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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
譯文及原稿
譯文題目：
線(xiàn)鋸過(guò)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(xiàn)鋸過(guò)程中凹凸不平面的損傷情況
摘要：線(xiàn)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(yáng)能電池和微電子產(chǎn)業(yè)。這個(gè)線(xiàn)鋸過(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(cè)粗糙度損害令人滿(mǎn)意。該模型顯示這種粗糙度損傷比率是進(jìn)給速度與線(xiàn)速度成正比。提高效率的過(guò)程在于不增加粗糙度損傷而通過(guò)增加進(jìn)給速度正比線(xiàn)速度的比率。線(xiàn)張力不影響粗糙度損傷。但是，導(dǎo)線(xiàn)的性能影響粗糙度損傷。導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)鋸
1 介紹
硅晶片用于太陽(yáng)能電池和微電子學(xué)產(chǎn)業(yè)可以減少?gòu)墓杈w使用內(nèi)徑(ID)鋸或線(xiàn)鋸。線(xiàn)鋸的優(yōu)勢(shì)是ID可以看見(jiàn)。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(xiàn)鋸高于一個(gè)ID。線(xiàn)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(lèi)的陶瓷，包括泡沫陶瓷。穆勒指出，線(xiàn)鋸過(guò)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(lái)采取優(yōu)化過(guò)程的措施：通過(guò)發(fā)展模型相關(guān)的工藝參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量和過(guò)程效率。
20世紀(jì)90年代，早期的線(xiàn)鋸是在晶圓生產(chǎn)裸鋼絲和磨料泥漿過(guò)程中開(kāi)發(fā)的，在研磨加工中使用彈性流體動(dòng)力。研磨顆粒可以是SiC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(xiàn)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(wèn)題。油性泥漿的使用處理也是一個(gè)問(wèn)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(lái)看，考慮到高數(shù)量的泥漿處理過(guò)程，水性通常是優(yōu)選的。
Clark等人說(shuō)，為了提高生產(chǎn)率和能夠削減更硬的陶瓷，開(kāi)發(fā)了鑲金剛石線(xiàn)。其適用于磨削加工。
在自由磨料線(xiàn)鋸中，送絲速度為5?15米/秒，線(xiàn)張力為20?30N。在電線(xiàn)弓中，其結(jié)果使得所述導(dǎo)線(xiàn)達(dá)到2度到6度的水平。在研磨加工工藝的線(xiàn)鋸中，線(xiàn)速度較低的材料去除是不會(huì)發(fā)生水動(dòng)力作用的。
線(xiàn)鋸過(guò)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(xiàn)鋸的過(guò)程。穆勒提出的材料去除機(jī)制對(duì)于自由磨料加工開(kāi)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(xiàn)鋸切割巖石是赫茲類(lèi)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(xiàn)的剛度和研究在張力作用下的導(dǎo)線(xiàn)，還有振動(dòng)特征對(duì)線(xiàn)速度，張力，和漿料粘度的研究。當(dāng)線(xiàn)速度低于25米/秒時(shí)，增加線(xiàn)張力和漿粘度而降低振幅和切口損失，對(duì)它幾乎沒(méi)有影響。
Clark等人監(jiān)測(cè)線(xiàn)鋸過(guò)程，線(xiàn)速度，送絲速度和線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)有關(guān)的線(xiàn)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(jiàn)的取向的方法。他們通過(guò)切片硅晶體的各向異性來(lái)確定的方向。
硅片的鋼絲鋸對(duì)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(duì)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(xiàn)鋸損傷模型可以看出線(xiàn)鋸過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，用損傷模型來(lái)預(yù)測(cè)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(guò)程
線(xiàn)鋸的實(shí)驗(yàn)是在氧化鋁陶瓷上進(jìn)行的。在線(xiàn)鋸切削試驗(yàn)中測(cè)量了絲弓角，軸向線(xiàn)速度Vx和進(jìn)給速率Vz。同時(shí)也測(cè)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(cè)量中所使用的設(shè)備本節(jié)介紹及工藝參數(shù)。
2.1 線(xiàn)鋸切割和絲弓角測(cè)量
圖1 單絲，閥芯閥芯線(xiàn)鋸機(jī)，該線(xiàn)軌道，由虛線(xiàn)標(biāo)記。（DWT公司，千禧年生產(chǎn)的模型，
美國(guó)科羅拉多州Springs，美國(guó)）
實(shí)驗(yàn)中使用線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)生產(chǎn)的）。這種閥芯對(duì)閥芯的線(xiàn)鋸機(jī)搖擺運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)可控制線(xiàn)速度Vx，進(jìn)料速度Vz和線(xiàn)張力T。張力由緊線(xiàn)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(xiàn)的切割長(zhǎng)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(xiàn)是從一個(gè)線(xiàn)軸轉(zhuǎn)移到其他的線(xiàn)軸。
在切割過(guò)程中使用的冷卻劑包括水和潤(rùn)滑劑Sawzit（合成潤(rùn)滑劑公司的產(chǎn)品），它們的比例為50/1。
線(xiàn)鋸實(shí)驗(yàn)使用了四種不同的金剛石涂層鋼線(xiàn)。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(xiàn)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(duì)加工對(duì)象物的切削的測(cè)試。切割樣品的長(zhǎng)度是在15~20毫米之間，高度7.1毫米。一組測(cè)試完成DWS2的線(xiàn)速度變化Vx=1.3，1.8，2.95，3.5米/秒，線(xiàn)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(duì)表面質(zhì)量影響，每個(gè)線(xiàn)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(xiàn)鋼絲DWS3，DWS4和DWS5。
圖2 線(xiàn)鋼絲鋸弓角測(cè)試
