（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）金剛石線鋸切割sic的加工質(zhì)量研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rm a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h em a c h i n i n gq u a l i t yo fs i c s l i c e db yd i a m o n dw i r es a w c a n d i d a t e ：h e d o n g p u s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y s u p e r v i s o r ：p r o f m e n gj i a n f e n g s h a n d o n gu n i v e r s i t y m a y ，2 0 10 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：砸逸 日 期： 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的f i j i i i j 件和 電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論 文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印 或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：碰導(dǎo)師簽名：j 垂絲搓孥日 期： 目錄 目錄 中文摘要1 a b s t r a c t ：； 第1 章緒論1 1 1 本課題研究目的與意義1 1 2 切片技術(shù)研究現(xiàn)狀2 1 2 1 金剛石內(nèi)圓切片技術(shù)2 1 2 2 游離磨料線鋸切片技術(shù)3 1 2 3 固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)3 1 3 硬脆材料鋸切去除機(jī)理和j j n - r 質(zhì)量研究現(xiàn)狀4 1 3 1 脆性材料去除機(jī)理研究5 1 3 2 磨粒載荷研究現(xiàn)狀6 1 3 3 鋸切加工質(zhì)量研究現(xiàn)狀7 1 3 3 1 鋸切粗糙度研究現(xiàn)狀8 1 3 3 2 鋸切裂紋產(chǎn)生研究現(xiàn)狀9 1 4 鋸切s i c 晶體加工質(zhì)量研究現(xiàn)狀1 0 1 5 本課題研究的主要內(nèi)容1 0 第2 章金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)設(shè)計(jì)1 3 2 1 線鋸切割試驗(yàn)1 3 2 1 1 環(huán)形線鋸切割硬脆材料的試驗(yàn)設(shè)備1 3 2 1 2 鋸切工藝參數(shù)1 5 2 2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集1 5 2 2 1 材料去除和損傷與試驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系1 5 2 2 2 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)1 6 2 3 表面質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)1 8 2 3 1 表面粗糙度測(cè)量1 8 2 3 2 表面微觀形貌及亞表面損傷測(cè)量1 8 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 本章小結(jié)1 8 第3 章s i c 晶體鋸切加工質(zhì)量分析2 1 3 1 線鋸切割s i c 表面微觀形貌分析2 1 3 1 1 表面微觀形貌分析試驗(yàn)參數(shù)選擇2 1 3 1 2 微觀形貌分析2 2 3 2 線鋸切割s i c 表面粗糙度比較2 3 3 2 1 表面粗糙度分析試驗(yàn)參數(shù)選擇2 3 3 2 2 表面粗糙度分析2 4 3 2 2 1 表面粗糙度與鋸絲速度的關(guān)系2 4 3 2 2 2 表面粗糙度與的恒進(jìn)給力關(guān)系2 5 3 3 線鋸切割s i c 表面微裂紋2 6 3 3 1 表面微裂紋分析試驗(yàn)參數(shù)選擇2 6 3 3 2 表面裂紋分析j 2 6 3 4 線鋸切割s i c 晶體的鋸切效率2 8 3 4 本章小結(jié)2 9 第4 章鋸切力分析及鋸切載荷模型建立3 1 4 1 線鋸切割s i c 晶體鋸切力分析3 1 4 1 1 鋸絲速度對(duì)s i c 鋸切力的影響3 2 4 1 2 恒進(jìn)給壓力大小對(duì)s i c 鋸切力的影響3 3 4 1 3 不同材料的鋸切加工難易程度3 4 4 2 鋸切應(yīng)力模型分析3 5 4 2 1 線鋸單顆磨粒應(yīng)力場(chǎng)3 6 4 2 2 鋸切作用磨粒模型建立3 7 4 3 單顆磨粒鋸切力與總鋸切力的關(guān)系3 8 4 4 本章小結(jié)4 0 第5 章s i c 晶體鋸切表面裂紋研究4 3 5 1s i c 材料特征和內(nèi)部裂紋缺陷4 3 5 2 硬脆材料加工裂紋產(chǎn)生4 4 目錄 5 2 1 機(jī)械加工中裂紋產(chǎn)生4 5 5 2 2 裂紋系統(tǒng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子4 6 5 2 3 材料在單顆磨粒作用下的應(yīng)力狀態(tài)分析4 7 5 3 裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展的有限元分析方法4 8 5 3 1 裂紋擴(kuò)展的判定4 8 5 3 2 有限元分析裂紋擴(kuò)展5 1 5 4 鋸切s i c 表面裂紋長(zhǎng)度計(jì)算分析5 2 5 4 1 中位裂紋長(zhǎng)度分析5 3 5 4 2 橫向裂紋深度和表面粗糙度分析5 6 5 5 鋸切s i c 表面裂紋的降低措施5 8 5 6 本章小結(jié)! 5 8 總結(jié)與展望6 1 參考文獻(xiàn)6 3 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文6 7 致謝6 8 山東人學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 中文摘要 s i c 是第三代半導(dǎo)體材料的核心之一，廣泛用于制作電子器件，其加工質(zhì)量 和精度直接影響到器件的性能。s i c 晶體硬度高，屬于難加工材料，選擇合適的加 工方式及工藝參數(shù)對(duì)提高s i c 晶體加工效率及質(zhì)量有重要意義。