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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
譯文及原稿
譯文題目：
線鋸過程中凹凸不平面的損傷情況
原稿題目：
Roughness Damage Evolution Due to Wire Saw Process
原稿出處：
Egemen Teomete，International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2011，12(6)：941-947
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 外文翻譯
線鋸過程中凹凸不平面的損傷情況
摘要：線鋸工藝被被廣泛用于硅晶片生產(chǎn)與高收益、低表面損傷的太陽能電池和微電子產(chǎn)業(yè)。這個(gè)線鋸過程是用于機(jī)器切割脆性材料從而得到高韌性， 高收益和低表面損傷的。線鋸工藝也可用于切割混凝土和巖石，土木工程。在這研究中，通過改變工藝參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)參數(shù)的研究，以確定表面粗糙度損壞。延性材料的穿晶斷裂和脆性斷裂的晶間破壞的切割表面可以在電子顯微鏡照片中觀察到。涉及粗糙度破壞過程的損傷模型的參數(shù)是可以得到的。這個(gè)損傷模型預(yù)測粗糙度損害令人滿意。該模型顯示這種粗糙度損傷比率是進(jìn)給速度與線速度成正比。提高效率的過程在于不增加粗糙度損傷而通過增加進(jìn)給速度正比線速度的比率。線張力不影響粗糙度損傷。但是，導(dǎo)線的性能影響粗糙度損傷。導(dǎo)線的砂礫半徑越小和砂粒間距越短則粗糙度損傷越少。
關(guān)鍵詞：陶瓷，損傷模型，韌性加工，粗糙度，線鋸
1 介紹
硅晶片用于太陽能電池和微電子學(xué)產(chǎn)業(yè)可以減少從硅晶體使用內(nèi)徑(ID)鋸或線鋸。線鋸的優(yōu)勢是ID可以看見。這些優(yōu)點(diǎn)是更高的生產(chǎn)力，更少的晶片表面損傷和較低的切口損失。此外，晶片的直徑可以被切成一個(gè)線鋸高于一個(gè)ID。線鋸適用切割藍(lán)寶石，碳化硅，鋰鈮酸，木材，巖石和幾乎所有種類的陶瓷，包括泡沫陶瓷。穆勒指出，線鋸過程中的成本是占硅晶片生產(chǎn)的總成本的30％，這直接影響整個(gè)行業(yè)。所以有必要來采取優(yōu)化過程的措施：通過發(fā)展模型相關(guān)的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量和過程效率。
20世紀(jì)90年代，早期的線鋸是在晶圓生產(chǎn)裸鋼絲和磨料泥漿過程中開發(fā)的，在研磨加工中使用彈性流體動(dòng)力。研磨顆?？梢允荢iC或鉆石，用30％至60％的磨料顆粒的粒度可以是5?30μm體積分?jǐn)?shù)的料漿。平均線直徑是180μm，切縫損失為200到250μm。漿料可以是水性或油性的。油性泥漿使溶液彼此互溶，很難獨(dú)立，而從晶圓片表面清除油狀物是另一個(gè)問題。油性泥漿的使用處理也是一個(gè)問題。產(chǎn)生的氫氣和水性泥漿中硅的相互作用可能會(huì)導(dǎo)致爆炸。然而，從環(huán)保的角度來看，考慮到高數(shù)量的泥漿處理過程，水性通常是優(yōu)選的。
Clark等人說，為了提高生產(chǎn)率和能夠削減更硬的陶瓷，開發(fā)了鑲金剛石線。其適用于磨削加工。
在自由磨料線鋸中，送絲速度為5?15米/秒，線張力為20?30N。在電線弓中，其結(jié)果使得所述導(dǎo)線達(dá)到2度到6度的水平。在研磨加工工藝的線鋸中，線速度較低的材料去除是不會(huì)發(fā)生水動(dòng)力作用的。