用一個(gè)2856×2142像素的數(shù)碼相機(jī)（柯達(dá)易購(gòu)DX7630）來(lái)測(cè)量絲弓角，其角度如圖2。圖像的線(xiàn)和樣品收集過(guò)程如圖3。氧化鋁陶瓷SEM圖像的線(xiàn)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(xiàn)和水平之間。平均穩(wěn)態(tài)絲弓角α的測(cè)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(cè)量和掃描電鏡成像
切割表面的表面粗糙度的測(cè)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(cè)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(cè)量中，需要連續(xù)的輪廓測(cè)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(cè)量，是指測(cè)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(guò)測(cè)量后，用版本8.1.5Zygo公司開(kāi)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(xiàn)的算術(shù)平均偏離就可以獲得最佳擬合平面。三次測(cè)量的平均值作為表面粗糙度（Ra）的測(cè)試值。
圖3氧化鋁陶瓷的線(xiàn)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(lái)自中心線(xiàn)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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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文 獻(xiàn) 綜 述
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 文獻(xiàn)綜述
?金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)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(xué)性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學(xué)及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導(dǎo)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(zhǎng)，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(jī)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(lái)越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)是近十幾年來(lái)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(lèi)。根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，也可分為往復(fù)式和單向線(xiàn)鋸。金剛石線(xiàn)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(gè)微米，同時(shí)具備線(xiàn)鋸切割的特點(diǎn)，能夠?qū)τ泊嗖牧线M(jìn)行精密、窄鋸縫切割，且可實(shí)現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線(xiàn)鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 國(guó)外線(xiàn)鋸切割機(jī)概況
用金剛石線(xiàn)鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mesh于20世紀(jì)70年代提出W.Ebner進(jìn)行了早期線(xiàn)鋸加工實(shí)驗(yàn),由一個(gè)主動(dòng)輪鼓和一個(gè)從動(dòng)滑輪組成往復(fù)式多線(xiàn)鋸的往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)床，金剛石鋸的兩端繞過(guò)滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鼓帶動(dòng)鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。W.Ebner用之進(jìn)行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線(xiàn)鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線(xiàn)鋸進(jìn)行了硅切片實(shí)驗(yàn)，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(duì)金剛石線(xiàn)鋸的切害特性進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究[3]。
20世紀(jì)90年代，尤其是近幾年來(lái)，金剛石線(xiàn)鋸得到了快速發(fā)展，對(duì)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(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng)，同時(shí)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(diǎn)研究了磨粒嵌入工件時(shí)的應(yīng)力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對(duì)材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對(duì)磨料的選擇進(jìn)行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動(dòng)一嵌入”模型中，磨粒的運(yùn)動(dòng)除滾動(dòng)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(gè)模型中考慮了磨漿的作用并認(rèn)為，在鋸絲帶動(dòng)游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)彈性流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(dòng)產(chǎn)生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對(duì)薄片切割過(guò)程中鋸絲的振動(dòng)模型和熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出一個(gè)反饋控制算法，根據(jù)在線(xiàn)測(cè)得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行控制，最后提出了一種分析、改進(jìn)鋸切工藝的方法。Wei等人對(duì)單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的鋸絲振動(dòng)模型，通過(guò)振動(dòng)仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應(yīng)和磨漿阻尼對(duì)鋸絲振動(dòng)幅度的影響并認(rèn)為，鋸絲振動(dòng)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(duì)切片表面質(zhì)量進(jìn)行了高精度測(cè)量[5]。
