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畢業(yè)設(shè)計（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)大學之江學院畢業(yè)設(shè)計（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)。這個線鋸過程是用于機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)進行了試驗參數(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。這個損傷模型預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，導線的性能影響粗糙度損傷。導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線鋸高于一個ID。線鋸適用切割藍寶石，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體積分數(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，很難獨立，而從晶圓片表面清除油狀物是另一個問題。油性泥漿的使用處理也是一個問題。產(chǎn)生的氫氣和水性泥漿中硅的相互作用可能會導致爆炸。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)果使得所述導線達到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發(fā)生水動力作用的。 線鋸過程的研究已經(jīng)持續(xù)在三個主要領(lǐng)域：材料去除機制，運動學，進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力作用是滾動和縮進的線鋸的過程。穆勒提出的材料去除機制對于自由磨料加工開發(fā)利用斷裂力學和流體動力學行為的漿料。材料去除率的定義是作為一個功能電源提供給磨料流體動壓效應與流體膜性能。它的計算采用有限元閥夫婦雷諾方程，流體力學與彈性力學方程。劉等人指出，材料去除機理—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線，還有振動特征對線速度，張力，和漿料粘度的研究。當線速度低于25米/秒時，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。他們還進行了與一個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)被應用在納米壓痕中。Bhagavat和Kao確定了三個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體行業(yè)有著重大的利益關(guān)系。半導體有嚴格的公差和表面質(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行了試驗研究。Bifano等人指出在研磨中，當進給量減少到一定量時，磨損機制就可以實現(xiàn)從脆性到韌性轉(zhuǎn)變。 在這項研究中，一個線鋸損傷模型可以看出線鋸過程中粗糙度的損壞。這個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。過實驗測定，用損傷模型來預測損害通是可靠的。第二節(jié)提出了這個實驗工作。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結(jié)論。 2 實驗過程 線鋸的實驗是在氧化鋁陶瓷上進行的。在線鋸切削試驗中測量了絲弓角，軸向線速度Vx和進給速率Vz。同時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，該線軌道，由虛線標記。（DWT公司，千禧年生產(chǎn)的模型， 美國科羅拉多州Springs，美國） 實驗中使用線鋸設(shè)備（其模型是千禧年在科羅拉多州斯普林斯應用鉆石線技術(shù)生產(chǎn)的）。這種閥芯對閥芯的線鋸機搖擺運動的線可控制線速度Vx，進料速度Vz和線張力T。張力由緊線滑輪控制，由氣壓力驅(qū)動，而擺動如圖1中可以看出。導線的切割長度為300英尺（91.4米）。因此，在每一個方向逆轉(zhuǎn)，300英尺的線是從一個線軸轉(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。 線鋸實驗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。這個金剛石粒度的鍍層鋼絲DWS3是金剛石線鋸公司的一個產(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度σ=300MP，斷裂韌性K=4MPam^(1/2)，楊氏模量電子E=370GPa時，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，每個線進行了四次試驗，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2856×2142像素的數(shù)碼相機（柯達易購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）試驗和分析用數(shù)字圖像處理（Mathworks公司）獲得的角度α在導線和水平之間。平均穩(wěn)態(tài)絲弓角α的測試，達到了穩(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。 在一個探針測量中，需要連續(xù)的輪廓測量每個0.7×0.53毫米，將這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起成為一個數(shù)據(jù)集。三針測量，是指測量每個0.7×3毫米尺寸，常應用在每個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撲。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制是穿晶斷裂的。同時，也可以觀察到晶間破壞的斷裂模式。這兩種機制中可以看圖3。 5 畢業(yè)設(shè)計（論文） 文 獻 綜 述 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 文獻綜述 ?金剛石線鋸切割機綜述 1 前言 脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學及其它領(lǐng)域得到廣泛應用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導體、光伏材料技術(shù)的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設(shè)備受到越來越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線鋸切割機是近十幾年來獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設(shè)備，包括使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類。