金刚石线锯切割机设计开题报告.doc

毕业设计（论文） 开 题 报 告 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 1 1 选题的背景和意义 1.1 选题的背景 脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等，在电子、光学及其它领域得到广泛应用，特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展，需求量不断增加，切割加工量大幅增长，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序，锯切加工成本约占加工 总成本的 50以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展 1。金刚石线锯切割机是近十几年来获得快速发展的一种硬脆材料切割设备，包括使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构，也可分为往复式和单向线锯。金刚石线锯使用高硬度的金刚石作为磨料，其典型磨粒尺寸为数十个微米，同时具备线锯切割的特点，能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割，且可实现成形加工。随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展，金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点：加工表面损伤小、挠曲变形小，切片薄 、片厚一致性好，能切割大尺寸硅锭，省材料、效益高，产量大，效率高等 2。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由 Mesh 于 20 世纪 70 年代提出W.Ebner 进行了早期线锯加工实验 ,由一个主动轮鼓和一个从动滑轮组成往复式多线锯的往复式试验机床，金刚石锯的两端绕过滑轮分别固定在轮鼓径向的两端电机驱动轮鼓带动锯丝往复运动。 W.Ebner 用之进行切割，得到了小于 0.4mm 的切片厚度。 20世纪 80 年代，出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。 Anders J.R 使用日本 Yasunagar公司的 YQ 100 金刚石多线锯进行了硅切片实验，得到的切缝宽度小于 0.16mm，表面损伤层深度小于 5um。 ITo、 Murata、 Tokura 和 Ishikawa 等人则对金刚石线锯的切害特性进行初步实验研究 3。 20 世纪 90 年代，尤其是近几年来，金刚石线锯得到了快速发展，对其研究也更为深入。 Li 等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用，发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下，据此对磨料的选择进行优化。 Kao 等人指出在“滚动一嵌入”模型中，磨粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦，三者共同形成切削作用。 Bhagirat 等人则在浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 2 这个模型中考虑了磨浆的作用并认为，在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内，锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境，用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型，得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数，还得出结论：磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生了切削 4。 Sahoo 等人用有限元方法对薄片切割过程中 锯丝的振动模型和热应力进行了分析，提出一个反馈控制算法，根据在线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度等参数对切割过程进行控制，最后提出了一种分析、改进锯切工艺的方法。 Wei 等人对单晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化铝）进行切割实验，建立了一个轴向运动的锯丝振动模型，通过振动仿真研究了锯丝张紧力、切片的池壁效应和磨浆阻尼对锯丝振动幅度的影响并认为，锯丝振动受走丝速度影响很小，研究中还第一次使用莫尔条纹干涉法对切片表面质量进行了高精度测量 5。 在得到广泛应用的游离磨料线切割加工中，金刚石磨浆的组成特性无疑对切割性能和质 量有直接影响，同时也是加工成本和环境污染的主要决定因素。 Oishi 等人开发了一种适合切割大截面硅片时使用的水溶性冷却剂。 Costantini 和 Caster 使用沉积槽和筐式离心过滤机对被微细硅切屑所污染的磨浆进行了分离，取得了较好效果。