本文提出利用環(huán) 形固結(jié)金剛石線鋸鋸切s i c 這一新技術(shù)，該鋸切技術(shù)具有切縫窄、效率高、切片 質(zhì)量好和能加工大直徑工件和超硬材料等有點(diǎn)，逐漸應(yīng)用在硬脆材料的切割工藝 中。 本論文對(duì)環(huán)形電鍍金剛石線鋸切割s i c 晶體材料鋸切裂紋機(jī)理和加工質(zhì)量進(jìn) 行了研究，建立了磨粒鋸切力與鋸絲鋸切力的關(guān)系，提出了有限元分析裂紋擴(kuò)展 方法并對(duì)鋸切表面裂紋深度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。所作的主要工作和取得的主要成果有： ( 1 ) 總結(jié)線鋸切割的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，以及硬脆材料鋸切去除機(jī)理和加工質(zhì) 量研究現(xiàn)狀。選取不同的鋸絲速度和恒進(jìn)給壓力等鋸切工藝參數(shù)進(jìn)行了環(huán)形電鍍 金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)鋸切力和鋸切效率。 ( 2 ) 研究了s i c 晶體在不同工藝參數(shù)下的金剛石鋸切質(zhì)量和鋸切效率。通過(guò) 試驗(yàn)結(jié)果分析s i c 晶體表面形貌、裂紋損傷和表面粗糙度隨鋸切工藝參數(shù)的變化 情況。 ( 3 ) 分析鋸切s i c 試驗(yàn)中能夠反映鋸切難度的法向、切向鋸切力及其比值并 對(duì)比已有的單晶硅鋸切試驗(yàn)，得出提高鋸絲速度及恒進(jìn)給壓力的大小都可以較小 程度上降低s i c 的鋸切難度，硬度更高的s i c 晶體的加工難度更大?？紤]磨粒在 鋸絲表面的非連續(xù)性分布，建立了單顆磨粒鋸切力與鋸絲總體鋸切力的關(guān)系。 ( 4 ) 利用壓痕斷裂力學(xué)理論分析單顆磨粒作用下硬脆材料裂紋的產(chǎn)生，建立 了單顆磨粒應(yīng)力場(chǎng)和影響鋸切裂紋的鋸絲應(yīng)力場(chǎng)。提出利用有限元的方法分析解 決鋸切表面裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的計(jì)算方法，為模擬鋸絲整體作用下s i c 晶體材料鋸 磨去除和裂紋產(chǎn)生做好了準(zhǔn)備。 ( 5 ) 根據(jù)鋸切材料的去除和損傷情況，建立了鋸切s i c 表面裂紋預(yù)測(cè)的理論 模型。建立了鋸切s i c 表面裂紋深度與鋸切力之間、表面粗糙度與鋸切力之間的 理論關(guān)系，用于預(yù)測(cè)鋸切s i c 晶體表面損傷。根據(jù)鋸切材料去除和損傷機(jī)理提出 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 高線鋸s i c 晶體切割質(zhì)量的有效途徑。 鍵詞金剛石線鋸；s i c ；表面裂紋；加工質(zhì)量 u s e df o re l e c t r o n i cd e v i c e s ，w i t ht h em a c h i n i n gq u a l i t ya n dp r e c i s i o nd i r e c t l y i n f l u e n c i n gp r o p e r t i e so ft h ee l e c t r o n i cd e v i c e s c h o o s i n gs u i t a b l ep r o c e s s i n gm e t h o d a n dp a r a m e t e r si se s s e n t i a lt oi m p r o v et h em a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fs i c c r y s t a l ，s i n c et h es i cc r y s t a lh a sah i g hh a r d n e s sa n db e l o n g st od i f f i c u l t - t o - m a c h i n e m a t e r i a l s 1 1 1 i st h e s i sr e f e r st 0an e wf i x e da b r 雒i v ed i 鋤0 n d 桃s a wt e c l l l l 。1 。g y w h i c hp r o c e s s e st h ea d v a n t a g e so ft h i nk e 吒l l i g he f f i c i e n c y , g o o dq u a l i t y , a n da b i l i t yt o m a c h i n eh a r d e rb r i t t l ea n db i g g e rd i m e n s i o nm a t e r i a l sa n di sa p p l i e df o rt h em a c h i n i n g o fh a r d b r i t t l em a t e r i a l sg r a d u a l l y i tw a sr e s e a r c h e dt h a tt h es u r f a c ec r a c kf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h em a c h i n i n g q u a l i t yo fs i cc r y s t a lm a t e r i a l sb e i n gs a w e da n dg r i n d e db ye n d l e s se l e c t r o p l a t e d d i a m o n dw i r es a wi nt h i sp a p e r , a sw e l la st h ef o u n d a t i o no fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s a w i n gf o r c e so fa b r a s i v ea n dw i r es a w , t h ep r o p o s a lo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y z i n g t h ec r a c ke x t e n s i o n ，a n dt h ep r e d i c t i o no fc r a c kd e p t hi ns a w i n gs u r f a c e t h er e s e a r c h w o r ka n dr e s u l t sa r eg i v e ni nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ea d v a n t a g e sa n dr e s e a r c hs t a t u so fw i r es a ww e r es u m m a r i z