根據(jù)鋸絲的運動方式和機床結(jié)構(gòu)，也可分為往復式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個微米，同時具備線鋸切割的特點，能夠?qū)τ泊嗖牧线M行精密、窄鋸縫切割，且可實現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導體和光電池薄片切割中的應用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(yōu)點：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高等[2]。 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2.1 國外線鋸切割機概況 用金剛石線鋸切割脆性半導體材料的工藝最早由Mesh于20世紀70年代提出W.Ebner進行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成往復式多線鋸的往復式試驗機床，金剛石鋸的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機驅(qū)動輪鼓帶動鋸絲往復運動。W.Ebner用之進行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線鋸進行了硅切片實驗，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人則對金剛石線鋸的切害特性進行初步實驗研究[3]。 20世紀90年代，尤其是近幾年來，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對其研究也更為深入。Li等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動，同時壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對材料的最大剪切應力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對磨料的選擇進行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動一嵌入”模型中，磨粒的運動除滾動和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat等人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為，在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運動構(gòu)成了一個彈性流體動力學環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動產(chǎn)生了切削[4]。 Sahoo等人用有限元方法對薄片切割過程中鋸絲的振動模型和熱應力進行了分析，提出一個反饋控制算法，根據(jù)在線測得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對切割過程進行控制，最后提出了一種分析、改進鋸切工藝的方法。Wei等人對單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進行切割實驗，建立了一個軸向運動的鋸絲振動模型，通過振動仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應和磨漿阻尼對鋸絲振動幅度的影響并認為，鋸絲振動受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對切片表面質(zhì)量進行了高精度測量[5]。 在得到廣泛應用的游離磨料線切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無疑對切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開發(fā)了一種適合切割大截面硅片時使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過濾機對被微細硅切屑所污染的磨漿進行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對油基磨漿的凈化和回收進行了研究并認為，鋸絲中的鐵質(zhì)粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導磁體分離器先進行被磁化磨粒的分離，再進行硅粉末的分離，實現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。 國外線切割設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有日本TAKATORI公司，不二越機械工業(yè)株式會社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產(chǎn)品技術(shù)角度劃分，瑞士的兩家公司生產(chǎn)的線切割機水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來，專攻線切割機技術(shù)，如今已成為業(yè)界的技術(shù)帶頭人。 TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導體材料的切割。該公司其他一些線切割設(shè)備主要用于截面尺寸較小的磁性材料、光電材料的切割。以上三種線切割機產(chǎn)品都屬于三軸(導輪)驅(qū)動形式，MWS-610SD采用材料向下運動的切割方式。這兩種線切割機線絲存線長度不超過150KM。不二越機械工業(yè)株式會社線切割機主要有FSW-150型。三軸(導輪)驅(qū)動形式，可切150×150方形材料（主要針對太陽能光電硅材料切割）存線長度不超過150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線切割機MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導輪)驅(qū)動形式，存線長度達400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機型。其中DS262機型是專為太陽能級硅片切割設(shè)計的，該機型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動切割過程中能切出圓片4400片。