在得到廣泛應(yīng)用的游離磨料線(xiàn)切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無(wú)疑對(duì)切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時(shí)也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開(kāi)發(fā)了一種適合切割大截面硅片時(shí)使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過(guò)濾機(jī)對(duì)被微細(xì)硅切屑所污染的磨漿進(jìn)行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對(duì)油基磨漿的凈化和回收進(jìn)行了研究并認(rèn)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(dǎo)磁體分離器先進(jìn)行被磁化磨粒的分離，再進(jìn)行硅粉末的分離，實(shí)現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。
國(guó)外線(xiàn)切割設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家主要有日本TAKATORI公司，不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)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(xiàn)切割機(jī)水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來(lái)，專(zhuān)攻線(xiàn)切割機(jī)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(dǎo)體材料的切割。該公司其他一些線(xiàn)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(xiàn)切割機(jī)產(chǎn)品都屬于三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，MWS-610SD采用材料向下運(yùn)動(dòng)的切割方式。這兩種線(xiàn)切割機(jī)線(xiàn)絲存線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社線(xiàn)切割機(jī)主要有FSW-150型。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，可切150×150方形材料（主要針對(duì)太陽(yáng)能光電硅材料切割）存線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線(xiàn)切割機(jī)MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，存線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)400KM。瑞士M&B公司在原DS260線(xiàn)切割機(jī)基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機(jī)型。其中DS262機(jī)型是專(zhuān)為太陽(yáng)能級(jí)硅片切割設(shè)計(jì)的，該機(jī)型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動(dòng)切割過(guò)程中能切出圓片4400片。BS800機(jī)型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備[7]。
M&B公司線(xiàn)切割機(jī)主要用于200mm硅圓片和太陽(yáng)能級(jí)硅片的切割加工，四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式，大大增強(qiáng)了工作臺(tái)的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線(xiàn)切割機(jī)主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機(jī)型主要用于太陽(yáng)能級(jí)硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導(dǎo)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(xiàn)切割機(jī)設(shè)備主要以四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)，這樣可以增大工作臺(tái)的面積，增大切割能力[8]。
2.2 國(guó)內(nèi)線(xiàn)鋸切割機(jī)概況
我國(guó)半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開(kāi)發(fā)的DXQ601型多線(xiàn)切割機(jī)，具有手動(dòng)、自動(dòng)功能模式。界面直接顯示線(xiàn)速、張力、被切材料的切割位置和進(jìn)給速度、砂漿流量。其操作簡(jiǎn)潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準(zhǔn)確，保證切片精度。采用主軸電機(jī)變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機(jī)閉環(huán)控制[9]。
樊瑞新和盧煥明對(duì)比線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺(tái)往復(fù)式金剛石線(xiàn)鋸機(jī)床。孫建章等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)往復(fù)自旋式電鍍金剛石線(xiàn)鋸數(shù)控切割機(jī)，以氣缸為驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬硬脆材料的切割及曲線(xiàn)加工。高偉對(duì)固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸的鋸絲制造進(jìn)行了研究，進(jìn)行了花崗巖的切割實(shí)驗(yàn)，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機(jī)理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因[10]。
國(guó)內(nèi)最早從事太陽(yáng)能多線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)發(fā)的是上海日進(jìn)。上海日進(jìn)引進(jìn)日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺(tái)多線(xiàn)切割樣機(jī)，樣機(jī)類(lèi)似NTC MWM442D。樣機(jī)在日進(jìn)內(nèi)部切割試驗(yàn)結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶(hù)實(shí)際試用的時(shí)候，還是遇到了很多的問(wèn)題，如成品率低、斷線(xiàn)率高、設(shè)備的控制精度比國(guó)外進(jìn)口設(shè)備要差[11]。
湖南宇晶在2006年左右開(kāi)始研制多線(xiàn)切割機(jī)，主要針對(duì)水晶切割市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，目前在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)銷(xiāo)售出了幾十臺(tái)多線(xiàn)切割機(jī)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是該公司還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適應(yīng)太陽(yáng)能硅片切割的多線(xiàn)切割機(jī)[12]。