線鋸過程的研究已經(jīng)持續(xù)在三個(gè)主要領(lǐng)域：材料去除機(jī)制，運(yùn)動(dòng)學(xué)，進(jìn)程之間的輸入和輸出參數(shù)的研究。
Li等人提出了磨料顆粒的受應(yīng)力作用是滾動(dòng)和縮進(jìn)的線鋸的過程。穆勒提出的材料去除機(jī)制對于自由磨料加工開發(fā)利用斷裂力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)行為的漿料。材料去除率的定義是作為一個(gè)功能電源提供給磨料流體動(dòng)壓效應(yīng)與流體膜性能。它的計(jì)算采用有限元閥夫婦雷諾方程，流體力學(xué)與彈性力學(xué)方程。劉等人指出，材料去除機(jī)理—線鋸切割巖石是赫茲類破裂，其中破裂的發(fā)生是由于拉伸后面滑珠引起的。
魏和高從事分析直線的剛度和研究在張力作用下的導(dǎo)線，還有振動(dòng)特征對線速度，張力，和漿料粘度的研究。當(dāng)線速度低于25米/秒時(shí)，增加線張力和漿粘度而降低振幅和切口損失，對它幾乎沒有影響。
Clark等人監(jiān)測線鋸過程，線速度，送絲速度和線的張力。Clark和Hardin等人還進(jìn)行了參數(shù)研究有關(guān)工藝的參數(shù)，表面粗糙度和線切割泡沫陶瓷，木材。他們還進(jìn)行了與一個(gè)固定的磨料切片單晶SiC的參數(shù)研究，研究金剛石線有關(guān)的線速，搖擺頻率，下表面和亞表面損傷的進(jìn)給速度。Meng等人研究了閉環(huán)金剛石繩鋸切割和浸漬氧化鋁陶瓷粉末。
硬度各向異性的鈮酸鋰晶片已經(jīng)被應(yīng)用在納米壓痕中。Bhagavat和Kao確定了三個(gè)最常見的取向的方法。他們通過切片硅晶體的各向異性來確定的方向。
硅片的鋼絲鋸對光伏及半導(dǎo)體行業(yè)有著重大的利益關(guān)系。半導(dǎo)體有嚴(yán)格的公差和表面質(zhì)量要求。從現(xiàn)有的模擬脆性材料壓痕損失中可以看出在加工脆性材料時(shí)的損壞情況。脆性材料的壓痕存在幾種的失效模式。Ryu等人研究了硅片，玻璃和碳化硅上的壓痕。趙等人觀察到在地面上被破壞的光學(xué)玻璃表面的壓痕。
不同的研究人員對延性域磨削脆性材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Bifano等人指出在研磨中，當(dāng)進(jìn)給量減少到一定量時(shí)，磨損機(jī)制就可以實(shí)現(xiàn)從脆性到韌性轉(zhuǎn)變。
在這項(xiàng)研究中，一個(gè)線鋸損傷模型可以看出線鋸過程中粗糙度的損壞。這個(gè)損傷模型是基于延性去除模式和脆性損害模式，觀察掃描電鏡中切割面的圖像。過實(shí)驗(yàn)測定，用損傷模型來預(yù)測損害通是可靠的。第二節(jié)提出了這個(gè)實(shí)驗(yàn)工作。第三節(jié)提出了該模型。第四節(jié)提出了結(jié)果和討論的研究。在第五部分提出這個(gè)結(jié)論。
2 實(shí)驗(yàn)過程
線鋸的實(shí)驗(yàn)是在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行的。在線鋸切削試驗(yàn)中測量了絲弓角，軸向線速度Vx和進(jìn)給速率Vz。同時(shí)也測量了切斷面表面的粗糙度，還得到了掃描電鏡成像的切表面。在這些測量中所使用的設(shè)備本節(jié)介紹及工藝參數(shù)。
2.1 線鋸切割和絲弓角測量
圖1 單絲，閥芯閥芯線鋸機(jī)，該線軌道，由虛線標(biāo)記。（DWT公司，千禧年生產(chǎn)的模型，
美國科羅拉多州Springs，美國）