e d ，a sw e l la s the r e m o v a lm e c h a n i s ma n dm a c h i n i n gq u a l i t yo fh a r d - b r i t t l em a t e r i a l sb e i n gs a w e d c h o o s i n gd i f f e r e n ts a w i n gp a r a m e t e r ss u c ha sw i r es a ws p e e da n dc o n s t a n tf e e d i n g p r e s s u r e ，t h ee n d l e s sd i a m o n dw i r es a wc u t t i n gs i cc r y s t a lw e r ee x p e r i m e n t a l i z e d ，t h e s a w i n gf o r c ea n de f f i c i e n c yw e r er e c o r d e d ( 2 ) t h es u r f a c eq u a l i t yo fs i cc r y s t a lm a t e r i a l sb e i n gs a w e du n d e rv a r i o u ss a w i n g p a r a m e t e r sw a sr e s e a r c h e d t h ec h a n g eo fs u r f a c em o r p h o l o g y , c r a c kd a m a g ea n d s u r f a c er o u g h n e s so ft h es a w e ds i cc r y s t a la c c o r d i n gt op a r a m e t e r sw e r er e s e a r c h e d t h r o u g ht h ee x p e r i e n c er e s u l t s ( 3 ) t h en o r m a la n dt a n g e n t i a ls a w i n gf o r c e sa sw e l la st h er a t i oo ft h e mw h i c h 3 第1 章緒論 1 1 本課題研究目的與意義 第1 章緒論 電子半導(dǎo)體材料經(jīng)過(guò)了以s i 為代表的第一代材料，以g a a s 、a l a s 為代表的第 二代，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三代的寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料，其中最具代表性的為 s i c 、( 3 a n 。s i c 晶體是第三代半導(dǎo)體材料的核心之一，具有帶隙寬、熱導(dǎo)率高、電 子飽和漂移速率大、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而被用于制作大功率和高密度集成 電子器件【1 ，2 1 。 環(huán)形電鍍金剛石線鋸將鋸絲焊接成環(huán)形，通過(guò)導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)循環(huán)切割。環(huán)形線鋸 的整個(gè)鋸絲長(zhǎng)度內(nèi)都參加切割使用壽命長(zhǎng)，鋸切過(guò)程中無(wú)慣性力，切割速度高， 可達(dá)2 0 m s ，可以實(shí)現(xiàn)高效加工，由于鋸縫窄，材料利用率高，切割過(guò)程平穩(wěn)，特 別適合鋸切陶瓷、s i c 、單晶硅等貴重的硬脆材料。1 9 9 3 年日本進(jìn)行了金剛石電鍍 環(huán)形線鋸的研究，并提出了焊接方法及焊接接頭的評(píng)價(jià)方法。研究表明：金剛石 線鋸可提高硅塊切割表面的質(zhì)量【3 一。因此線鋸切割技術(shù)在s i c 晶體等硬脆材料的切 割領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 作為重要的電子元件材料，由于s i c 晶體材料硬度較高，僅次于金剛石，且具 有較高的脆性，s i c 晶體的切割和磨拋難度相當(dāng)大，同時(shí)s i c 鋸切晶片要求表面超 光滑、無(wú)缺陷、無(wú)損傷，其加工質(zhì)量和精度的優(yōu)劣，直接影響到電子元件的性能瞄1 。 如果不對(duì)晶體進(jìn)行切割、研磨、拋光，就無(wú)法得到質(zhì)量較好的晶片和電子元件陽(yáng)1 。 在整個(gè)硬脆材料加工工序中，鋸切加工占有很重要地位，切割表面粗糙度及其它 質(zhì)量指標(biāo)影響成品率，利用金剛石線鋸切割晶體，可以把體塊硬脆晶體切割成表 面平整、低表面粗糙度及亞表面損傷厚度的晶片【7 ，8 1 。鋸切表面損傷會(huì)對(duì)材料的力 學(xué)性能和應(yīng)用性能造成重大影響，同時(shí)會(huì)增大后續(xù)工序的投入，因此需要分析損 傷的成因及降低措施。 金剛石線鋸是一種相對(duì)較新的技術(shù)，近十幾年來(lái)得到了快速發(fā)展，在硬脆材 料加工領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，但對(duì)其基本機(jī)理的認(rèn)識(shí)還較淺，尤其是表面質(zhì)量控 山東人學(xué)碩七學(xué)位論文 制、微觀切削機(jī)理及鋸切力分析等方面的理論尚不成熟，還沒(méi)有一個(gè)完善的模型 可實(shí)際應(yīng)用于金剛石線鋸切割的應(yīng)力分析、裂紋擴(kuò)展判定以及鋸切表面損傷的預(yù) 測(cè)。 綜上所述，隨著s i c 晶體開(kāi)始占據(jù)半導(dǎo)體材料的主要地位，金剛石線鋸的應(yīng)用 也越來(lái)越值得關(guān)注。但目前環(huán)形金剛石線鋸加工力學(xué)模型及s i c 晶體鋸切質(zhì)量研究 還不夠，對(duì)s i c 晶體鋸切裂紋深度的分析預(yù)測(cè)更是空白。 本課題的主要目的是通過(guò)對(duì)環(huán)形電鍍金剛石線鋸切害i j s i c 晶體加工質(zhì)量的研 究，分析工藝參數(shù)對(duì)s i c 晶體鋸切質(zhì)量的關(guān)系；建立鋸切力關(guān)系模型并提出鋸切有 限元法分析方法，為深入研究鋸切裂紋產(chǎn)生研究提供理論方法支持；最后根據(jù)磨 粒壓痕裂紋深度及鋸絲幾何模型預(yù)測(cè)鋸切裂紋深度。 1 2 切片技術(shù)研究現(xiàn)狀 現(xiàn)階段s i c 晶體等硬脆材料的切片技術(shù)主要有內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)、游離磨 料線鋸切片技術(shù)、固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)等三種。 