陜西漢江機(jī)床公司展出的4620型數(shù)控多線(xiàn)切割機(jī)。該機(jī)經(jīng)過(guò)多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線(xiàn)切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長(zhǎng)度820mm，最大存線(xiàn)量800km。其解決了高精度排線(xiàn)導(dǎo)輪的多輥同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線(xiàn)導(dǎo)輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)[13]。
中國(guó)電子科技集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家重大科技項(xiàng)目300mm多線(xiàn)切割機(jī)研制成功，打破了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線(xiàn)上運(yùn)行的12英寸多線(xiàn)切割機(jī)全部為進(jìn)口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機(jī)將完成商業(yè)機(jī)型的生產(chǎn)工藝驗(yàn)收。國(guó)產(chǎn)切割機(jī)無(wú)論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標(biāo)各方面，與國(guó)外機(jī)相比，已縮小了差距，并接近國(guó)外水平[14]。
3 研究發(fā)展方向
從金剛石線(xiàn)鋸技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，許多突破性技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)，相對(duì)機(jī)理性研究的滯后而言，工業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用發(fā)展很快。下述為近年來(lái)金剛石線(xiàn)鋸裝備技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)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(duì)此，磨漿是一個(gè)重要影響因素。理想的磨漿應(yīng)滿(mǎn)足工藝、環(huán)境與健康、經(jīng)濟(jì)三方面要求，應(yīng)具有粘度適中、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、清潔力強(qiáng)、易處理、可生物降解、無(wú)害、價(jià)格低等特點(diǎn)，其總體趨勢(shì)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(mǎn)足了綠色制造和降低成本的要求。在半導(dǎo)體和光電池切割過(guò)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(dá)到90％金剛石磨?；厥章?。
3.2 大尺寸硅錠加工
金剛石線(xiàn)鋸多采用多線(xiàn)往復(fù)式結(jié)構(gòu)，為滿(mǎn)足大截面切片和提高產(chǎn)量的需求，導(dǎo)輪間距、導(dǎo)輪槽數(shù)和鋸絲長(zhǎng)度不斷增大，提高了大尺寸硅錠的多件、多片同時(shí)切割能力。目前，Diamond Wire Technology部公司生產(chǎn)的金剛石線(xiàn)鋸最大已能切割直徑45Omm的硅錠。MEY-ERBURGER公司生產(chǎn)的DS262型線(xiàn)鋸能同時(shí)切割4根長(zhǎng)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(xiàn)鋸則可同時(shí)對(duì)6根長(zhǎng)500mm、直徑3mm的硅棒進(jìn)行切割，一次切出6000片。
3.3 導(dǎo)輪槽加工
切片加工中，工件由并排繞于導(dǎo)輪上的多條鋸絲同時(shí)切割，片厚由導(dǎo)輪上的線(xiàn)槽間距決定。目前的趨勢(shì)是切片面積越來(lái)越大，厚度越來(lái)越薄，尤其光電池工業(yè)對(duì)厚度偏差和總厚度偏差提出了更高的要求，促進(jìn)新的開(kāi)槽技術(shù)的發(fā)展。
以前的導(dǎo)輪槽底部圓弧曲率半徑大，鋸絲定位不準(zhǔn)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(kāi)槽技術(shù)固定底部半徑50um，槽的斜面粗糙度達(dá)到N5(RaO0.2一0.4um)，整個(gè)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(yáng)能電池切片。
3.4 切割力測(cè)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(duì)鋸絲撓度進(jìn)行非接觸在線(xiàn)測(cè)量，通過(guò)換算得到切割力的大小，并采用搖動(dòng)機(jī)構(gòu)控制切割過(guò)程中（切割圓柱時(shí)）鋸絲對(duì)工件的接觸長(zhǎng)度，使得接觸長(zhǎng)度較小且保持一致，實(shí)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(xiàn)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(qiáng)度，并不常見(jiàn)。而傳統(tǒng)的鎳鍍技術(shù)只能得到數(shù)公里長(zhǎng)的鋸絲，因此電鍍金剛石線(xiàn)據(jù)發(fā)展緩慢。近年來(lái)，新的電鍍技術(shù)突破了這一極限，金剛石線(xiàn)鋸逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。日本的A.L.M.T公司利用其專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)出了100km長(zhǎng)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(xiàn)鋸的研究之外，更要大力投入切割設(shè)備的研究，因?yàn)閮烧呤敲懿豢煞值?。?dāng)然，硬脆材料切割設(shè)備是高精密設(shè)備，除了設(shè)計(jì)之外，還要，還要配以高精密機(jī)械制造裝備和高水平的機(jī)加工，才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)。才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)。超硬材料行業(yè)應(yīng)該為我國(guó)半導(dǎo)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(dāng)前國(guó)外設(shè)備的壟斷局面，做出更大的貢獻(xiàn)。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開(kāi) 題 報(bào) 告
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浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開(kāi)題報(bào)告
1 選題的背景和意義
1.1 選題的背景