Nishijima 等人对油基磨浆的净化和回收进行了研究并认为，锯丝中的铁质粘附于金刚石磨粒的表面从而降低其切削性能，提出用超导磁体分离器先进行被磁化磨粒的分离，再进行硅粉末的分离，实现磨浆的净化和回收重用 6。 国外线切割设备生产厂家主要有日本 TAKATORI 公司，不二越机械 工业株式会社， NTC 公司以及瑞士的 M&B 公司， HCT 公司，从产品技术角度划分，瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是 HCT 公司，该公 1984 年成立以来，专攻线切割机技术，如今已成为业界的技术带头人。 TAKATORI 公司产品主要有 MWS-48SD、 MWS-610、 MWS-610SD 三种，可用于 100mm200mm 之间半导体材料的切割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种线切割机产品都属于三轴 (导轮 )驱动形式， MWS-610SD 采用材料向下运动的切割方式。这 两种线切割机线丝存线长度不超过 150KM。不二越机械工业株式会社线切割机主要有 FSW-150 型。三轴 (导轮 )驱动形式，可切 150 150 方形材料（主要针对太阳能光电硅材料切割）存线长度不超过 150KM。 NTC 公司（日平外山公司）主要提供 300mm 晶圆片线切割机 MNM444B和 MWM454B 两种。三轴 (导轮 )驱动形式，存线长度达 400KM。瑞士 M&B 公司在原 DS260 线切割机基础上研制出 DS261、 DS262、 BS800 三种机型。其中 DS262 机型是专为太阳能级硅片切割设计的，该机型一次可切四根单晶棒料。其最 大生产效率为一次自动切割过程中能切出圆片 4400 片。 BS800 机型是带锯切割方形材料的设备。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 3 M&B 公司线切割机主要用于 200mm 硅圆片和太阳能级硅片的切割加工，四轴导轮驱动形式，大大增强了工作台的承料面积。 HCT 公司生产的线切割机主要有E400SD、 E500SD、 E500ED-8、 E400E-12 四种，其中 E400SD、 E500SD 两种机型主要用于太阳能级硅片切割加工，最大加工到 150mm。 E500ED-8、 E400E-12 适用于半导体圆片加工生产， E500ED-8 为 200mm 设备， E400E-12 为 300mm 设备。 HCT 公司与 M&B线切割机设备主要以四轴导轮驱动形式设计，这样可以增大工作台的面积，增大切割能力 7。 我国半导体切割技术起步较晚，目前国内处于领先水平的是四十五所自主研制开发的 DXQ601 型多线切割机，具有手动、自动功能模式。界面直接显示线速、张力、被切材料的切割位置和进给速度、砂浆流量。其操作简洁直观，热交换器控制砂浆温度，温度控制准确，保证切片精度。采用主轴电机变频控制方式，张力传感器和伺服电机闭环控制。 樊瑞新和卢焕明对比线锯切割硅片和内圆锯切割硅片的表面切割损伤和损伤层厚度并指出，线 切割硅片表面粗糙度大，外表面损伤大，但损伤层的厚度要小于常规内圆锯切割硅片，并讨论了影响线切割硅片表面损伤的原因。毕善斌等人研制了一台往复式金刚石线锯机床。孙建章等人设计了一台往复自旋式电镀金刚石线锯数控切割机，以气缸为驱动装置，步进电机控制锯丝旋转，在二维数控工作台上实现对非金属硬脆材料的切割及曲线加工。高伟对固结磨料的环形金刚石线锯的锯丝制造进行了研究，进行了花岗岩的切割实验，建立了锯切力的理论模型，研究了锯丝失效机理，用有限元模型分析了金刚石颗粒破碎和脱落原因。 国内最早从事太阳能多线切割机开发的是上 海日进。上海日进引进日本技术，早在 2006 年就推出了第一台多线切割样机，样机类似 NTC MWM442D。样机在日进内部切割试验结果良好，切除的硅片质量完全合格。但是在客户实际试用的时候，还是遇到了很多的问题，如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差。 湖南宇晶在 2006 年左右开始研制多线切割机，主要针对水晶切割市场。经过几年的实验和改进后，目前在国内也已经销售出了几十台多线切割机，取得了长足的进步。但是该公司还没有开发出适应太阳能硅片切割的多线切割机。 陕西汉江机床公司展出的 4620 型数控多线切割机。该机经过多年研制，突破并掌握关键技术而开发成功的大规格高效、高精多线切割设备，最大工件 250mm，最大工件长度 820mm，最大存线量 800km。其解决了高精度排线导轮的多辊同步驱动技术，恒张力控制技术，高精度切割进给伺服控制系统，高精度排线导轮系统的制造及耐用度技术。 中国电子科技集团承担的国家重大科技项目 300mm 多线切割机研制成功，打破了国内生产线上运行的 12 英寸多线切割机全部为进口设备的现状 ,该机将完成商业机浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 4 型的生产工艺验收。国产切割机无论从品种规格，或 性能参数指标各方面，与国外机相比，已缩小了差距，并接近国外水平 8。 2 研究的基本内容 研究的毕业设计所做的课题为 金刚石线锯切割机 设计 ，要求 设计 金刚石线锯切割机 整 体结构 和 各个部件 的 选用 、 布局 ，改善 其 性能，从结构方面分析，对其机床结构进行设计 。 