1 2 1 金剛石內(nèi)圓切片技術(shù) 金剛石內(nèi)圓切片機(jī)將環(huán)形片狀內(nèi)圓刀片通過(guò)液壓及機(jī)械張緊裝置裝央在一個(gè) 環(huán)形刀環(huán)上，內(nèi)圓刀片刃口電鍍金剛石磨料。內(nèi)圓切片機(jī)切片技術(shù)就是利用內(nèi)圓 刀片刃口電鍍的金剛石磨料對(duì)硅晶體進(jìn)行切片，如圖1 1 所示。 圖1 - 1 內(nèi)圓切片機(jī)切片簡(jiǎn)圖 在被切割材料的徑向尺寸較小時(shí)，內(nèi)圓刀片徑向尺寸也較小，由于刀片外圓 第1 章緒論 張緊，剛性很好，可實(shí)現(xiàn)高速高效切割【9 , 1 0 l 。但當(dāng)切割材料直徑較大時(shí)，內(nèi)圓刀片 直徑也必須增大。此時(shí)刀片張緊后易出現(xiàn)較大的波浪形變形，在高速切片過(guò)程中 刀片會(huì)產(chǎn)生軸向振動(dòng)，所以切片過(guò)程中容易出現(xiàn)鋸口較大。對(duì)直徑2 0 0 m m 以下的 硅晶體切片可以采用內(nèi)圓切片機(jī)，但內(nèi)圓切片機(jī)不適合切割大直徑硅晶體1 1 1 , 1 2 】。 1 2 i2 游離磨料線鋸切片技術(shù) 游離磨料線鋸切片技術(shù)的工作原理為：把一根細(xì)長(zhǎng)的金屬絲纏繞在兩個(gè)線輪 上，金屬絲兩頭分別由放線機(jī)構(gòu)與收線機(jī)構(gòu)拉緊。線輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)， 實(shí)現(xiàn)鋼絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。切割時(shí)，將帶有磨料( 金剛石或碳化硅) 的漿液噴灑到切割 區(qū)域。通過(guò)磨料、金屬絲及工件之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)切片加工。自由磨料線鋸 對(duì)工件的切片加工過(guò)程實(shí)際上是三體磨料磨損的過(guò)程 1 3 1 。 與內(nèi)圓切片機(jī)相比，游離磨料線鋸能加工較薄的硅片，而且出品率高，鋸口損 耗少，很少產(chǎn)生崩片，表面質(zhì)量也更好。但是這種切片技術(shù)也存在著明顯的不足之 處：所采用的泥漿狀的研磨液容易對(duì)工件和環(huán)境造成污染；材料去除過(guò)程為三體 磨粒磨損過(guò)程，切削效率低；材料去除機(jī)理上靠磨粒的滾壓釬入作用，將在硅片表 面產(chǎn)生較大的微裂紋、殘余應(yīng)力和較深的相變層，這不僅導(dǎo)致硅片翹曲變形，還增 加了后續(xù)加工工作量；磨粒對(duì)鋼絲同樣有加工作用，鋼絲磨損較快，從而導(dǎo)致的切 片厚度不均勻。 1 2 3 固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù) 圖1 2電鍍金剛石鋸絲表面形貌【2 2 i 山東大學(xué)碩七學(xué)位論文 固結(jié)磨料鋸絲是將金剛石等磨粒通過(guò)某種工藝或方法固定在琴鋼絲等芯線周 圍制作而成的鋸絲，一般是將高硬度、高耐磨性的金剛石磨粒牢固地固結(jié)在鋼絲 基體上。目前歸結(jié)金剛石鋸絲制造方法主要有三種：一種是將金剛石磨粒電鍍?cè)?鋸絲基體上；第二種類似樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪采用樹(shù)脂硬化的方法制造；第三種則用 機(jī)械力將金剛石壓嵌到鋼絲中。 圖1 2 所示的就是通過(guò)電鍍的方式制作的電鍍金剛石鋸絲的表面形貌。相比游 離磨料切片技術(shù)而言，固結(jié)磨料切片技術(shù)具有切片效率高、切片表面質(zhì)量好、鋸 口損耗少及出品率高等優(yōu)點(diǎn)。固結(jié)磨料線鋸切片技術(shù)可應(yīng)用于硅晶體切片技術(shù)中， 特別適用于大直徑硅晶體精密低損傷切片【1 4 】。 根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式，固結(jié)金剛石線鋸加工分為往復(fù)式和單向運(yùn)動(dòng)式( 鋸絲 為環(huán)形) 。往復(fù)式固結(jié)金剛石線鋸切割時(shí)鋸絲從一個(gè)絞輪繞到另一個(gè)絞輪上，鋸絲 無(wú)焊縫，可實(shí)現(xiàn)較高速度的切割，但同往復(fù)式游離磨料線鋸切割一樣，鋸絲必須 具有足夠的長(zhǎng)度，鋸絲張緊力的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)比較繁瑣。環(huán)形固結(jié)金剛石線鋸加工是 將鋸絲焊接成環(huán)形，通過(guò)導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)循環(huán)切割。 綜上所述，目前單向式固結(jié)金剛石線鋸已成為s i c 晶體等硬脆材料加工或切 片的主要方式，其優(yōu)勢(shì)在于：切割材料尺寸大、切割效率高、表面質(zhì)量好、出品 率高，其中單向式電鍍金剛石線鋸又具有耐磨、耐熱、磨粒把持強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng) 等優(yōu)點(diǎn)。 1 3 硬脆材料鋸切去除機(jī)理和加工質(zhì)量研究現(xiàn)狀 脆性材料的材料去除方式現(xiàn)在普遍認(rèn)為可分為兩種：脆性斷裂去除和延展性 變形去除，材料硬度及脆性較高材料的去除方式以前者為主。文獻(xiàn) 1 5 ，1 6 對(duì)不同脆 性材料磨屑的觀察發(fā)現(xiàn)脆性材料去除方式主要為脆性去除。文獻(xiàn)【1 7 】以一定切入角 度模擬單個(gè)磨粒磨削陶瓷過(guò)程，材料經(jīng)過(guò)摩擦和塑性變形階段達(dá)到一定臨界深度 后，進(jìn)入脆性破碎階段。 脆性斷裂是由于磨粒對(duì)工件表面的擠壓使工件表面形成微小的中央裂紋和側(cè) 向裂紋，如圖1 3 ，側(cè)裂紋擴(kuò)展使材料破碎，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。硬脆材料加工 時(shí)一般產(chǎn)生兩類壓痕裂紋，中央裂紋和徑向裂紋。其中中位裂紋幾近垂直于加工 第1 章緒論 表面降低材料強(qiáng)度，應(yīng)避免在精密加工中產(chǎn)生；側(cè)向裂紋向表面擴(kuò)展導(dǎo)致材料的 去除，機(jī)械粗加工中可利用側(cè)向裂紋獲得高的材料去除率1 8 】。 擠壓 裂 圖l - 3 脆性斷裂示意圖 向 對(duì)于脆性材料的去除機(jī)理研究，大多使用壓痕斷裂力學(xué)方法分析。壓痕斷裂 力學(xué)模型近似是把陶瓷磨削中磨粒與工件的相互作用看作小規(guī)模的壓痕現(xiàn)象。由 普通維氏四面體壓頭獲得的變形和斷裂圖形如圖1 - 4 所示。