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(xué)性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學(xué)及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導(dǎo)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(zhǎng)，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(jī)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(lái)越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)是近十幾年來(lái)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(lèi)。根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，也可分為往復(fù)式和單向線(xiàn)鋸。金剛石線(xiàn)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(gè)微米，同時(shí)具備線(xiàn)鋸切割的特點(diǎn)，能夠?qū)τ泊嗖牧线M(jìn)行精密、窄鋸縫切割，且可實(shí)現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線(xiàn)鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
用金剛石線(xiàn)鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mesh于20世紀(jì)70年代提出W.Ebner進(jìn)行了早期線(xiàn)鋸加工實(shí)驗(yàn),由一個(gè)主動(dòng)輪鼓和一個(gè)從動(dòng)滑輪組成往復(fù)式多線(xiàn)鋸的往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)床，金剛石鋸的兩端繞過(guò)滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鼓帶動(dòng)鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。W.Ebner用之進(jìn)行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線(xiàn)鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線(xiàn)鋸進(jìn)行了硅切片實(shí)驗(yàn)，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(duì)金剛石線(xiàn)鋸的切害特性進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究[3]。
20世紀(jì)90年代，尤其是近幾年來(lái)，金剛石線(xiàn)鋸得到了快速發(fā)展，對(duì)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(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng)，同時(shí)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(diǎn)研究了磨粒嵌入工件時(shí)的應(yīng)力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對(duì)材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對(duì)磨料的選擇進(jìn)行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動(dòng)一嵌入”模型中，磨粒的運(yùn)動(dòng)除滾動(dòng)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(gè)模型中考慮了磨漿的作用并認(rèn)為，在鋸絲帶動(dòng)游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)彈性流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(dòng)產(chǎn)生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對(duì)薄片切割過(guò)程中鋸絲的振動(dòng)模型和熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出一個(gè)反饋控制算法，根據(jù)在線(xiàn)測(cè)得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行控制，最后提出了一種分析、改進(jìn)鋸切工藝的方法。Wei等人對(duì)單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的鋸絲振動(dòng)模型，通過(guò)振動(dòng)仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應(yīng)和磨漿阻尼對(duì)鋸絲振動(dòng)幅度的影響并認(rèn)為，鋸絲振動(dòng)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(duì)切片表面質(zhì)量進(jìn)行了高精度測(cè)量[5]。
在得到廣泛應(yīng)用的游離磨料線(xiàn)切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無(wú)疑對(duì)切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時(shí)也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開(kāi)發(fā)了一種適合切割大截面硅片時(shí)使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過(guò)濾機(jī)對(duì)被微細(xì)硅切屑所污染的磨漿進(jìn)行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對(duì)油基磨漿的凈化和回收進(jìn)行了研究并認(rèn)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(dǎo)磁體分離器先進(jìn)行被磁化磨粒的分離，再進(jìn)行硅粉末的分離，實(shí)現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。
國(guó)外線(xiàn)切割設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家主要有日本TAKATORI公司，不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)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(xiàn)切割機(jī)水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來(lái)，專(zhuān)攻線(xiàn)切割機(jī)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(dǎo)體材料的切割。該公司其他一些線(xiàn)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(xiàn)切割機(jī)產(chǎn)品都屬于三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，MWS-610SD采用材料向下運(yùn)動(dòng)的切割方式。這兩種線(xiàn)切割機(jī)線(xiàn)絲存線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社線(xiàn)切割機(jī)主要有FSW-150型。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，可切150×150方形材料（主要針對(duì)太陽(yáng)能光電硅材料切割）存線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線(xiàn)切割機(jī)MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，存線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)400KM。瑞士M&B公司在原DS260線(xiàn)切割機(jī)基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機(jī)型。其中DS262機(jī)型是專(zhuān)為太陽(yáng)能級(jí)硅片切割設(shè)計(jì)的，該機(jī)型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動(dòng)切割過(guò)程中能切出圓片4400片。BS800機(jī)型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備。
