DXQ-601型多線切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

DXQ-601型多線切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

力和摩擦力引起的鋸切力以及鋸切力與工件的厚度、工件進(jìn)給速度、鋸絲的鋸切速度、工件材料的性質(zhì)等的關(guān)系，為多線切割機(jī)研制提供理論依據(jù)。1前言多線切割機(jī)是近十幾年來(lái)獲得迅速發(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)，分為往復(fù)式和單向式。目前在光電子工業(yè)中使用最為廣泛的是往復(fù)式多線切割機(jī)。多線切割機(jī)使用高硬度的SiC作為磨料，最典型的是用于太陽(yáng)能電池硅片切割中使用的磨粒，尺寸為十個(gè)微米，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)體和太陽(yáng)能電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，多線切割機(jī)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、產(chǎn)量大、效益高等。2多線切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)用多線切割機(jī)切割脆性材料的工藝最早于20世紀(jì)70年代提出，20世紀(jì)80年代實(shí)現(xiàn)了用于硅片切割的多線切割機(jī)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，尤其是近幾年來(lái)，國(guó)外多線切割機(jī)得到了快速發(fā)展，對(duì)其研究也更為深入。但我國(guó)對(duì)多線切割機(jī)研制才剛剛起步，雖然進(jìn)行了大量的研究，但目前還沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的多線切割機(jī)。許多關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有實(shí)用化，所以對(duì)多線切割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究很有必要。但多線切割機(jī)的設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)必須研究鋸絲鋸切力和SIC磨粒之間的關(guān)系，研究鋸切工藝參數(shù)對(duì)鋸切能力的影響，以下是要研究的幾個(gè)方面：工件向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，除磨漿的組成配比外，磨漿在切割區(qū)的運(yùn)動(dòng)和作用，對(duì)線鋸的切割特性的影響。通過(guò)對(duì)單晶硅進(jìn)行切割。圖中：鋸絲的速度為Vs；工件的進(jìn)給速度為Vw；工件的切割厚度Lw鋸絲的半徑為R（直徑d）；磨粒密度C.由于多線切割機(jī)的鋸切力是所有參加切削的SiC顆粒所受鋸切力的總和，因此先分析計(jì)算鋸切力，建立如下坐標(biāo)系：過(guò)鋸絲中心，工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向的反方向?yàn)閤軸，過(guò)鋸絲軸線與鋸絲運(yùn)動(dòng)方向相同的方向?yàn)閦軸，垂直于x、軸且過(guò)鋸絲中心的直線為y軸。如：在x、平面內(nèi)，少角處取一微段ds=R*d屮則得鋸絲上軸心方向的微面積為dAn=Lw*ds=：Lw*R*d屮在微面積dAn內(nèi)磨粒的數(shù)量為dNc=CdA，根據(jù)SmalKin，N.H.COOK的理論表明，磨削力由兩部分組成：切削變形分力和磨擦力，由于鋸切過(guò)程實(shí)質(zhì)是磨削的過(guò)程，所以鋸切力也可分成切削變形分力和磨擦力，因此單線微面積內(nèi)的鋸切力為：力；dFt為微面積內(nèi)沿鋸絲運(yùn)動(dòng)方向的切向鋸切力；dFm為微面積內(nèi)切削變形產(chǎn)生的法向鋸切力；dFns為微面積內(nèi)磨擦產(chǎn)生的法向鋸切力；dFtc為微面積內(nèi)切削變形產(chǎn)生的切向鋸切力；dFte為微面積內(nèi)磨擦產(chǎn)生的切向鋸切力。對(duì)于單個(gè)磨粒切削刃所受的切削力（見(jiàn)），利用S.MaLKin的結(jié)論有：向鋸切力；Fet為單個(gè)磨粒受到的切向鋸切力；Fen.為由切削變形引起的單個(gè)磨粒上的垂直于鋸絲表面的法向作用力；Fetc為由切削變形引起的單個(gè)磨粒上的切向作用力；Fens為由摩擦產(chǎn)生的單個(gè)磨粒上垂直于鋸絲表面的法向摩擦力；Fets為由摩擦產(chǎn)生的單個(gè)磨粒上的切向摩擦力。2.1.1單顆SiC磨粒由切屑變形引起的鋸切力在鋸切過(guò)程中，在工件以高速度進(jìn)給壓力的作用下，SiC顆粒以一定的深度壓入晶體內(nèi)部，因此單個(gè)SiC顆粒由切削變形引起的法向鋸切力為：S為切屑的平均斷面積。