在壓頭正下方是塑性變 形區(qū)，從塑性區(qū)開(kāi)始形成兩個(gè)主要的裂紋系統(tǒng)：中央徑向裂紋和橫向裂紋。這種 模型已從最初的普通靜載荷擴(kuò)展為切向載荷( 移動(dòng)壓頭) 的情況【2 0 ，2 1 1 。 圖1 - 4定點(diǎn)壓頭作用下的中央徑向裂紋【1 9 】 在最初的研究中，定點(diǎn)壓痕的殘余應(yīng)力分布可以通過(guò)對(duì)在受內(nèi)部壓力作用下 的球形腔的彈塑性形式中添加布欣尼奇( b o m s s i n e s q ) 彈性應(yīng)力場(chǎng)來(lái)預(yù)測(cè)。用中央裂 紋周圍應(yīng)力場(chǎng)積分獲得的應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)所加載荷p 與裂紋大小c 間的關(guān)系： ( 曇) 糾2 = = - 【f 考( c 。t v ，) 糾3 ( 吉) v 2 c ， 以后的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，中央裂紋的擴(kuò)展不僅發(fā)生在加載過(guò)程中，也發(fā)生在 卸載過(guò)程中。這是由壓頭下塑性變形的作用引起的，同時(shí)還引起橫向裂紋的產(chǎn)生 山東人學(xué)碩七學(xué)位論文 1 1 8 】。因此早期的研究集中在把中央裂紋擴(kuò)展分解成兩部分：彈性部分和不可逆( 殘 余) 部分。彈性部分產(chǎn)生中央裂紋并使其在加載中向下擴(kuò)展，而殘余部分是在壓頭 回撤后使裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。 對(duì)許多材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與式1 1 非常吻合。需要指出的是，這種關(guān)系只適用 于所加載荷大于使材料產(chǎn)生中央裂紋的臨界載荷狀態(tài)。臨界載荷如下所示【2 3 】： p c = 5 4 5 島捌 m 2 ， 部分硬脆材料磨削加工的研究表明，盡管硬脆材料有很大的脆性，但在選擇 合適參數(shù)的條件下，硬脆材料仍能以塑性去除的方式進(jìn)行磨削加工。sm a l k i n 等 人認(rèn)為當(dāng)砂輪單個(gè)磨粒的最大切削深度小于硬脆材料的臨界切削深度時(shí)就會(huì)實(shí)現(xiàn) 塑性域磨削加工【3 3 】。如圖l _ 4 所示的壓痕斷裂模型，臨界載荷p c 決定著材料的變 形方式。y u f e ig a o 等在金剛石線鋸切割單晶硅去除機(jī)理研究中提出，選擇合適的 參數(shù)如高鋸絲速度、低進(jìn)給量和小的磨粒尺寸，單晶硅可以在延性域內(nèi)去除，也 可以得到更高的切片表面質(zhì)量【3 7 】。 一個(gè)有效磨粒不僅承受定點(diǎn)壓痕那樣的法向載荷，還要承受運(yùn)動(dòng)方向上的切 向載荷。切向力將使接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向上的法向拉應(yīng)力增大，這會(huì)促進(jìn)移動(dòng)面中央 裂紋的擴(kuò)展。這一原理正說(shuō)明了為什么在磨削加工中試件橫磨時(shí)強(qiáng)度的降低要比 縱磨時(shí)大【1 8 】。 1 3 2 磨粒載荷研究現(xiàn)狀 為研究鋸切過(guò)程中表面裂紋的形成和擴(kuò)展，學(xué)者們將鋸磨過(guò)程中磨粒和工件 的相互作用簡(jiǎn)化為局部小范圍的壓痕作用。博士論文 3 8 】根據(jù)加布欣尼奇彈性理論 的空間問(wèn)題，建立了包括法向和切向磨削分力的陶瓷磨削單顆金剛石磨粒磨削的 理論模型，利用此單金剛石顆粒磨削加工過(guò)程的力學(xué)模型可得到磨削應(yīng)力場(chǎng)中的 任一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)認(rèn)為，硬脆材料的接觸開(kāi)裂是尖銳壓痕微開(kāi)裂的典型實(shí)例， 壓痕硬度試驗(yàn)是定量研究此問(wèn)題的有效途徑，壓痕應(yīng)力場(chǎng)就是切向磨削分力為零 時(shí)的磨削應(yīng)力場(chǎng)。 文獻(xiàn)【3 8 給出應(yīng)力場(chǎng)中某點(diǎn)處各方向應(yīng)力仃廳、仃、仃礦仃坩、仃礦仃：日值的 第1 章緒論 求解公式，利用該式可對(duì)磨粒應(yīng)力場(chǎng)中各位置所受應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。鋸絲表面 所有作用磨粒的鋸切力在鋸絲運(yùn)動(dòng)方向及工件進(jìn)給方向上分力的合力組成了鋸絲 的鋸切力，博士論文【3 1 】通過(guò)整個(gè)鋸絲的速度、磨粒切削厚度和加工材料的性能 參數(shù)分別得出由切屑和摩擦產(chǎn)生的單顆磨粒法向、切向鋸切力，求和得出單顆磨 粒鋸切力的表達(dá)式。 圖1 _ 6 磨粒載荷影響裂紋示意圖 博士論文 3 1 】認(rèn)為在圖1 - 6 運(yùn)動(dòng)磨粒作用下裂紋產(chǎn)生圖中，平面z o x 內(nèi)材料 受力最大，并分析了此平面內(nèi)西從9 0 0 到9 0 0 第一、第二和第三主應(yīng)力值的變化， 得出在磨粒前下方第二主應(yīng)力為拉應(yīng)力達(dá)到極值形成裂紋，磨粒后方迅速增大的 第一主應(yīng)力形成裂紋，如圖1 - 6 所示的第1 部分和第1 i 部分，其中加工表面常見(jiàn)的 是第1 i 部分的磨削裂紋。 1 3 3 鋸切加工質(zhì)量研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)單顆金剛石磨粒對(duì)巖石表面的劃痕試驗(yàn)建立了較完善的單顆 金剛石磨粒切削巖石的機(jī)理模型，得出了磨粒前部、底部和后部一系列材料變形 和去除理論【3 0 1 。晶體損傷層從加工表面開(kāi)始，分為微裂紋損傷層和塑性變形層【1 2 1 ， 圖1 5 為線鋸切割損傷層的示意圖，損傷層包含上層的微裂紋層和下層的塑性變形 層。裂紋損傷分為表面微細(xì)裂紋、宏觀裂紋、亞表面裂紋三種形式，其起始和擴(kuò) 展方向與晶向有關(guān)，也與鋸切過(guò)程中磨粒與材料的接觸情況有關(guān)。 第1 章緒論 速度對(duì)表面粗糙度的影響【5 1 。 在經(jīng)驗(yàn)方法中，粗糙度模型通常被認(rèn)為是工藝參數(shù)的函數(shù)【3 3 】。經(jīng)驗(yàn)方法以實(shí) 驗(yàn)為基礎(chǔ)，以簡(jiǎn)單的方法獲得的關(guān)系受到具體實(shí)驗(yàn)條件影響，用于預(yù)測(cè)其他條件 下的表面粗糙度時(shí)受到限$ 1 j 1 3 4 1 。分析法是通過(guò)建立模型去預(yù)測(cè)不同加工條件下的 粗糙度，可以克服經(jīng)驗(yàn)法的缺點(diǎn)，同時(shí)也可以利用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其模型分析的正確 性。