M&B公司線(xiàn)切割機(jī)主要用于200mm硅圓片和太陽(yáng)能級(jí)硅片的切割加工，四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式，大大增強(qiáng)了工作臺(tái)的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線(xiàn)切割機(jī)主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機(jī)型主要用于太陽(yáng)能級(jí)硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導(dǎo)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(xiàn)切割機(jī)設(shè)備主要以四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)，這樣可以增大工作臺(tái)的面積，增大切割能力[7]。
我國(guó)半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開(kāi)發(fā)的DXQ601型多線(xiàn)切割機(jī)，具有手動(dòng)、自動(dòng)功能模式。界面直接顯示線(xiàn)速、張力、被切材料的切割位置和進(jìn)給速度、砂漿流量。其操作簡(jiǎn)潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準(zhǔn)確，保證切片精度。采用主軸電機(jī)變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機(jī)閉環(huán)控制。
樊瑞新和盧煥明對(duì)比線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺(tái)往復(fù)式金剛石線(xiàn)鋸機(jī)床。孫建章等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)往復(fù)自旋式電鍍金剛石線(xiàn)鋸數(shù)控切割機(jī)，以氣缸為驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬硬脆材料的切割及曲線(xiàn)加工。高偉對(duì)固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸的鋸絲制造進(jìn)行了研究，進(jìn)行了花崗巖的切割實(shí)驗(yàn)，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機(jī)理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。
國(guó)內(nèi)最早從事太陽(yáng)能多線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)發(fā)的是上海日進(jìn)。上海日進(jìn)引進(jìn)日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺(tái)多線(xiàn)切割樣機(jī)，樣機(jī)類(lèi)似NTC MWM442D。樣機(jī)在日進(jìn)內(nèi)部切割試驗(yàn)結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶(hù)實(shí)際試用的時(shí)候，還是遇到了很多的問(wèn)題，如成品率低、斷線(xiàn)率高、設(shè)備的控制精度比國(guó)外進(jìn)口設(shè)備要差。
湖南宇晶在2006年左右開(kāi)始研制多線(xiàn)切割機(jī)，主要針對(duì)水晶切割市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，目前在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)銷(xiāo)售出了幾十臺(tái)多線(xiàn)切割機(jī)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是該公司還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適應(yīng)太陽(yáng)能硅片切割的多線(xiàn)切割機(jī)。
陜西漢江機(jī)床公司展出的4620型數(shù)控多線(xiàn)切割機(jī)。該機(jī)經(jīng)過(guò)多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線(xiàn)切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長(zhǎng)度820mm，最大存線(xiàn)量800km。其解決了高精度排線(xiàn)導(dǎo)輪的多輥同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線(xiàn)導(dǎo)輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)。
中國(guó)電子科技集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家重大科技項(xiàng)目300mm多線(xiàn)切割機(jī)研制成功，打破了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線(xiàn)上運(yùn)行的12英寸多線(xiàn)切割機(jī)全部為進(jìn)口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機(jī)將完成商業(yè)機(jī)型的生產(chǎn)工藝驗(yàn)收。國(guó)產(chǎn)切割機(jī)無(wú)論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標(biāo)各方面，與國(guó)外機(jī)相比，已縮小了差距，并接近國(guó)外水平[8]。
2 研究的基本內(nèi)容
研究的畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的課題為金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對(duì)其機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.1 基本框架
（1）金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的原理分析；
（2）金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)；
（4）張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)
2.2 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
本課題是圍繞著金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。主要的重點(diǎn)和難點(diǎn)為：
