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磨料水射流车削加工单晶硅的实验研究

作　者: 卫排锋
导　师: 雷玉勇
学　校: 西华大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 水射流磨料水射流车切单晶硅切缝宽度表面粗糙度 MATLAB
分类号: TG51
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

单晶硅是现代半导体器件的基础材料,被称为“微电子大厦的基石”,同时也是太阳能光伏产业的基础材料。研究单晶硅材料的切割加工具有十分重要的理论意义和实际应用价值。磨料水射流技术是近年来发展起来的特种加工技术,是一种“冷”切割加工方式,具有无热影响区、切口质量好、无火花、环境友好等优点,尤其适用于热敏、压敏、高硬度、高脆性、难加工材料和复合材料等的切割加工,在机械制造、航空航天、军工、医疗、新能源等领域具有广泛的应用前景。本文应用磨料水射流技术对单晶硅进行了车削实验研究。论文对单晶硅车削加工的宏观表面特征、切割加工参数对加工能力和加工质量的影响进行了研究。车削加工切口的几何特征表明,磨料水射流车削时既有普通切割时存在的表面特征又有其独有的加工特征。在直线切割时形成收敛型切口、平行型切口和发散型切口。在磨料水射流车削时表现为正锥型、倒锥型的锥度。在直线切割时切割断面表现的不同区域在车削时根据喷嘴运动速度与工件转速之间的相对运动速度不同,也表现为车削磨损区,变形磨损区和射流反弹区三个环状区域。论文研究了射流压力、靶距、喷嘴横移速度、工件转速对切缝宽度和光滑区表面粗糙度的影响。结果表明,随着射流压力的增加,切缝宽度和光滑区表面粗糙度都随之减小。存在一个约5mm的最佳靶距使切缝宽度最小,随着靶距的增大,表面粗糙度值先减小后增加。因此存在一个最佳靶距使表面粗糙度最小。随着喷嘴横移速度增加,切缝宽度减小,而加工表面粗糙度随着喷嘴横移速度的增加而增大。当工件转速增加时,切缝宽度和表面粗糙度都是先减小后增加,但表面粗糙度随工件转速的变化趋势并不显著。论文用正交实验法对磨料水射流车削加工单晶硅棒进行了实验研究和数据分析。切缝宽度的极差分析结果表明,靶距对结果的影响程度很大,其次射流压力对切缝宽度也有很重要的影响,根据实验的参数水平及优化结果选择了较优的水平组合,射流压力P=230Mp,靶距S=5mm,进给速度V=25mm/min,工件转速N=10r/min。表面粗糙度极差分析结果表明,射流压力对表面粗糙度的影响程度较大,所以车削时应根据所要求的表面粗糙度值、能源损耗程度、经济成本慎重选择压力;其次影响较大的是靶距。最后根据实验的参数水平及优化结果选择了较优的水平组合,即射流压力P=230Mp,靶距S=5mm,进给速度V=30mm/min,工件转速N=10r/min。论文用回归分析方法和matlab语言,建立了磨料水射流车切单晶硅片切缝宽度和表面粗糙度的预测模型。切缝宽度的预测模型为: ln W = 703.718P ?0 .8525 S 0.1498V 0.0223 N?0.0239。表面粗糙度的预测模型为: ln R = 1.016P -0 .012 S 0.035V 1.171 N-0.037。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-25
  1.1 磨料水射流技术概述  11
  1.2 磨料水射流特种加工技术  11-17
    1.2.1 磨料水射流特种加工的特点  13-16
    1.2.2 磨料水射流特种加工的精度  16
    1.2.3 磨料水射流特种加工的经济性分析  16-17
  1.3 磨料水射流特种加工技术的国内外研究现状  17-21
    1.3.1 磨料水射流特种加工应用研究  17-19
    1.3.2 磨料水射流特种加工工艺研究  19-20
    1.3.3 磨料水射流特种加工理论模型研究  20-21
  1.4 半导体硅加工简介  21-23
  1.5 课题提出的背景及研究内容  23-25
    1.5.1 问题提出  23-24
    1.5.2 本文研究的主要内容  24-25
2 磨料水射流车削加工的理论研究  25-36
  2.1 车削加工基本理论  25-29
    2.1.1 切削运动  25
    2.1.2 切削用量  25-26
    2.1.3 切削层参数  26-27
    2.1.4 刀具磨损  27-28
    2.1.5 车削加工理论  28-29
  2.2 磨料水射流流体理论  29-31
    2.2.1 三相流体状态  29-30
    2.2.2 流体的粘性  30-31
  2.3 磨料水射流车削工艺参数  31-33
    2.3.1 水力参数  31-32
    2.3.2 切割参数  32-33
    2.3.3 车切几何参数  33
  2.4 磨料水射流车削理论  33-35
    2.4.1 车切特征  33-34
    2.4.2 车削模型理论  34-35
  2.5 本章小结  35-36
3 磨料水射流车削加工实验研究  36-56
  3.1 磨料水射流车削的实验方案  36-37
  3.2 磨料水射流车削实验基本条件  37-45
    3.2.1 实验材料选择  37-39
    3.2.2 实验设备  39-44
    3.2.3 车削加工参数的选择  44-45
  3.3 磨料水射流车削的切口形状特点  45-49
    3.3.1 车削表面锥度  47
    3.3.2 车削表面波纹度  47-49
  3.4 磨料水射流车削加工参数对切缝宽度的影响  49-52
    3.4.1 射流压力对切缝宽度的影响  49-50
    3.4.2 靶距对切缝宽度的影响  50-51
    3.4.3 横移速度对切缝宽度的影响  51
    3.4.4 工件转速对切缝宽度的影响  51-52
  3.5 磨料水射流车削加工参数对表面粗糙度的影响  52-55
    3.5.1 射流压力对表面粗糙度的影响  52-53
    3.5.2 靶距对表面粗糙度的影响  53
    3.5.3 横移速度对表面粗糙度的影响  53-54
    3.5.4 工件转速对表面粗糙度的影响  54-55
  3.6 本章小结  55-56
4 磨料水射流车削单晶硅切缝宽度和表面粗糙度回归分析  56-65
  4.1 磨料水射流车削工艺参数优化的实验设计方法  56-59
    4.1.1 实验材料及优化目标  56-57
    4.1.2 工艺因素及水平值  57-58
    4.1.3 磨料水射流车削工艺参数优化正交表的设计  58-59
  4.2 磨料水射流车削硅棒加工工艺优化结果及分析  59-62
    4.2.1 实验结果的极差分析  60-61
    4.2.2 实验数据极差分析  61-62
  4.3 磨料水射流车切单晶硅模型  62-63
    4.3.1 磨料水射流车削模型建立  62-63
    4.3.2 实验数据处理分析  63
  4.4 本章小结  63-65
5 磨料水射流车削回归模型的实验验证  65-69
  5.1 实验目的  65
  5.2 实验实施  65-68
  5.3 本章小结  68-69
6 结论与展望  69-71
  6.1 结论  69-70
  6.2 展望  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间学术论文及科研情况  74-75
致谢  75-76

磨料水射流车削加工单晶硅的实验研究

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