此各设备制造商纷纷投入磨浆回收设备的研制。HCL公司的ARM系统能去除70%以上的切屑,达到90金刚石磨粒回收率。3.2 大尺寸硅锭加工金刚石线锯多采用多线往复式结构,为满足大截面切片和提高产量的需求,导轮间距、导轮槽数和锯丝长度不断增大,提高了大尺寸硅锭的多件、多片同时切割能力。目前,Diamond Wire Technology部公司生产的金刚石线锯最大已能切割直径45Omm的硅锭。MEY-ERBURGER公司生产的DS262型线锯能同时切割4根长520mm、截面为153mmx153mm或直径为6mm的硅棒,一次切4400片。HCL公司的ESOOED一8型线锯则可同时对6根长500mm、直径3mm的硅棒进行切割,一次切出6000片。3.3 导轮槽加工切片加工中,工件由并排绕于导轮上的多条锯丝同时切割,片厚由导轮上的线槽间距决定。目前的趋势是切片面积越来越大,厚度越来越薄,尤其光电池工业对厚度偏差和总厚度偏差提出了更高的要求,促进新的开槽技术的发展。以前的导轮槽底部圆弧曲率半径大,锯丝定位不准确,增大了总厚度偏差。另外,槽的表面不够光滑,磨浆易于渗入。新的开槽技术固定底部半径50um,槽的斜面粗糙度达到N5(RaO0.2一0.4um),整个槽为一次加工成形,精度较高。目前,已经能得到厚度为140um的太阳能电池切片。3.4 切割力测量与控制切割力的大小影响切片加工的效率和表面质量,Diamond Wire Technology公司使用电容传感器对锯丝挠度进行非接触在线测量,通过换算得到切割力的大小,并采用摇动机构控制切割过程中(切割圆柱时)锯丝对工件的接触长度,使得接触长度较小且保持一致,实现恒定小切削力切割,有利于提高表面质量。3.4 金刚石固结技术固结金刚石线锯主要有两种:一种是将金刚石磨粒电镀于钢丝上,另一种则是直接将磨粒滚压嵌入到钢丝中。滚压嵌入的方法降低了钢丝的强度,并不常见。而传统的镍镀技术只能得到数公里长的锯丝,因此电镀金刚石线据发展缓慢。近年来,新的电镀技术突破了这一极限,金刚石线锯逐渐进入实用阶段。日本的A.L.M.T公司利用其专利技术生产出了100km长的电镀金刚石锯丝15。4 总结超硬材料行业除了重视金刚石线锯的研究之外,更要大力投入切割设备的研究,因为两者是密不可分的。当然,硬脆材料切割设备是高精密设备,除了设计之外,还要,还要配以高精密机械制造装备和高水平的机加工,才能保证设备的制造质量和技术性能指标。才能保证设备的制造质量和技术性能指标。超硬材料行业应该为我国半导体产业和光伏产业的发展,为减少硅材料消耗,降低制造成本,解决生产中的关键,打破当前国外设备的垄断局面,做出更大的贡献。C1参考文献1 孙建章,吕玉山,刘兴文往复自旋式电镀金刚石丝锯数控切割机的设计研究J机械设计与制造,2003(8):52-542 郑超硅片切割设备现状与发展综述J超硬材料论坛论文集,2011(1):191-1963 肖天元,韩向利虚拟制造技术JCAD工程设计及自动化2007(4):49-544 Bhagirat M. 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Kao I. et alTowards an intergraded approach for analysis and design of water slicing by a wire saw,1998(2):120-1247 孙恒等机械原理M北京:高等教育出版社,19958 康子丰大直径硅片加工技术J电子工业专用设备,1997(11):4-69 靳永吉DXQ一601型多线切割机关键技术研究J电子工业专用设备,2008(4):15-l810 朱天虎积极发展适合我国国情的虚拟制造技术J机电产品开发与创新,2008,7(1):38-40 11 解振华,魏听,黄蕊慰,熊伟半导体晶片的金刚石工具切割技术J金刚石与磨料磨具工程,2004 (1):60-6312 仲康IC业材料切割设备发展状况J电子工业专用设备,2002,13(3):31-3713 吕智,郑超固结金刚石线锯技术J超硬材料论坛论文集,2011(11):186-19214 官忠范液压传动系统M北京:机械工业出版社,199915 唐春华电镀金刚石工具工艺J电镀与涂饰,2004(5):53-5916 张波,刘文涛,胡晓冬,李伟线锯切割技术的应用与发展J超硬材料工程,2008(12):20-23毕业设计(论文)开 题 报 告1浙江工业大学之江学院毕业设计(论文) 开题报告1 选题的背景和意义1.1 选题的背景脆性材料,如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等,具有优良、稳定的物理和化学性能耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等,在电子、光学及其它领域得到广泛应用,特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展,需求量不断增加,切割加工量大幅增长,由于硬脆材料硬度高、脆性大,因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序,锯切加工成本约占加工总成本的50以上,因此,切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注,并得到迅速发展1。