（1）機(jī)床需完成線(xiàn)鋸的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
（2）工作臺(tái)需可沿X方向和Y方向的移動(dòng)。
（3）對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線(xiàn)張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（4）實(shí)現(xiàn)金剛線(xiàn)與工件精確點(diǎn)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(diǎn)。
3 研究的方法及措施
課題的研究主要以理論研究為主，對(duì)金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)床進(jìn)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(xiàn)鋸切割機(jī)的原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
把一根細(xì)長(zhǎng)的鋼絲繩纏繞在排線(xiàn)輪上，鋼絲兩頭分別由放線(xiàn)機(jī)構(gòu)與收線(xiàn)機(jī)構(gòu)拉緊。在收放線(xiàn)機(jī)構(gòu)與排線(xiàn)輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。排線(xiàn)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)。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動(dòng)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(shí)，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線(xiàn)上，切割進(jìn)給機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)動(dòng)，把硅棒壓向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.1。
1—床身；2—X,Y工作臺(tái)；3—導(dǎo)向輪；4—金剛石切割微線(xiàn)；5—繞線(xiàn)輪；6—張緊輪；7—滾筒；8—切削液
圖3.1 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖
（2）傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的切割機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)金剛石線(xiàn)鋸框架沿垂直燕尾形導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由固定在機(jī)床上的步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠和直線(xiàn)導(dǎo)軌組成，機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)：工件安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)沿縱、橫2個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)達(dá)到平面曲線(xiàn)的任意一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。X，Y坐標(biāo)工作臺(tái)用來(lái)裝夾工件，X軸和Y軸由控制箱發(fā)出進(jìn)給信號(hào)，分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行預(yù)定的加工。其主要由滑塊、導(dǎo)軌、絲杠運(yùn)動(dòng)副、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)幾部分分組成，如圖3.2。
圖3.2金剛石切割機(jī)床傳動(dòng)圖
（3）張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)
在加工過(guò)程中，線(xiàn)鋸會(huì)因?yàn)闊嵘扉L(zhǎng)和損耗等導(dǎo)致線(xiàn)鋸張力下降。如果線(xiàn)鋸張力不恒定，隨著張力的減小或增大線(xiàn)鋸的理論位置與實(shí)際切割時(shí)位置(動(dòng)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(méi)有恒張力機(jī)構(gòu)輔助工作時(shí)，加工過(guò)程中線(xiàn)鋸忽緊忽松，張力隨時(shí)發(fā)生變化。因此，在金剛石線(xiàn)切割加工中線(xiàn)鋸的恒張力的控制對(duì)加工具有重要的意義。用于線(xiàn)切割機(jī)的自動(dòng)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(dǎo)輪和—個(gè)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(dǎo)輪和一個(gè)重力塊。本設(shè)計(jì)研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏可靠、體積小的張力凋整裝置，如圖3.3所示。
1—導(dǎo)向套；2—定位架；3—導(dǎo)軌盒；4—彈簧；5—導(dǎo)向壓桿；6—壓輪；7—輔助導(dǎo)向器；8—位置調(diào)整機(jī)構(gòu)；9—下導(dǎo)向器
圖3.3自動(dòng)張絲裝置的結(jié)構(gòu)圖
4 預(yù)期成果
通過(guò)分析，解決金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各個(gè)部件選用、布局，改善金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的性能。此設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面著手：（1）介紹金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)發(fā)展的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，研究方向，進(jìn)展情況，存在問(wèn)題；（2）對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線(xiàn)張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）實(shí)現(xiàn)金剛線(xiàn)與工件精確點(diǎn)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(diǎn)。完成部件零件圖及整體裝配圖，完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）
5 研究工作進(jìn)度計(jì)劃
2012.11.01-2012.12.25 準(zhǔn)備和閱讀資料、完成外文翻譯、文獻(xiàn)綜述及開(kāi)題報(bào)告；
2013.01.01-2013.01.05 完成文獻(xiàn)綜述的修改、定稿；開(kāi)題答辯；
2013.01.17-2013.04.04 機(jī)構(gòu)分析與校核計(jì)算；
2013.04.07-2013.04.25 機(jī)械裝配圖繪制；
2013.04.28-2013.05.12 機(jī)械零件圖繪制，論文及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)；
2013.05.13-2013.05.20 成稿、修改、裝訂，準(zhǔn)備答辯。
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