實(shí)驗(yàn)中使用線鋸設(shè)備（其模型是千禧年在科羅拉多州斯普林斯應(yīng)用鉆石線技術(shù)生產(chǎn)的）。這種閥芯對閥芯的線鋸機(jī)搖擺運(yùn)動(dòng)的線可控制線速度Vx，進(jìn)料速度Vz和線張力T。張力由緊線滑輪控制，由氣壓力驅(qū)動(dòng)，而擺動(dòng)如圖1中可以看出。導(dǎo)線的切割長度為300英尺（91.4米）。因此，在每一個(gè)方向逆轉(zhuǎn)，300英尺的線是從一個(gè)線軸轉(zhuǎn)移到其他的線軸。
在切割過程中使用的冷卻劑包括水和潤滑劑Sawzit（合成潤滑劑公司的產(chǎn)品），它們的比例為50/1。
線鋸實(shí)驗(yàn)使用了四種不同的金剛石涂層鋼線。平均半包括磨粒的角度DWS2是ψ=71度。這個(gè)金剛石粒度的鍍層鋼絲DWS3是金剛石線鋸公司的一個(gè)產(chǎn)品。
涂金剛石砂礫的鋼絲DWS4和DWS5是圣戈班磨料磨具公司的產(chǎn)品。DWS4和DWS5是用鎳電鍍鋼制造的。磨粒被貼到電鍍。
鎳層，而核心依然完整。
氧化鋁陶瓷樣品的抗拉強(qiáng)度σ=300MP，斷裂韌性K=4MPam^(1/2)，楊氏模量電子E=370GPa時(shí)，硬度H=22GPa，它用于對加工對象物的切削的測試。切割樣品的長度是在15~20毫米之間，高度7.1毫米。一組測試完成DWS2的線速度變化Vx=1.3，1.8，2.95，3.5米/秒，線張力變化T=13.3，17.8，22.4，26.7牛，和下料速度變化Vz=5，6.35，10.16微米/秒。為了探討不同特性對表面質(zhì)量影響，每個(gè)線進(jìn)行了四次試驗(yàn)，在工藝參數(shù)Vx=1.35，2，3，4米/秒，Vz=6.35米/秒，T=13.3N下分別使用電線鋼絲DWS3，DWS4和DWS5。
圖2 線鋼絲鋸弓角測試
用一個(gè)2856×2142像素的數(shù)碼相機(jī)（柯達(dá)易購DX7630）來測量絲弓角，其角度如圖2。圖像的線和樣品收集過程如圖3。氧化鋁陶瓷SEM圖像的線鋸切割表面的（Vx=1.3米/秒，Vz=5微米/秒，T=13N）試驗(yàn)和分析用數(shù)字圖像處理（Mathworks公司）獲得的角度α在導(dǎo)線和水平之間。平均穩(wěn)態(tài)絲弓角α的測試，達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)絲弓角的要求。
2.2 表面粗糙度測量和掃描電鏡成像
切割表面的表面粗糙度的測定使用非接觸式的光學(xué)輪廓儀，Zygo公司生產(chǎn)的Zygo新查看6000。10倍的鏡頭用于測量。輪廓的垂直分辨率是3納米的分辨率，在水平面上為1.1微米，而視野使用0.7×0.53毫米。
在一個(gè)探針測量中，需要連續(xù)的輪廓測量每個(gè)0.7×0.53毫米，將這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起成為一個(gè)數(shù)據(jù)集。三針測量，是指測量每個(gè)0.7×3毫米尺寸，常應(yīng)用在每個(gè)樣品的切割方向的左中右的切割表面。經(jīng)過測量后，用版本8.1.5Zygo公司開發(fā)的MetroPro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，施加高通濾波，以除去表面的波狀起伏。中心線的算術(shù)平均偏離就可以獲得最佳擬合平面。三次測量的平均值作為表面粗糙度（Ra）的測試值。
圖3氧化鋁陶瓷的線鋸切割表面的SEM圖像（Vx=1.3米/秒，Vz=5微米/秒，T=13N）
掃描電子顯微鏡（SEM），JEOLJSM-606LV，用于圖像的切割面拓?fù)?。SEM圖像的來自中心線的切割表面上，少于一半的樣本。由圖像可知材料去除的機(jī)制是穿晶斷裂的。同時(shí)，也可以觀察到晶間破壞的斷裂模式。這兩種機(jī)制中可以看圖3。
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