h e c k e 和a g a r w a l 認(rèn)為工件的磨削表面是由磨粒軌跡留下的溝槽產(chǎn)生，由此模 擬力n - r _ 面的輪廓，從而求得表面粗糙度1 3 量3 6 1 。 1 3 3 2 鋸切裂紋產(chǎn)生研究現(xiàn)狀 固結(jié)金剛石鋸絲表面磨粒突出鋸絲表面的高度各有不同，且具有隨機(jī)幾何形 狀和大小，它們與工件表面接觸壓力各不相同，形成了不同的切削深度。隨著切 削深度和磨削力的增加，晶體位錯(cuò)增多并向工件內(nèi)部擴(kuò)展，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中， 使亞表面產(chǎn)生微小裂紋【2 5 1 。 l a w n 和m a r s h a l l 2 6 】在裂紋產(chǎn)生過(guò)程中的硬度、韌性和脆性的研究過(guò)程中指出， 陶瓷等硬脆材料壓痕微開(kāi)裂時(shí)，中位裂紋和徑向裂紋的形成都需要一個(gè)壓痕載荷 臨界值足，該值與材料韌性、硬度性能參數(shù)有關(guān)。法向磨削力超過(guò)這一臨界值后， 材料內(nèi)會(huì)產(chǎn)生中微裂紋和徑向裂紋以及側(cè)向裂紋，材料脆性指數(shù)日礦k k ，反映材料 裂紋產(chǎn)生的難易程度，壓痕載荷的臨界值隨其比值降低而提高。 g f i f f i t h 理論指出，不論是內(nèi)部裂紋還是表面損傷，當(dāng)受外力作用時(shí)，均會(huì)在 裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中口7 】；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到理論強(qiáng)度時(shí)，裂紋就迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂2 8 1 。 根據(jù)能量平衡方法，在加緊狀態(tài)下裂紋導(dǎo)致的彈性能的變化值等于形成裂紋表面 能的變化值。g r i f f i t h 提出引起裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力值為： 盯r = 4 4 e t z c ( 1 - 4 ) 式中e 、，為材料特征參數(shù)，c 為裂紋長(zhǎng)度。 當(dāng)磨削主應(yīng)力大于臨界應(yīng)力叮f 時(shí)，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子墨大于材料的斷 裂韌性k 盯，即k l k ，c 時(shí)，裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)展，以至斷裂口8 ，2 9 1 。 于愛(ài)兵【掩1 等在研究陶瓷磨削裂紋時(shí)指出，陶瓷等硬脆材料在制備和加工過(guò)程 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 中都會(huì)產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)受外加拉應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部的微裂紋便會(huì)擴(kuò)展，形成 裂紋。 張銀霞的單晶硅片超精密磨削實(shí)驗(yàn)證明，表面橫向微裂紋少于中位微裂紋， 說(shuō)明中位微裂紋產(chǎn)生的臨界載荷比橫向微裂紋小，在晶片加工過(guò)程中中位微裂紋 的產(chǎn)生是必然的【2 4 1 。單顆磨粒磨削硅片試驗(yàn)求臨界切削深度也得出，亞表面裂紋 要大于表面溝槽深度，即表面裂紋不是判定臨界切削深度的依據(jù)。 硬脆材料鋸切損傷成因不僅有磨粒壓痕作用，材料本身的微裂紋、磨粒對(duì)材 料的疲勞損傷以及鋸磨產(chǎn)生的熱量都會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。周志雄等人在分 析陶瓷材料加工裂紋成因時(shí)指出，除了加工過(guò)程中壓痕斷裂引起的的加工裂紋， 疲勞裂紋和磨削熱裂紋也是硬脆材料鋸磨裂紋的成斟4 0 1 。 1 4 鋸切s j c 晶體加工質(zhì)量研究現(xiàn)狀 l i n gy i n 等研究磨粒加工6 h s i c 晶體質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，材料表面的破壞尺寸及粗 糙度隨磨粒尺寸的減小而減小，而進(jìn)給率對(duì)表面粗糙度的影響非常有限f 5 7 1 。 陳秀芳利用擺動(dòng)的往復(fù)式金剛石線鋸切割s i c 單晶，得出s i c 表面粗糙度r a 為o 2 7 0 3 3 胛，鋸絲磨損對(duì)粗糙度影響較小但對(duì)切割能力影響較大【5 引。 綜上所述，目前尚沒(méi)有利用有限元法分析鋸切加工中裂紋擴(kuò)展判定的研究， 更缺少對(duì)磨粒載荷這種微觀鋸切力與宏觀方面的鋸絲整體鋸切力較為合理的關(guān)系 模型。電鍍金剛石線鋸加工s i c 晶體裂紋損傷深度的研究還很少開(kāi)展，鋸切損傷 層厚度及表面粗糙度的理論分析與預(yù)測(cè)技術(shù)還欠缺，需要建立實(shí)用的裂紋擴(kuò)展、 表面裂紋深度及表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，從而對(duì)實(shí)際加工起到指導(dǎo)作用。 1 5 本課題研究的主要內(nèi)容 基于上述分析，本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： ( 1 ) 材料的去除及損傷主要因素為磨粒對(duì)材料本身的載荷，設(shè)計(jì)不同的鋸絲 速度坎和工件恒進(jìn)給壓力f 對(duì)硬脆材料s i c 晶體進(jìn)行環(huán)形電鍍金剛石切割試驗(yàn)， 記錄鋸切工藝參數(shù)對(duì)切割試驗(yàn)中鋸切力、鋸切效率的影響。 ( 2 ) 分析試驗(yàn)中不同鋸切參數(shù)對(duì)s i c 晶體加工質(zhì)量及鋸切效率的影響，對(duì)線 第1 蘋(píng)緒論 鋸加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出提高鋸切表面質(zhì)量的途徑。 ( 3 ) 考慮磨粒在鋸絲表面的非連續(xù)性分布，重新建立單顆磨粒鋸切力與鋸絲 總體鋸切力的關(guān)系。建立單顆磨粒應(yīng)力場(chǎng)和鋸絲表面作用磨粒的應(yīng)力模型，引入 有限元虛擬裂紋法判斷裂紋擴(kuò)展，并分析區(qū)域磨粒作用下的有限元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布。 ( 4 ) 建立鋸切硅片亞表面裂紋損傷預(yù)測(cè)的理論模型。