金刚石线锯切割机是近十几年来获得快速发展的一种硬脆材料切割设备,包括使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构,也可分为往复式和单向线锯。金刚石线锯使用高硬度的金刚石作为磨料,其典型磨粒尺寸为数十个微米,同时具备线锯切割的特点,能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割,且可实现成形加工。随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展,金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点:加工表面损伤小、挠曲变形小,切片薄、片厚一致性好,能切割大尺寸硅锭,省材料、效益高,产量大,效率高等2。1.2 国内外研究现状及发展趋势用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由Mesh于20世纪70年代提出W.Ebner进行了早期线锯加工实验,由一个主动轮鼓和一个从动滑轮组成往复式多线锯的往复式试验机床,金刚石锯的两端绕过滑轮分别固定在轮鼓径向的两端电机驱动轮鼓带动锯丝往复运动。W.Ebner用之进行切割,得到了小于0.4mm的切片厚度。20世纪80年代,出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ100金刚石多线锯进行了硅切片实验,得到的切缝宽度小于0.16mm,表面损伤层深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人则对金刚石线锯的切害特性进行初步实验研究3。20世纪90年代,尤其是近几年来,金刚石线锯得到了快速发展,对其研究也更为深入。Li等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动,同时压挤磨粒嵌入切削表面,从而形成剥落片屑和表面裂缝,形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用,发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下,据此对磨料的选择进行优化。Kao等人指出在“滚动一嵌入”模型中,磨粒的运动除滚动和嵌入外,还包括刮擦,三者共同形成切削作用。Bhagirat等人则在这个模型中考虑了磨浆的作用并认为,在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内,锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境,用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型,得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数,还得出结论:磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸,是磨粒的流动产生了切削4。Sahoo等人用有限元方法对薄片切割过程中锯丝的振动模型和热应力进行了分析,提出一个反馈控制算法,根据在线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度等参数对切割过程进行控制,最后提出了一种分析、改进锯切工艺的方法。Wei等人对单晶和多晶棒以及陶瓷材料(氧化铝)进行切割实验,建立了一个轴向运动的锯丝振动模型,通过振动仿真研究了锯丝张紧力、切片的池壁效应和磨浆阻尼对锯丝振动幅度的影响并认为,锯丝振动受走丝速度影响很小,研究中还第一次使用莫尔条纹干涉法对切片表面质量进行了高精度测量5。在得到广泛应用的游离磨料线切割加工中,金刚石磨浆的组成特性无疑对切割性能和质量有直接影响,同时也是加工成本和环境污染的主要决定因素。Oishi等人开发了一种适合切割大截面硅片时使用的水溶性冷却剂。Costantini和Caster使用沉积槽和筐式离心过滤机对被微细硅切屑所污染的磨浆进行了分离,取得了较好效果。Nishijima等人对油基磨浆的净化和回收进行了研究并认为,锯丝中的铁质粘附于金刚石磨粒的表面从而降低其切削性能,提出用超导磁体分离器先进行被磁化磨粒的分离,再进行硅粉末的分离,实现磨浆的净化和回收重用6。国外线切割设备生产厂家主要有日本TAKATORI公司,不二越机械工业株式会社,NTC公司以及瑞士的M&B公司,HCT公司,从产品技术角度划分,瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是HCT公司,该公1984年成立以来,专攻线切割机技术,如今已成为业界的技术带头人。