BS800機型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備[7]。 M&B公司線切割機主要用于200mm硅圓片和太陽能級硅片的切割加工，四軸導輪驅(qū)動形式，大大增強了工作臺的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線切割機主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機型主要用于太陽能級硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導體圓片加工生產(chǎn)，E500ED-8為200mm設(shè)備，E400E-12為300mm設(shè)備。HCT公司與M&B線切割機設(shè)備主要以四軸導輪驅(qū)動形式設(shè)計，這樣可以增大工作臺的面積，增大切割能力[8]。 2.2 國內(nèi)線鋸切割機概況 我國半導體切割技術(shù)起步較晚，目前國內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開發(fā)的DXQ601型多線切割機，具有手動、自動功能模式。界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進給速度、砂漿流量。其操作簡潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準確，保證切片精度。采用主軸電機變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機閉環(huán)控制[9]。 樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內(nèi)圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出，線切割硅片表面粗糙度大，外表面損傷大，但損傷層的厚度要小于常規(guī)內(nèi)圓鋸切割硅片，并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺往復式金剛石線鋸機床。孫建章等人設(shè)計了一臺往復自旋式電鍍金剛石線鋸數(shù)控切割機，以氣缸為驅(qū)動裝置，步進電機控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺上實現(xiàn)對非金屬硬脆材料的切割及曲線加工。高偉對固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進行了研究，進行了花崗巖的切割實驗，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因[10]。 國內(nèi)最早從事太陽能多線切割機開發(fā)的是上海日進。上海日進引進日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺多線切割樣機，樣機類似NTC MWM442D。樣機在日進內(nèi)部切割試驗結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶實際試用的時候，還是遇到了很多的問題，如成品率低、斷線率高、設(shè)備的控制精度比國外進口設(shè)備要差[11]。 湖南宇晶在2006年左右開始研制多線切割機，主要針對水晶切割市場。經(jīng)過幾年的實驗和改進后，目前在國內(nèi)也已經(jīng)銷售出了幾十臺多線切割機，取得了長足的進步。但是該公司還沒有開發(fā)出適應太陽能硅片切割的多線切割機[12]。 陜西漢江機床公司展出的4620型數(shù)控多線切割機。該機經(jīng)過多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長度820mm，最大存線量800km。其解決了高精度排線導輪的多輥同步驅(qū)動技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線導輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)[13]。 中國電子科技集團承擔的國家重大科技項目300mm多線切割機研制成功，打破了國內(nèi)生產(chǎn)線上運行的12英寸多線切割機全部為進口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機將完成商業(yè)機型的生產(chǎn)工藝驗收。國產(chǎn)切割機無論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標各方面，與國外機相比，已縮小了差距，并接近國外水平[14]。 3 研究發(fā)展方向 從金剛石線鋸技術(shù)的發(fā)展來看，許多突破性技術(shù)申請了專利保護，相對機理性研究的滯后而言，工業(yè)實踐中的應用發(fā)展很快。下述為近年來金剛石線鋸裝備技術(shù)發(fā)展的幾個方面。 3.1 磨漿與回收 在硅片等貴重材料的精密切割中，減少切縫損失、提高表面質(zhì)量非常重要。對此，磨漿是一個重要影響因素。理想的磨漿應滿足工藝、環(huán)境與健康、經(jīng)濟三方面要求，應具有粘度適中、化學性質(zhì)穩(wěn)定、清潔力強、易處理、可生物降解、無害、價格低等特點，其總體趨勢是使用粒度更小的金剛石磨料，如HLC公司的HS-20型磨漿使用水溶性基漿，使用粒度小于15um的金剛石磨料，具有很好的工藝性。 磨漿的回收重用則滿足了綠色制造和降低成本的要求。在半導體和光電池切割過程中，磨漿消耗占所有消耗成本的60%，因此各設(shè)備制造商紛紛投入磨漿回收設(shè)備的研制。HCL公司的ARM系統(tǒng)能去除70%以上的切屑，達到90％金剛石磨?；厥章?。 3.2 大尺寸硅錠加工 金剛石線鋸多采用多線往復式結(jié)構(gòu)，為滿足大截面切片和提高產(chǎn)量的需求，導輪間距、導輪槽數(shù)和鋸絲長度不斷增大，提高了大尺寸硅錠的多件、多片同時切割能力。目前，Diamond Wire Technology部公司生產(chǎn)的金剛石線鋸最大已能切割直徑45Omm的硅錠。MEY-ERBURGER公司生產(chǎn)的DS262型線鋸能同時切割4根長520mm、截面為153mmx153mm或直徑為6mm的硅棒，一次切4400片。HCL公司的ESOOED一8型線鋸則可同時對6根長500mm、直徑3mm的硅棒進行切割，一次切出6000片。 3.3 導輪槽加工 切片加工中，工件由并排繞于導輪上的多條鋸絲同時切割，片厚由導輪上的線槽間距決定。目前的趨勢是切片面積越來越大，厚度越來越薄，尤其光電池工業(yè)對厚度偏差和總厚度偏差提出了更高的要求，促進新的開槽技術(shù)的發(fā)展。 以前的導輪槽底部圓弧曲率半徑大，鋸絲定位不準確，增大了總厚度偏差。另外，槽的表面不夠光滑，磨漿易于滲入。新的開槽技術(shù)固定底部半徑50um，槽的斜面粗糙度達到N5(RaO0.2一0.4um)，整個槽為一次加工成形，精度較高。