建立s i c 鋸切表面粗糙 度值與單顆磨粒鋸切力、鋸絲整體鋸切力之間的理論模型，以期用于預(yù)測(cè)s i c 鋸 切表面裂紋深度值與粗糙度值。 1 2 第2 章金剛石線鋸切割s i c 品體試驗(yàn)設(shè)計(jì) 第2 章金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)設(shè)計(jì) 本章選用可實(shí)現(xiàn)較高鋸絲速度且鋸絲速度可調(diào)的線鋸加工機(jī)床，鋸絲選用磨 粒把持度強(qiáng)的環(huán)形電鍍金剛石線鋸對(duì)s i c 晶體進(jìn)行切割試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)鋸切數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)記錄不同工藝參數(shù)下鋸切效率和鋸切力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)得到的s i c 晶體 加工試件作為鋸切加工質(zhì)量的研究對(duì)象。 2 1 線鋸切割試驗(yàn) 根據(jù)鋸絲特性及磨削加工磨粒應(yīng)力場(chǎng)分析，影響線鋸切割過(guò)程中磨粒應(yīng)力場(chǎng) 的主要因素是磨粒所處的位置和加工工藝參數(shù)，主要反映在鋸絲速度和鋸切力的 大小上。本節(jié)設(shè)計(jì)s i c 晶體材料在不同鋸絲速度和恒進(jìn)給壓力的金剛石線鋸鋸切 試驗(yàn)系統(tǒng)。 2 1 1 環(huán)形線鋸切割硬脆材料的試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)采用本課題組設(shè)計(jì)的環(huán)形線鋸床，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 1 所示，機(jī)床切割區(qū) 域如圖2 2 所示。 1 - 砝碼2 張緊輪3 床身4 導(dǎo)輪5 鋸絲6 冷卻噴嘴 7 主動(dòng)輪8 工件9 夾具1 0 工作臺(tái)1 1 導(dǎo)軌 圖2 1環(huán)形電鍍金剛石線鋸機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 整個(gè)機(jī)床由床身、動(dòng)力源、執(zhí)行裝置、進(jìn)給裝置、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。 其中進(jìn)給裝置使用恒力進(jìn)給方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)給力易控制，進(jìn)給速度能夠自動(dòng) 適應(yīng)鋸絲的切割能力，有利于保護(hù)鋸絲和提高加工質(zhì)量。 機(jī)床具體工作原理為：環(huán)形電鍍金剛石線鋸5 繞在主動(dòng)輪7 、導(dǎo)輪4 和張緊輪 2 上，由張緊輪進(jìn)行預(yù)緊；主動(dòng)輪由電主軸驅(qū)動(dòng)，電主軸的轉(zhuǎn)速可由變頻調(diào)速器控 制，從而實(shí)現(xiàn)鋸絲的可調(diào)速切割運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)1 0 由砝碼1 牽引沿精密直線導(dǎo)軌l l 運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件的水平恒力進(jìn)給；這兩種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向相百垂盲。它們之間的 相互作用形成了對(duì)工件的切割加工；噴嘴6 用于對(duì)切割區(qū)域施加冷卻液，以實(shí)現(xiàn) 冷卻和帶走切屑的作用，工作臺(tái)下方設(shè)有冷卻液回收溝槽，實(shí)現(xiàn)冷卻液的循環(huán)利 用。 淄 研 鷹j 蕊溺黝_ 嘲雷測(cè) 默 ：“蠢溺鬻閏。婀 _ 函贏。g 緩i 渤 嬲疆 i 茲磁澎緞緩蘢凌毖巍琵荔j 主i 緩。1 _ _ 狻嘲既，二震矗溺 醪一“，浮嗡黼隧闡 霾 嘲 圖2 - 2 環(huán)形電鍍金剛石線鋸加工機(jī)床 試驗(yàn)中鋸切試件為s i c 晶體材料，采用晶體材料傳統(tǒng)的加工方式一內(nèi)圓切片 機(jī)床將s i c 材料制成橫截面為7 m m 7 r a m 的長(zhǎng)方體條，鋸切試驗(yàn)的加工表面即為 7 r a m 7 r a m 的s i c 晶體表面。 s i c 晶體的基本性能如表2 1 所示。 表2 - 1s i c 晶體的材料性能( 各晶向均值) 1 3 9 1 彈性模量泊松比維氏硬度斷裂韌性 e ( g p a )a h ，( g p a )k 礦m e a m l 2 ) 1 8 6 50 2 01 02 1 1 4 - 第2 章金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2 1 2 鋸切工藝參數(shù) 鋸切表面加工質(zhì)量跟與被加工材料接觸的鋸絲上各磨粒切向、法向鋸切力的 有關(guān)，而鋸絲表面所有作用磨粒切向、法向鋸切力以及鋸絲張力的合力便是整個(gè) 鋸絲的鋸切力，因此本試驗(yàn)需要采集在鋸切加工過(guò)程中鋸絲的切向、法向鋸切力 隨著加工參數(shù)變化的變化，并得出對(duì)應(yīng)參數(shù)下的加工質(zhì)量數(shù)據(jù)。并統(tǒng)計(jì)切割相同 工件時(shí)各加工參數(shù)下需要的時(shí)間，作為研究鋸切材料去除率的依據(jù)。 試驗(yàn)以鋸絲速度磙、恒進(jìn)給壓力，作為可變的因素，考察材料的去除率、鋸 切力和加工質(zhì)量等參數(shù)，研究環(huán)形電鍍金剛石線鋸切割s i c 晶體的過(guò)程和工藝。 共設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)，分別記為試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 。 各試驗(yàn)的加工工藝參數(shù)如表2 2 所示，試驗(yàn)中采用水作為冷卻液。 表2 - 2 試驗(yàn)工藝參數(shù) 2 2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集 試驗(yàn)中需要采集鋸切過(guò)程中切向鋸切力、法向鋸切力以及切割等橫截面積s i c 晶體材料所需的時(shí)間。 2 2 1 材料去除和損傷與試驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系 根據(jù)壓痕斷裂理論可知，材料的去除以及加工表面裂紋的形成原因在于鋸絲 磨粒施加在材料表面的載荷，即線鋸表面金剛石磨粒的鋸切力f g n 及f g t 。