TAKATORI公司产品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三种,可用于100mm200mm之间半导体材料的切割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种线切割机产品都属于三轴(导轮)驱动形式,MWS-610SD采用材料向下运动的切割方式。这两种线切割机线丝存线长度不超过150KM。不二越机械工业株式会社线切割机主要有FSW-150型。三轴(导轮)驱动形式,可切150150方形材料(主要针对太阳能光电硅材料切割)存线长度不超过150KM。NTC公司(日平外山公司)主要提供300mm晶圆片线切割机MNM444B和MWM454B两种。三轴(导轮)驱动形式,存线长度达400KM。瑞士M&B公司在原DS260线切割机基础上研制出DS261、DS262、BS800三种机型。其中DS262机型是专为太阳能级硅片切割设计的,该机型一次可切四根单晶棒料。其最大生产效率为一次自动切割过程中能切出圆片4400片。BS800机型是带锯切割方形材料的设备。M&B公司线切割机主要用于200mm硅圆片和太阳能级硅片的切割加工,四轴导轮驱动形式,大大增强了工作台的承料面积。HCT公司生产的线切割机主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四种,其中E400SD、E500SD两种机型主要用于太阳能级硅片切割加工,最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12适用于半导体圆片加工生产,E500ED-8为200mm设备,E400E-12为300mm设备。HCT公司与M&B线切割机设备主要以四轴导轮驱动形式设计,这样可以增大工作台的面积,增大切割能力7。我国半导体切割技术起步较晚,目前国内处于领先水平的是四十五所自主研制开发的DXQ601型多线切割机,具有手动、自动功能模式。界面直接显示线速、张力、被切材料的切割位置和进给速度、砂浆流量。其操作简洁直观,热交换器控制砂浆温度,温度控制准确,保证切片精度。采用主轴电机变频控制方式,张力传感器和伺服电机闭环控制。樊瑞新和卢焕明对比线锯切割硅片和内圆锯切割硅片的表面切割损伤和损伤层厚度并指出,线切割硅片表面粗糙度大,外表面损伤大,但损伤层的厚度要小于常规内圆锯切割硅片,并讨论了影响线切割硅片表面损伤的原因。毕善斌等人研制了一台往复式金刚石线锯机床。孙建章等人设计了一台往复自旋式电镀金刚石线锯数控切割机,以气缸为驱动装置,步进电机控制锯丝旋转,在二维数控工作台上实现对非金属硬脆材料的切割及曲线加工。高伟对固结磨料的环形金刚石线锯的锯丝制造进行了研究,进行了花岗岩的切割实验,建立了锯切力的理论模型,研究了锯丝失效机理,用有限元模型分析了金刚石颗粒破碎和脱落原因。国内最早从事太阳能多线切割机开发的是上海日进。上海日进引进日本技术,早在2006年就推出了第一台多线切割样机,样机类似NTC MWM442D。样机在日进内部切割试验结果良好,切除的硅片质量完全合格。但是在客户实际试用的时候,还是遇到了很多的问题,如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差。湖南宇晶在2006年左右开始研制多线切割机,主要针对水晶切割市场。经过几年的实验和改进后,目前在国内也已经销售出了几十台多线切割机,取得了长足的进步。但是该公司还没有开发出适应太阳能硅片切割的多线切割机。陕西汉江机床公司展出的4620型数控多线切割机。该机经过多年研制,突破并掌握关键技术而开发成功的大规格高效、高精多线切割设备,最大工件250mm,最大工件长度820mm,最大存线量800km。其解决了高精度排线导轮的多辊同步驱动技术,恒张力控制技术,高精度切割进给伺服控制系统,高精度排线导轮系统的制造及耐用度技术。中国电子科技集团承担的国家重大科技项目300mm多线切割机研制成功,打破了国内生产线上运行的12英寸多线切割机全部为进口设备的现状,该机将完成商业机型的生产工艺验收。国产切割机无论从品种规格,或性能参数指标各方面,与国外机相比,已缩小了差距,并接近国外水平8。2 研究的基本内容研究的毕业设计所做的课题为金刚石线锯切割机设计,要求设计金刚石线锯切割机整体结构和各个部件的选用、布局,改善其性能,从结构方面分析,对其机床结构进行设计。2.1 基本框架(1)金刚石线锯切割机的原理分析;(2)金刚石线锯切割机床的总体结构设计;(3)传动系统和工作台的设计;(4)张力调整装置设计2.2 拟解决的关键问题本课题是围绕着金刚石线锯切割机整体结构来进行系统设计的。主要的重点和难点为:(1)机床需完成线锯的直线往复运动。(2)工作台需可沿X方向和Y方向的移动。(3)对切割机导轨平台、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构设计。(4)实现金刚线与工件精确点接触切割,使其具有工作平稳、噪声低、切割精度高等优点。