目前，已經(jīng)能得到厚度為140um的太陽能電池切片。 3.4 切割力測量與控制 切割力的大小影響切片加工的效率和表面質(zhì)量，Diamond Wire Technology公司使用電容傳感器對鋸絲撓度進行非接觸在線測量，通過換算得到切割力的大小，并采用搖動機構(gòu)控制切割過程中（切割圓柱時）鋸絲對工件的接觸長度，使得接觸長度較小且保持一致，實現(xiàn)恒定小切削力切割，有利于提高表面質(zhì)量。 3.4 金剛石固結(jié)技術(shù) 固結(jié)金剛石線鋸主要有兩種：一種是將金剛石磨粒電鍍于鋼絲上，另一種則是直接將磨粒滾壓嵌入到鋼絲中。滾壓嵌入的方法降低了鋼絲的強度，并不常見。而傳統(tǒng)的鎳鍍技術(shù)只能得到數(shù)公里長的鋸絲，因此電鍍金剛石線據(jù)發(fā)展緩慢。近年來，新的電鍍技術(shù)突破了這一極限，金剛石線鋸逐漸進入實用階段。日本的A.L.M.T公司利用其專利技術(shù)生產(chǎn)出了100km長的電鍍金剛石鋸絲[15]。 4 總結(jié) 超硬材料行業(yè)除了重視金剛石線鋸的研究之外，更要大力投入切割設(shè)備的研究，因為兩者是密不可分的。當然，硬脆材料切割設(shè)備是高精密設(shè)備，除了設(shè)計之外，還要，還要配以高精密機械制造裝備和高水平的機加工，才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量和技術(shù)性能指標。才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量和技術(shù)性能指標。超硬材料行業(yè)應該為我國半導體產(chǎn)業(yè)和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為減少硅材料消耗，降低制造成本，解決生產(chǎn)中的關(guān)鍵，打破當前國外設(shè)備的壟斷局面，做出更大的貢獻。 C 1 參考文獻 [1] 孫建章，呂玉山，劉興文．往復自旋式電鍍金剛石絲鋸數(shù)控切割機的設(shè)計研究[J]．機械設(shè)計與制造，2003（8）：52-54． [2] 鄭超．硅片切割設(shè)備現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J]．超硬材料論壇論文集，2011（1）：191-196． [3] 肖天元，韓向利．虛擬制造技術(shù)[J]．CAD工程設(shè)計及自動化2007（4）：49-54． [4] Bhagirat M. 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脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學及其它領(lǐng)域得到廣泛應用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導體、光伏材料技術(shù)的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設(shè)備受到越來越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線鋸切割機是近十幾年來獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設(shè)備，包括使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類。根據(jù)鋸絲的運動方式和機床結(jié)構(gòu)，也可分為往復式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個微米，同時具備線鋸切割的特點，能夠?qū)τ泊嗖牧线M行精密、窄鋸縫切割，且可實現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導體和光電池薄片切割中的應用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(yōu)點：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高等[2]。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 用金剛石線鋸切割脆性半導體材料的工藝最早由Mesh于20世紀70年代提出W.Ebner進行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成往復式多線鋸的往復式試驗機床，金剛石鋸的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機驅(qū)動輪鼓帶動鋸絲往復運動。W.Ebner用之進行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線鋸進行了硅切片實驗，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人則對金剛石線鋸的切害特性進行初步實驗研究[3]。 20世紀90年代，尤其是近幾年來，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對其研究也更為深入。Li等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動，同時壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對材料的最大剪切應力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對磨料的選擇進行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動一嵌入”模型中，磨粒的運動除滾動和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat等人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為，在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運動構(gòu)成了一個彈性流體動力學環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動產(chǎn)生了切削[4]。 Sahoo等人用有限元方法對薄片切割過程中鋸絲的振動模型和熱應力進行了分析，提出一個反饋控制算法，根據(jù)在線測得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對切割過程進行控制，最后提出了一種分析、改進鋸切工藝的方法。