2.1 基本框架 （ 1） 金刚石线锯切割机 的原理分析； （ 2）金刚石线锯 切割机床的总体结构设计 ； （ 3）传动系统和 工作台的设计 ； （ 4） 张力调整装置设计 2.2 拟解决的关键问题 本课题是围绕着 金刚石线锯切割机 整体结构来进行系统设计的。主要的重点和难点为： （ 1）机 床需完成线锯的直线往复运动 。 （ 2） 工作台 需可沿 X 方向 和 Y 方向的移 动 。 （ 3） 对切割机 导轨平台 、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构设计 。 （ 4） 实现金刚线与工件精确点接触切割，使其具有工作平稳、噪声低、切割精度高等优点。 3 研究的方法及措施 课题 的研究主要以理论研究为主，对 金刚石线锯切割机 床 进行结构分析，确定其结构布局以及各部件选用。 内容如下： （ 1） 金刚石线锯切割机 的原理分析 和 总体结构设计 把一根细长的钢丝绳缠绕在排线轮上 ， 钢丝两头分别由放线机构与收线机构拉紧。在收放线机构与排线轮之间装有若干张 力控制轮用以控制钢丝的刚度。排线轮高速正反向有节奏地旋转 ， 实现钢丝往复运动。设备配有切割液喷洒系统 ， 由压缩泵提供动力。切割液由表面活性剂、碳化硅磨料和油基添加剂配制而成。切割时 ， 切割液喷洒到硅棒刀口和钢丝线上 ， 切割进给机构均匀运动 ， 把硅棒压向高速往复运动的钢丝 ， 切出一组符合要求的高质量硅片 。 金刚石线锯切割机 的 总体结构设计 如 图 3.1。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 5 1 床身 ； 2 X,Y 工作台 ； 3 导向轮 ； 4 金刚石切割微线 ； 5 绕线轮 ； 6 张紧轮 ； 7 滚筒 ；8 切削液 图 3.1 金刚石线锯切割机的总体结构 示意图 （ 2） 传动系统和 工作台 的设计 设计的 切割机床的主传动系统采用步进电机驱动， 步进电机带动金刚石线锯框架沿垂直燕尾形导轨上下滑动， 工作台运动机构由固定在机床上的步进电机及滚珠丝杠和直线导轨组成，机床的传动系统：工件安装在工作台上，工作台沿纵、横 2 个坐标轴运动，可同时达到平面曲线的任意一点，实现切割运动轨迹的控制。 X， Y 坐标工作台用来装夹工件， X 轴和 Y 轴由控制箱发出进给信号，分别控制两个步进电机，进行预定的加工。其主要由滑块、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构 几部分 分组成 ，如 图 3.2。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 6 图 3.2 金刚石 切割机床传动图 （ 3） 张力调整装置 设计 在加工过程中，线锯会因为热伸长和损耗等导致线锯张力下降。如果线锯张力不恒定，随着张力的减小或增大线锯的理论位置与实际切割时位置 (动态平衡位置 )的偏移量不恒定。从而造成加工尺寸误差、切割表面凸凹不平等。在没有恒张力机构辅助工作时，加工过程中线锯忽紧忽松，张力随时发生变化。因此，在 金刚石 线切割加工中线锯的恒张力的控制对加工具有重要的意义。用于线切割机的自动张力调整装置，目前从原理上可分为 两 种：一种是靠弹簧的作用，以变力紧丝，该装置包括一组导轮和 个弹簧紧丝装置；另一种是由重力块作用，以恒力紧丝。该装置包括 一组导轮和一个重力块。本设计研制了一种结构简单、灵敏可靠、体积小的张力凋整装置，如图3.3 所示。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 7 1 导向套 ； 2 定位架 ； 3 导轨盒 ； 4 弹簧 ； 5 导向压杆 ； 6 压轮 ； 7 辅助导向器 ； 8 位置调整机构 ； 9 下导向器 图 3.3 自动张丝装置的结构图 4 预期成果 通过分析，解决 金刚石线锯切割机 整体结构 设计 和各个部件选用、布局，改善 金刚石线锯切割机 的性能。此设计从以下几个方面着手： （ 1） 介绍 金刚石线锯切割机 发展的国内外现状， 研究方向，进展情况， 存在问题 ； （ 2） 对切割机导轨平台、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整 装置的结构设计 ； （ 3） 实现金刚线与工件精确点接触切割，使其具有工作平稳、噪声低、切割精度高等优点。 完成部件零件图及 整体装配图，完成设计说明书（论文） 5 研究工作进度计划 2012.11.01-2012.12.25 准备和阅读资料、完成外文翻译、文献综述及开题报告； 2013.01.01-2013.01.05 完成文献综述的修改、定稿；开题答辩； 2013.01.17-2013.04.04 机构分析与校核计算； 2013.04.07-2013.04.25 机械装配图绘制； 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 8 2013.04.28-2013.05.12 机械零件图绘制，论文及设计说明书撰写； 2013.05.13-2013.05.20 成稿、修改、装订，准备答辩。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 开题报告 1 参考文献 1 孙建章， 吕 玉山，刘兴文 往复自旋式电镀金刚石丝锯