3 研究的方法及措施课题的研究主要以理论研究为主,对金刚石线锯切割机床进行结构分析,确定其结构布局以及各部件选用。内容如下:(1)金刚石线锯切割机的原理分析和总体结构设计把一根细长的钢丝绳缠绕在排线轮上,钢丝两头分别由放线机构与收线机构拉紧。在收放线机构与排线轮之间装有若干张力控制轮用以控制钢丝的刚度。排线轮高速正反向有节奏地旋转,实现钢丝往复运动。设备配有切割液喷洒系统,由压缩泵提供动力。切割液由表面活性剂、碳化硅磨料和油基添加剂配制而成。切割时,切割液喷洒到硅棒刀口和钢丝线上,切割进给机构均匀运动,把硅棒压向高速往复运动的钢丝,切出一组符合要求的高质量硅片。金刚石线锯切割机的总体结构设计如图3.1。1床身;2X,Y工作台;3导向轮;4金刚石切割微线;5绕线轮;6张紧轮;7滚筒;8切削液图3.1 金刚石线锯切割机的总体结构示意图(2)传动系统和工作台的设计设计的切割机床的主传动系统采用步进电机驱动,步进电机带动金刚石线锯框架沿垂直燕尾形导轨上下滑动,工作台运动机构由固定在机床上的步进电机及滚珠丝杠和直线导轨组成,机床的传动系统:工件安装在工作台上,工作台沿纵、横2个坐标轴运动,可同时达到平面曲线的任意一点,实现切割运动轨迹的控制。X,Y坐标工作台用来装夹工件,X轴和Y轴由控制箱发出进给信号,分别控制两个步进电机,进行预定的加工。其主要由滑块、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构几部分分组成,如图3.2。图3.2金刚石切割机床传动图(3)张力调整装置设计在加工过程中,线锯会因为热伸长和损耗等导致线锯张力下降。如果线锯张力不恒定,随着张力的减小或增大线锯的理论位置与实际切割时位置(动态平衡位置)的偏移量不恒定。从而造成加工尺寸误差、切割表面凸凹不平等。在没有恒张力机构辅助工作时,加工过程中线锯忽紧忽松,张力随时发生变化。因此,在金刚石线切割加工中线锯的恒张力的控制对加工具有重要的意义。用于线切割机的自动张力调整装置,目前从原理上可分为两种:一种是靠弹簧的作用,以变力紧丝,该装置包括一组导轮和个弹簧紧丝装置;另一种是由重力块作用,以恒力紧丝。该装置包括一组导轮和一个重力块。本设计研制了一种结构简单、灵敏可靠、体积小的张力凋整装置,如图3.3所示。1导向套;2定位架;3导轨盒;4弹簧;5导向压杆;6压轮;7辅助导向器;8位置调整机构;9下导向器图3.3自动张丝装置的结构图4 预期成果通过分析,解决金刚石线锯切割机整体结构设计和各个部件选用、布局,改善金刚石线锯切割机的性能。此设计从以下几个方面着手:(1)介绍金刚石线锯切割机发展的国内外现状,研究方向,进展情况,存在问题;(2)对切割机导轨平台、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构设计;(3)实现金刚线与工件精确点接触切割,使其具有工作平稳、噪声低、切割精度高等优点。完成部件零件图及整体装配图,完成设计说明书(论文)5 研究工作进度计划2012.11.01-2012.12.25 准备和阅读资料、完成外文翻译、文献综述及开题报告;2013.01.01-2013.01.05 完成文献综述的修改、定稿;开题答辩;2013.01.17-2013.04.04 机构分析与校核计算;2013.04.07-2013.04.25 机械装配图绘制;2013.04.28-2013.05.12 机械零件图绘制,论文及设计说明书撰写;2013.05.13-2013.05.20 成稿、修改、装订,准备答辩。1参考文献1 孙建章,吕玉山,刘兴文往复自旋式电镀金刚石丝锯数控切割机的设计研究J机械设计与制造,2003(8):52-542 郑超硅片切割设备现状与发展综述J超硬材料论坛论文集,2011(1):191-1963 肖天元,韩向利虚拟制造技术JCAD工程设计及自动化2007(4):49-544 Bhagirat M. Prasad V.Kao I.elasto-hydyodynamicInteraction in the free abrasive water slicing using a wire saw: modeling and finite element analysis,2000(1):122-1245 Wei sHigh-Resolution Wafter Surface Topology Measurement and Vibration Analysis in Modern Wiresaw Manufacturing,2001(1):89-946 Sahoo R K . Prasad V. Kao I. et alTowards an intergraded approach for analysis and design of water slicing by a wire saw,1998(2):120-1247 孙恒等机械原理M北京:高等教育出版社,19958 康子丰大直径硅片加工技术J电子工业专用设备,1997(11):4-6
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