Wei等人對單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進行切割實驗，建立了一個軸向運動的鋸絲振動模型，通過振動仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應和磨漿阻尼對鋸絲振動幅度的影響并認為，鋸絲振動受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對切片表面質(zhì)量進行了高精度測量[5]。 在得到廣泛應用的游離磨料線切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無疑對切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開發(fā)了一種適合切割大截面硅片時使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過濾機對被微細硅切屑所污染的磨漿進行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對油基磨漿的凈化和回收進行了研究并認為，鋸絲中的鐵質(zhì)粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導磁體分離器先進行被磁化磨粒的分離，再進行硅粉末的分離，實現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。 國外線切割設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有日本TAKATORI公司，不二越機械工業(yè)株式會社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產(chǎn)品技術(shù)角度劃分，瑞士的兩家公司生產(chǎn)的線切割機水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來，專攻線切割機技術(shù)，如今已成為業(yè)界的技術(shù)帶頭人。 TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導體材料的切割。該公司其他一些線切割設(shè)備主要用于截面尺寸較小的磁性材料、光電材料的切割。以上三種線切割機產(chǎn)品都屬于三軸(導輪)驅(qū)動形式，MWS-610SD采用材料向下運動的切割方式。這兩種線切割機線絲存線長度不超過150KM。不二越機械工業(yè)株式會社線切割機主要有FSW-150型。三軸(導輪)驅(qū)動形式，可切150×150方形材料（主要針對太陽能光電硅材料切割）存線長度不超過150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線切割機MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導輪)驅(qū)動形式，存線長度達400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機型。其中DS262機型是專為太陽能級硅片切割設(shè)計的，該機型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動切割過程中能切出圓片4400片。BS800機型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備。 M&B公司線切割機主要用于200mm硅圓片和太陽能級硅片的切割加工，四軸導輪驅(qū)動形式，大大增強了工作臺的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線切割機主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機型主要用于太陽能級硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導體圓片加工生產(chǎn)，E500ED-8為200mm設(shè)備，E400E-12為300mm設(shè)備。HCT公司與M&B線切割機設(shè)備主要以四軸導輪驅(qū)動形式設(shè)計，這樣可以增大工作臺的面積，增大切割能力[7]。 我國半導體切割技術(shù)起步較晚，目前國內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開發(fā)的DXQ601型多線切割機，具有手動、自動功能模式。界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進給速度、砂漿流量。其操作簡潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準確，保證切片精度。采用主軸電機變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機閉環(huán)控制。 樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內(nèi)圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出，線切割硅片表面粗糙度大，外表面損傷大，但損傷層的厚度要小于常規(guī)內(nèi)圓鋸切割硅片，并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺往復式金剛石線鋸機床。孫建章等人設(shè)計了一臺往復自旋式電鍍金剛石線鋸數(shù)控切割機，以氣缸為驅(qū)動裝置，步進電機控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺上實現(xiàn)對非金屬硬脆材料的切割及曲線加工。高偉對固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進行了研究，進行了花崗巖的切割實驗，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。 國內(nèi)最早從事太陽能多線切割機開發(fā)的是上海日進。上海日進引進日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺多線切割樣機，樣機類似NTC MWM442D。樣機在日進內(nèi)部切割試驗結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶實際試用的時候，還是遇到了很多的問題，如成品率低、斷線率高、設(shè)備的控制精度比國外進口設(shè)備要差。 湖南宇晶在2006年左右開始研制多線切割機，主要針對水晶切割市場。經(jīng)過幾年的實驗和改進后，目前在國內(nèi)也已經(jīng)銷售出了幾十臺多線切割機，取得了長足的進步。但是該公司還沒有開發(fā)出適應太陽能硅片切割的多線切割機。 陜西漢江機床公司展出的4620型數(shù)控多線切割機。該機經(jīng)過多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長度820mm，最大存線量800km。