金剛石線鋸切割機設計[含CAD高清圖紙和文檔全套]

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J.R使用日本Yasunagar公司的YQ100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于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結論：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，如今已成為業(yè)界的技術帶頭人。TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm200mm之間半導體材料的切割。該公司其他一些線切割設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)驅動形式，可切150150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)驅動形式，存線長度達400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機基礎上研制出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設備，E400E-12為300mm設備。HCT公司與M&B線切割機設備主要以四軸導輪驅動形式設計，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起步較晚，目前國內(nèi)處于領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，以氣缸為驅動裝置，步進電機控制鋸絲旋轉，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，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)部切割試驗結果良好，切除的硅片質量完全合格。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、設備的控制精度比國外進口設備要差。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，突破并掌握關鍵技術而開發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設備，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動技術，恒張力控制技術，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。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)設計所做的課題為金剛石線鋸切割機設計，要求設計金剛石線鋸切割機整體結構和各個部件的選用、布局，改善其性能，從結構方面分析，對其機床結構進行設計。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構設計；（3）傳動系統(tǒng)和工作臺的設計；（4）張力調(diào)整裝置設計2.2 擬解決的關鍵問題本課題是圍繞著金剛石線鋸切割機整體結構來進行系統(tǒng)設計的。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)整裝置的結構設計。（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構分析，確定其結構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構設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與收線機構拉緊。在收放線機構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，實現(xiàn)鋼絲往復運動。設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量硅片。金剛石線鋸切割機的總體結構設計如圖3.1。1床身；2X,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構示意圖（2）傳動系統(tǒng)和工作臺的設計設計的切割機床的主傳動系統(tǒng)采用步進電機驅動，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。本設計研制了一種結構簡單、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；9下導向器圖3.3自動張絲裝置的結構圖4 預期成果通過分析，解決金剛石線鋸切割機整體結構設計和各個部件選用、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)整裝置的結構設計；（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 孫建章，呂玉山，劉興文往復自旋式電鍍金剛石絲鋸數(shù)控切割機的設計研究J機械設計與制造，2003（8）：52-542 鄭超硅片切割設備現(xiàn)狀與發(fā)展綜述J超硬材料論壇論文集，2011（1）：191-1963 肖天元，韓向利虛擬制造技術JCAD工程設計及自動化2007（4）：49-544 Bhagirat M. 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