磨粒鋸 切力是由加工參數(shù)和金剛石顆粒所處的位置決定的，鋸絲橫截面上不同位置的磨 粒的切削厚度不同，所以各個(gè)磨粒的鋸切力不同，通過(guò)整個(gè)鋸絲的速度、磨粒切 削厚度和加工材料的性能參數(shù)分別得出由切屑和摩擦產(chǎn)生的單顆磨粒切向、法向 鋸切力，求和得出單顆磨粒鋸切力。 忽略鋸絲內(nèi)的張力，參與鋸切的所有磨粒法向、切向鋸切力之和組成整個(gè)鋸 絲的法向、切向鋸切力。 山東人學(xué)碩士學(xué)位論文 因此在s i c 鋸切試驗(yàn)中要采集不同工藝參數(shù)下鋸切過(guò)程中鋸絲法向、切向鋸 力，以及鋸切效率。鋸切效率可通過(guò)記錄鋸切同樣橫截面s i c 晶體所用時(shí)間以 鋸絲直徑、材料橫截面積計(jì)算得出。 2 2 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng) 試驗(yàn)在環(huán)形電鍍金剛石線鋸力n - r _ 機(jī)床上進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由力傳感器、電 放大器、數(shù)據(jù)采集箱和裝有數(shù)據(jù)采集分析軟件的計(jì)算機(jī)組成，該系統(tǒng)示意圖如 2 3 所示，整個(gè)鋸切采集系統(tǒng)如圖2 4 所示。 l23 1 測(cè)力儀2 電荷放大器3 數(shù)據(jù)采集箱4 計(jì)算機(jī) 圖2 3 鋸切力測(cè)量示意圖 圖2 4 線鋸機(jī)床及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第2 章金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)設(shè)計(jì) 壓電式測(cè)力儀1 將鋸切力值轉(zhuǎn)變成電荷信號(hào)，電荷信號(hào)由電荷放大器2 放大 后輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 ，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電信號(hào)輸入到裝有信號(hào)采集分析系統(tǒng)的 計(jì)算機(jī)4 中進(jìn)行記錄和處理。 信號(hào)分析系統(tǒng)采用南京安正公司的c r a s 振動(dòng)及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析軟件系統(tǒng) a d c r a s 數(shù)據(jù)采集及處理模塊。圖2 5 為信號(hào)分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及處理模塊窗口。 軟件參數(shù)設(shè)置中，決定測(cè)量幅值的c r a s 校正因子設(shè)置值等于傳感器靈敏度與調(diào) 理儀放大倍率的乘積。 圖2 - 5信號(hào)分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及處理模塊 鋸切力采集系統(tǒng)傳感器測(cè)力儀采用k i s t l e r 9 2 5 7 a 型三向壓電晶體測(cè)力儀， 其分辨率大于0 0 1 n ，使用溫度范圍為0 - 7 0 。c ，主要功能參數(shù)如表2 3 所示。 信號(hào)放大采集系統(tǒng)采用南京安正軟件工程有限責(zé)任公司的安正a z 8 0 4 信號(hào)調(diào) 理儀和安正a z 2 0 8 r 數(shù)據(jù)采集器。a z 8 0 4 信號(hào)調(diào)理儀的濾波設(shè)置適用于四個(gè)通道， 調(diào)理儀的放大倍率有三檔1 、1 0 、1 0 0 。a z 2 0 8 r 數(shù)據(jù)采集箱最大可提供8 個(gè) 數(shù)據(jù)采集通道。 表2 - 3k 1 s t l e r 9 2 5 7 a 壓電晶體測(cè)力儀參數(shù) 參數(shù)通道參數(shù)值 x 、y 方向 m v n = 10 0 靈敏度 z 方向 m v n = 5 0 0 x 、y 方向 2 k h z 同有頻率 z 方向3 5 l ( 1 _ l z x 、y 方向 0 5 k n 測(cè)量范圍 z 方向o 1 0 k n 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 3 表面質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng) 本試驗(yàn)表面質(zhì)量的分析側(cè)重于材料加工表面的表面粗糙度、微觀形貌和表面 裂紋損傷。通過(guò)采集不同鋸絲速度和恒進(jìn)給壓力參數(shù)下線鋸加工表面的各項(xiàng)參數(shù)。 2 3 1 表面粗糙度測(cè)量 本試驗(yàn)采用時(shí)代集團(tuán)公司t r 2 0 0 手持式粗糙度儀對(duì)加工表面粗糙度進(jìn)行測(cè) 量，如圖2 - 6 所示。 圖2 - 6t r 2 0 0 手持式粗糙度儀圖2 7利用粗糙度儀測(cè)量工件表面粗糙度 該粗糙度儀的粗糙度i h 值測(cè)量范圍為0 0 0 5 t m 1 6 p m ，滿足線鋸力n - r - 表面粗 糙度的測(cè)量范圍；自動(dòng)測(cè)量時(shí)分辨力為o 0 1p m , - - o 0 4 u n ，示值誤差不大于1 0 ， 示值變動(dòng)性不大于6 ；本試驗(yàn)選定的材料為橫截面7 m m 7 m m 的條狀s i c 晶體， 根據(jù)工件尺寸設(shè)定其取樣長(zhǎng)度，為0 2 5 m m 。 測(cè)量時(shí)由于工件尺寸過(guò)小，為了保證被測(cè)加工表面和粗糙度儀的傳感器運(yùn)動(dòng) 方向一致，需要借助工作臺(tái)和可調(diào)支腳進(jìn)行測(cè)量，如圖2 7 所示。 2 3 2 表面微觀形貌及亞表面損傷測(cè)量 鋸切加工結(jié)束后，利用超聲波清洗機(jī)對(duì)s i c 晶體加工表面進(jìn)行清洗，然后用 電子掃描鏡觀n d i ：i 工表面的s e m 圖像獲得鋸切試驗(yàn)表面形貌及損傷情況，并進(jìn)行 記錄。 2 4 本章小結(jié) 本章進(jìn)行了環(huán)形電鍍金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)，試驗(yàn)中選用不同鋸絲速 度和恒進(jìn)給壓力等鋸切工藝參數(shù)。對(duì)s i c 晶體鋸切加工過(guò)程中的進(jìn)給速度和鋸切 第2 章金剛石線鋸切割s i c 晶體試驗(yàn)設(shè)計(jì) 力進(jìn)行記錄和計(jì)算分析，并設(shè)計(jì)了鋸切表面質(zhì)量的測(cè)量方法。 利用環(huán)形電鍍金剛石線鋸切割s i c 晶體，其效率較傳統(tǒng)的內(nèi)圓切片以及往復(fù) 式金剛石線鋸明顯提高，