切屑的平均斷面積S應(yīng)是未變形切屑的平均厚度h長(zhǎng)和平均寬度的乘積b：根據(jù)體積不變?cè)碛校篣w=U.*Nc：Uw為單位時(shí)間內(nèi)去除工件材料的體積。Nc為單位時(shí)間內(nèi)參加切削的SiC顆粒數(shù)目。則所取微面積內(nèi)的SiC磨粒單位時(shí)間內(nèi)去除材料的體積為：因此，微面積內(nèi)單個(gè)顆粒的平均切削厚度為：則單顆磨粒的平均切削面積為：至于切削變形產(chǎn)生的切向力，如只考慮切削作用于磨粒前面的法向力而忽略切削和磨粒的摩擦力，并假定磨粒為圓錐形，圓錐的軸線與鋸絲的軸線垂直并相交，按幾何關(guān)系有：則微面積內(nèi)單個(gè)磨粒上由切削變形引起的切向鋸切力為：2.1.2由磨擦產(chǎn)生的鋸切力由SiC和硅的磨擦力產(chǎn)生的法向鋸切力和切向鋸切力可用下述方法計(jì)算。單顆SiC顆粒對(duì)硅的鋸切過(guò)程類(lèi)似于磨削，而法向磨削是磨粒和工件材料之間的平均接觸壓力。它與工件材料在磨削情況下的硬度成正比，于是有：4為SiC顆粒和被切材料的平均接觸壓力；設(shè)hc為SiC顆粒的壓入深度，根據(jù)幾何關(guān)系有：r=h，tg6單個(gè)SIC顆粒由磨擦力產(chǎn)生的法向鋸切力為：（總第同樣，類(lèi)似于摩削，切向鋸切力也隨sic顆粒與工件間的接觸面積線性加，并且SIC顆粒與工件間的磨擦系數(shù)是常數(shù)，設(shè)磨擦系數(shù)為M則單個(gè)SIC顆粒與工件間由磨擦產(chǎn)生的切向力為：?jiǎn)蝹€(gè)磨粒受到的垂直于鋸絲表面的法向鋸切力和切向鋸切力分別為：將垂直于鋸絲表面的法向鋸切力分解成沿x軸的進(jìn)給抗力Fenx和沿y軸的力FF胃將相互抵消，根據(jù)幾何關(guān)系，進(jìn)給抗力Fenx可按下式計(jì)算：有法向鋸切力和切向鋸切力分別為：將上式在上積分，便得鋸切過(guò)程中由切削變型和摩擦引起的總的進(jìn)給抗力和總的切向鋸切力?；?jiǎn)得0是與磨粒材料性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)，這里不討論磨粒形狀性質(zhì)，所以認(rèn)為是一個(gè)相對(duì)固定值。則有：r為SiC顆粒垂直投影的半徑；4為SiC顆粒和硅材料間的平均接觸壓力；"為摩擦系數(shù)；601型多線切割機(jī)的相關(guān)工藝參數(shù)R=0.07mm（鋸絲直徑L=156mm（切割太陽(yáng)能；方片0.3~0.8mm/min（切割太陽(yáng)能方片時(shí)，工作由上式可以看出：多線切割機(jī)的鋸切力和工件的厚度及工件的進(jìn)給速度成正比，和鋸絲的鋸切速度成反比，并和工件材料性質(zhì)有關(guān)。臺(tái)常設(shè)速度范圍）；Vs=2001000mm/min（切割太陽(yáng)能方片時(shí)，常設(shè)定速度范圍）；3.1鋸絲速度對(duì)鋸切過(guò)程影響的分析當(dāng)Vw―定時(shí)，鋸絲運(yùn)動(dòng)Vs取200，400，600，800，1000mm/min，Vs與單根鋸絲法向鋸切力Fn、切向鋸切力Ft之間的關(guān)系，由公式可以看出，法向鋸切力和切向鋸切力與鋸絲速度成反比，隨鋸絲運(yùn)動(dòng)速度的大而減小。鋸絲速度對(duì)鋸切過(guò)程的影響，選用SiC磨料的粒度為1000，進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算看出：?jiǎn)胃徑z在進(jìn)給壓力一定的情況下，隨著鋸絲速度的提高，鋸切力有所下降，如，分析原因：隨著鋸切速度提高，單位時(shí)間內(nèi)參加切割的SiC磨粒數(shù)將多，因此鋸切效率隨著鋸切速度的提高而提高，另一方面，鋸切速度的提高會(huì)使單顆SiC顆粒的切入深度減小，從而使鋸切力降低。3.2工件進(jìn)給速度對(duì)鋸切過(guò)程影響的分析研究當(dāng)Vs―定時(shí)，工作臺(tái)進(jìn)給速度Vw取0.2，0.4，0.6，0.8mm/min，單根鋸絲法向鋸切力Fn、切向鋸切力Ft與Vw之間的關(guān)系。從計(jì)算可以看出，法向鋸切力和切向鋸切力與工件進(jìn)給速度成正比，隨工件進(jìn)給速度的大而大。當(dāng)選用SiC磨料的粒度為1000，鋸絲速度為行計(jì)算。由可以看出，隨著工件的進(jìn)給速度大，進(jìn)給壓力明顯大，且工件進(jìn)給速度基本與進(jìn)給壓力成正比；隨著進(jìn)給壓力的大，法向鋸切力，切向鋸切力也隨之大。分析結(jié)果：工件的進(jìn)給速度大，使進(jìn)給壓力的大，會(huì)使SiC微粒的壓入深度加，從而提高了鋸切力，進(jìn)而提高了鋸切效率。另一'方面，進(jìn)給壓力的大，加了單顆SiC微粒的切削面積，從而使鋸切力也大。即工作臺(tái)進(jìn)給速度與鋸切力的關(guān)系是：法向鋸切力和切向鋸切力都與工件進(jìn)給的速度成正比，隨著工件進(jìn)給速度的高，鋸切力將大。但鋸切力過(guò)大，又容易引起斷線，所以工件進(jìn)給速度應(yīng)在0.20.8mm/min的范圍內(nèi)。工作臺(tái)進(jìn)給速度和鋸切力的關(guān)系4結(jié)論本章在分析SIC顆粒和鋸絲受力情況下，根據(jù)多線切割機(jī)鋸切機(jī)理，認(rèn)為