多线锯振动辅助工程装置开发及实验研究
本文是工程硕士论文，工程硕士论文是学术作品，因此其表述要严谨简明，重点突出，专业常识应简写或不写，做到层次分明、数据可靠、文字凝练、说明透彻、推理严谨、立论正确，避免使用文学性质的或带感情色彩的非学术性语言。论文中如出现一个非通用性的新名词、新术语或新概念，需随即解释清楚。（以上内容来自百度百科）今天硕博网为大家强烈推荐一篇工程硕士论文，供大家参考。第 1 章 绪 论1.1 课题的研究背景和意义随着全球高科技产业的迅猛发展，电子工业成为事关整个国民经济、国防建设、信息安全、科技发展的战略性产业。硅片切割是电子工业生产的关键技术，其切割的质量与规模直接影响整个产业链的后续生产，对硅片的需求主要表现在集成电路和太阳能光伏发电等半导体产业上。如图 1-1 所示，圆形的为集成电路硅片，方形的为太阳能硅晶片。集成电路（IC）是现代信息产业和信息社会的基础，是现代信息技术设备的核心元件，广泛应用在通信设备、计算机、工业自动化设备等领域，和我们的生产、生活密切相连，改变了产业结构和经济结构，已成为衡量一个国家实力和技术进步的重要标志[1]。在集成电路产业中，硅集成电路占半导体生产的 90%以上，集成电路的发展离不开高表面质量、高完整度、高精度的硅晶片[2]。随着集成电路产业的不断发展，功能不断升级，大直径的硅片需求量越来越大，对硅片切割的厚度、表面质量和加工效率的要求也越来越高。此外，随着世界各国对能源需求的不断增长，传统化石能源已经不能满足人们日益增长的需求，并且过度的开采、使用化石燃料会加速环境污染。绿色、可再生能源的开发、利用是解决人类能源危机的必然之路，太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，具有巨大的开发价值。近 10 年以来，全球光伏产业得到了极其迅猛的发展，太阳能光伏电池组件年产量增长了 9 倍，如图 1-2 所示为从 2009 年到 2021 年全球光伏装机容量增长量及发展趋势图[3-4]。从图 1-2 中可以看出，2021 年之前全球光伏产业发展迅猛，由于金融危机及欧洲市场表现低迷，2021 年全球光伏装机容量增长率出现下降，但随着政策调整及新兴市场对光伏产业需求增长，其新增装机容量呈稳步增长趋势。我国自2008 年之后，太阳能电池产量居世界第一，已经成为世界光伏电池制造的中心。目前，我国正在加大太阳能方面的建设和利用，2021 年至 2021 年，年均新增光伏发电装机容量 1000 万 W左右，到 2021 年总装机容量达到 1 亿 W以上[5]。国家政策的大力支持，将会推动中国太阳能光伏发电产业的快速健康发展，商业化太阳能利用也已成为发展的必然趋势。..........1.2 硅片切割技术硅片切割是硅片加工的关键工序，其加工方式和所采用的加工技术将直接影响加工效率和加工质量。对于切片工艺技术的原则要求是[10]：（1）切割精度及表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。（2）断面完整性好，无刀痕、拉丝和微裂纹。（3）成品率高，切缝校，原材料损耗低。（4）切割效率高，实现自动化切割。硬脆材料切割技术按其技术特征，大体可分为三个主要阶段：外圆切割技术、内圆切割技术和线切割技术[11-16]。外圆切割方式是通过夹持在高速旋转主轴上的薄片金刚石砂轮，对沿着切刀旋转的径向方向进给的硅棒进行切割，外圆切割中，刀刃在片状圆盘切刀的外圆部分，其结构如图 1-3 所示。随着硅片加工尺寸的增大，外圆切刀容易产生变形和侧向摆动，影响切割质量，其硅片切割直径被限制在 100mm 以内，很快被内圆切割技术所代替[11]。..........第 2 章 振动作用下多线切割加工理论分析2.1 引言硅作为一种硬脆性材料，与金刚石晶格结构类似，具有高硬度、高耐磨性、高脆性等性能。硅的硬度高且方向性强，不容易发生塑性变形，但是硅晶体抗剪应力较差，在加工过程中，当多晶硅晶体承受较大的抗剪应力时，硅片就容易产生破损[27]。同时，硅晶体作为硬脆性材料，机械切割过程中，硅晶体表面容易产生机械损伤层，由于硅片自身存在的物理性质，对其加工工艺提出相当高的要求。...........2.2 游离磨料线锯材料移除理论硅晶片多线切割机的切割原理是：以高速运动的钢线为载体，SiC 颗粒作为切割刃，在钢线带动下，SiC 颗粒高速运动，实现对硅锭的切割加工，通过多线缠绕，一次加工可以将硅棒切割成数百片。对于游离磨料线切割硅片的材料去除机理，通过研究得出两种不同的模型，即游离磨料的滚动压痕加工模型和弹性一流体动力学模型。（1）滚动压痕加工模型游离磨料切割硅片，其加工过程是高速运动的切割线，带动砂浆中的磨料到达待切割区域，通过磨粒对工件加工表面进行滚动压痕作用或者刮擦压痕作用来实现材料的去除。模型中忽略砂浆的流体效果仅将它作为运送碳化硅磨粒的一种介质，主要去除方式是切割钢线将 SiC 颗粒直接压在硅锭表面，随着切割线的高速运动，SiC 颗粒在硅锭表面会产生滚动或滑动，实现对硅晶材料塑性或脆性去除，随着工件的进给，逐步实现对硅晶体的切割[28]。