其解決了高精度排線導輪的多輥同步驅(qū)動技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線導輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)。 中國電子科技集團承擔的國家重大科技項目300mm多線切割機研制成功，打破了國內(nèi)生產(chǎn)線上運行的12英寸多線切割機全部為進口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機將完成商業(yè)機型的生產(chǎn)工藝驗收。國產(chǎn)切割機無論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標各方面，與國外機相比，已縮小了差距，并接近國外水平[8]。 2 研究的基本內(nèi)容 研究的畢業(yè)設(shè)計所做的課題為金剛石線鋸切割機設(shè)計，要求設(shè)計金剛石線鋸切割機整體結(jié)構(gòu)和各個部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對其機床結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 2.1 基本框架 （1）金剛石線鋸切割機的原理分析； （2）金剛石線鋸切割機床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計； （3）傳動系統(tǒng)和工作臺的設(shè)計； （4）張力調(diào)整裝置設(shè)計 2.2 擬解決的關(guān)鍵問題 本課題是圍繞著金剛石線鋸切割機整體結(jié)構(gòu)來進行系統(tǒng)設(shè)計的。主要的重點和難點為： （1）機床需完成線鋸的直線往復運動。 （2）工作臺需可沿X方向和Y方向的移動。 （3）對切割機導軌平臺、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （4）實現(xiàn)金剛線與工件精確點接觸切割，使其具有工作平穩(wěn)、噪聲低、切割精度高等優(yōu)點。 3 研究的方法及措施 課題的研究主要以理論研究為主，對金剛石線鋸切割機床進行結(jié)構(gòu)分析，確定其結(jié)構(gòu)布局以及各部件選用。內(nèi)容如下： （1）金剛石線鋸切割機的原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 把一根細長的鋼絲繩纏繞在排線輪上，鋼絲兩頭分別由放線機構(gòu)與收線機構(gòu)拉緊。在收放線機構(gòu)與排線輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。排線輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鋼絲往復運動。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動力。切割液由表面活性劑、碳化硅磨料和油基添加劑配制而成。切割時，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線上，切割進給機構(gòu)均勻運動，把硅棒壓向高速往復運動的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。金剛石線鋸切割機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.1。 1—床身；2—X,Y工作臺；3—導向輪；4—金剛石切割微線；5—繞線輪；6—張緊輪；7—滾筒；8—切削液 圖3.1 金剛石線鋸切割機的總體結(jié)構(gòu)示意圖 （2）傳動系統(tǒng)和工作臺的設(shè)計 設(shè)計的切割機床的主傳動系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動，步進電機帶動金剛石線鋸框架沿垂直燕尾形導軌上下滑動，工作臺運動機構(gòu)由固定在機床上的步進電機及滾珠絲杠和直線導軌組成，機床的傳動系統(tǒng)：工件安裝在工作臺上，工作臺沿縱、橫2個坐標軸運動，可同時達到平面曲線的任意一點，實現(xiàn)切割運動軌跡的控制。X，Y坐標工作臺用來裝夾工件，X軸和Y軸由控制箱發(fā)出進給信號，分別控制兩個步進電機，進行預定的加工。其主要由滑塊、導軌、絲杠運動副、齒輪傳動機構(gòu)幾部分分組成，如圖3.2。 圖3.2金剛石切割機床傳動圖 （3）張力調(diào)整裝置設(shè)計 在加工過程中，線鋸會因為熱伸長和損耗等導致線鋸張力下降。如果線鋸張力不恒定，隨著張力的減小或增大線鋸的理論位置與實際切割時位置(動態(tài)平衡位置)的偏移量不恒定。從而造成加工尺寸誤差、切割表面凸凹不平等。在沒有恒張力機構(gòu)輔助工作時，加工過程中線鋸忽緊忽松，張力隨時發(fā)生變化。因此，在金剛石線切割加工中線鋸的恒張力的控制對加工具有重要的意義。用于線切割機的自動張力調(diào)整裝置，目前從原理上可分為兩種：一種是靠彈簧的作用，以變力緊絲，該裝置包括一組導輪和—個彈簧緊絲裝置；另一種是由重力塊作用，以恒力緊絲。該裝置包括一組導輪和一個重力塊。本設(shè)計研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、靈敏可靠、體積小的張力凋整裝置，如圖3.3所示。 1—導向套；2—定位架；3—導軌盒；4—彈簧；5—導向壓桿；6—壓輪；7—輔助導向器；8—位置調(diào)整機構(gòu)；9—下導向器 圖3.3自動張絲裝置的結(jié)構(gòu)圖 4 預期成果 通過分析，解決金剛石線鋸切割機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和各個部件選用、布局，改善金剛石線鋸切割機的性能。此設(shè)計從以下幾個方面著手：（1）介紹金剛石線鋸切割機發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀，研究方向，進展情況，存在問題；（2）對切割機導軌平臺、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）實現(xiàn)金剛線與工件精確點接觸切割，使其具有工作平穩(wěn)、噪聲低、切割精度高等優(yōu)點。完成部件零件圖及整體裝配圖，完成設(shè)計說明書（論文） 5 研究工作進度計劃 2012.11.01-2012.12.25 準備和閱讀資料、完成外文翻譯、文獻綜述及開題報告； 2013.01.01-2013.01.05 完成文獻綜述的修改、定稿；開題答辯； 2013.01.17-2013.04.04 機構(gòu)分析與校核計算； 2013.04.07-2013.04.25 機械裝配圖繪制； 2013.04.28-2013.05.12 機械零件圖繪制，論文及設(shè)計說明書撰寫； 2013.05.13-2013.05.20 成稿、修改、裝訂，準備答辯。 1 參考文獻 [1] 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