在加工过程中 Si 材料，SiC 磨粒和线，三者相互挤压磨损，故称之为三体磨损，如图 2-1 所示。在压力的作用下，SiC 磨粒压入材料，在材料表面形成垂直方向的裂纹，同时在线的带动下，磨粒转动使裂纹向水平方向拓展，在无数磨粒的反复作用下，裂纹拓展到材料表面形成切屑[17]。美国纽约州立大学 ao 等[23]进行了游离磨料线锯切割机理研究，认为游离磨粒线切割是三体磨损的环境，SIC 磨粒夹杂在切割线与工件之间，磨粒在切割线的压力下嵌入到工件中，并在切割线的高速带动下产生滚动、滑动，对工件进行划擦，随着线的进给逐渐完成对材料的去除。Li 等也得到了类似的结论，线锯在切割时，磨粒不直接与工件接触，主要靠切割线传导在磨粒上的法向和切向力对工件进行去除，在压力较小的情况下，工件表面只产生弹性变形，当压力达到一定程度，磨粒就会压入工件，在其表面产生微裂纹，随着切割次数和深度的增加，实现材料的去除[28]。............第 3 章 振动辅助装置开发及仿真 ........233.1 引言 ....233.2 偏心振动台的设计及仿真....233.3 液压振动台的设计及仿真....313.4 本章小结 ....40第 4 章 振动辅助多线切割试验研究 ....414.1 实验机床 ....414.2 实验材料 ....424.3 激光位移传感器测试实验....444.5 走线速度及振动对切割效率的影响 ....534.6 工艺参数及振动对表面粗糙度的影响 ........554.7 本章小结 ....61第 5 章 结论与展望 ........635.1 结论 ....635.2 创新点 ........645.3 展望 ....64第 4 章 振动辅助多线切割试验研究4.1 实验机床实验采用 ZGD100A 多线切割机，机床由排线系统、导轮系统、线张力控制装置、收放线系统、进给系统、供浆系统、加工系统、控制系统、振动系统等组成。实物如图4-1 所示，其性能参数如表 4-1 所示。ZGD100A 型多线切割机走线速度调节范围 0~6m/s，并且可以通过控制面板实时显示、调节走线速度，其具有张力反馈装置可实现恒张力闭环控制，确保切割稳定。加工过程中，磨料通过切削液的喷射装置将包含磨粒的砂浆高效的注入到加工区域，完成对工件的切割。单晶硅具有金刚石晶格结构，质硬而脆，不容易切割，其基本参数[47]见表 4-2(a)，实验中工件一般采用粘连的方式固定在工作台上，棒状的硅晶体不容易固定，切割工程中容易产生偏移甚至脱落。9 光学玻璃，属于硬脆性材料，其热膨胀系数低，耐温性好，化学性能稳定，相比普通玻璃有更好的机械性能，与单晶硅物理性质上有一定相似性，并且其通透好，可以很好的用在不同工况下测量带浆宽度的实验中。
.........结论本文在国内外学者研究的基础上，对振动辅助多线切割技术进行了深入研究，开发设计了用于中频振动的液压振动台及低频振动的偏心振动台，并搭建了振动辅助多线锯实验装置，探究中低频振动、走线速度、进给对切割效率及加工表面质量的影响，得出以下相关结论：（1）基于单颗磨料对硬脆材料切割的受力分析，将振动作用引入到碳化硅磨粒切割模型中，计算出在振动作用下单颗磨粒在单位时间内去除体积。通过计算，推导出切割速度增长率的公式，运用 MATLAB 软件对公式进行仿真，得到 0~80000Hz 内对应的切割速度增长率的图像。（2）根据实验要求，完成了对液压振动台及偏心振动台的结构设计和材料选型，最后完成生产制造。通过 ANSYS 软件对液压振动台及偏心振动台进行模拟仿真，包括模态分析和谐响应分析。液压振动台的应力、形变最大值，出现在弹性端周边凹槽内和弹性端上端面中心位置处，有利于竖直方向的振动，符合结构设计要求。对低阶振型的最大形变及位移出现在轴承和电机部位，对稳定性及精度要求较高的导柱形变量十分小，可以很好的满足施加竖直方向振动的设计要求。（3）通过激光位移传感器实验，在振动频率较低的情况下，液压振动台可以很好的满足实验要求，但随着振动频率的升高，导致油压降低，振幅下将比较明显。偏心振动台，其振动波形近似与正弦，且振幅稳定，可以很好的满足实验要求。（4）通过高速摄像机拍摄切割过程的带浆宽度，并对振动作用下的带浆宽度与普通现实下的带浆宽度进行对比。得出竖直方向的振动作用，可以有效的提升切割线的带浆作用，在一定程度上，带浆宽度随振动频率的增加而增加；随着振幅的增加，其带浆宽度先增加后减小。（5）在一定范围内，走线速度的增加可以有效提升切割线的带浆作用，并且使单位时间内单颗磨粒的有效切割次数增加，提升切割效率，改善表面质量。但当走线速过大时，切割线承载砂浆的能力趋于饱和，造成砂浆飞溅，其切割效率反而有所降低。（6）在竖直方向添加中、低频振动，能够优化磨粒的运动轨迹，并且使磨料具有集聚作用，参与有效切割的磨料数增多，提升多线切割效率。低频振动由于偏心振动台输出的振幅输出比较稳定，在 0~25Hz 范围内施加振动，切割效率增长量比较稳定；中频振动由于液压振动台随振动频率变化，输出的振幅值变动较大，切割效率增长量波动较大。..........参考文献（略）