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摘要：在金属切削过程中，刀具的形状直接影响金属切削质量。
本文基于大变形－大应变理论、增量理论以及更新拉格朗日算法，建立了二维弹塑性金属斜刃切削有限元模型；自动对畸变网格进行重划分；通过用不同的刀具前角对金属刀具切削过程进行了数值模拟，分析总结结果，得出刀具切削过程中在不同切削前角时，切削力、刀具与工件的应力应变、温度的分布情况；对选用刀具形状，提高切削表面质量提供了理论依据。
本文的研究为后期研制新的刀具材料提供了理论依据，降低实验成本。
关键字：大变形－大应变理论;增量理论;有限元模型;刀具前角；数值模拟Abstract: The geometrical shape of tool has a direct effect on the quality of workpiece in the process of metal cutting. A 2 dimensionalelasto-plastic finite element model of metal oblique cutting isdeveloped in this study based on large deformation- large straintheory, incremental theory and updating Lagrangian formulation;in order to determine the chip separation, the geometricalseparation criterion (distance criterion) is adopted; an automaticremesh technique is used to remesh the distortion mesh; a coupleof numerical simulations have been developed on the metal obliquecutting process with different tool rake angles, some conclusionsare obtained according to the simulation results : the variationalrule of cutting force, and also the corresponding distribution ofstress and strain. Theory foundations are provided to the selectionof tool geometry and to improve the surface quality of workpiec e. Key words:large deformation-strain theory; incremental theory; finite element model; rake angle;1 绪论1．1简介随着现代机械制造技术的发展，提高切削质量，降低切削成本成为市场竞争的前提。
高速磨削过程中的切削力与温度特性研究在金属加工领域，磨削是一种常见的工艺，它通过磨削砂轮对工件表面进行处理，以达到精细加工的目的。
而在高速磨削中，切削力与温度特性对于工件和刀具的使用寿命和加工质量至关重要，因此进行相关研究具有重要的实际意义。
首先，我们来探讨一下在高速磨削过程中切削力的特性。
切削力是指在磨削过程中，砂轮对工件施加的力的大小和方向。
通常情况下，切削力是由于切削砂轮与工件之间的摩擦造成的。
在高速磨削中，由于运动速度较快，因此摩擦产生的热量也较高，从而导致砂轮与工件之间的磨削力增加。
研究表明，切削力与磨削深度、砂轮的粗糙度以及磨削速度等因素密切相关。
当切削深度增加或砂轮粗糙度变大时，切削力也会相应增加。
而当磨削速度增加时，切削力会呈现出先增加后减小的趋势，这是因为在较高的磨削速度下，砂轮与工件之间的接触时间减少，导致磨削力减小。
接下来，我们来讨论一下在高速磨削过程中温度的特性。
温度的升高会对刀具和工件的性能产生重要影响，因此研究高速磨削中的温度特性具有重要的工程应用价值。
在高速磨削中，摩擦的产生导致了摩擦热的产生，从而引起了工件与砂轮的温度升高。
温度升高的程度取决于磨削速度、磨削深度以及工件和砂轮的材料等因素。
当磨削速度增加时，摩擦热的产生也会增加，导致温度升高。
而当磨削深度增加时，砂轮与工件之间的接触面积增加，导致摩擦热的积累增加，进而引起温度的升高。
此外，工件和砂轮的材料也会对温度的升高产生影响。
不同材料对摩擦产生的热量散失不同，从而导致温度的变化也不同。
了解高速磨削过程中切削力与温度特性的研究有助于优化磨削工艺和提高加工质量。
首先，通过控制切削力的大小，可以减少砂轮与工件的磨损，延长其使用寿命。
其次，优化磨削工艺参数，如磨削速度和切削深度等，可以减少温度的升高，降低热变形的几率。
此外，对材料特性进行研究，选择合适的砂轮和工件材料，也有助于降低温度升高的程度。
综上所述，高速磨削过程中切削力与温度特性的研究对于优化磨削工艺、提高加工质量具有重要意义。
倒⾓时边缘磨削⼒和磨削温度的研究康洪亮单晶硅⽚倒⾓时边缘磨削⼒和磨削温度的研究康洪亮张伟才陈建跃陶术鹤摘要：本⽂对硅⽚倒⾓过程中三个最重要的因素;磨轮转速、硅⽚转速和圈去除量⼀⼀进⾏了原理分析，并倒⾓机进⾏了试验得到了⽐较合理的组合⽅案。
关键词:硅⽚倒⾓磨轮转速硅⽚转速圈去除量为了解决单晶硅⽚边缘的精密磨削问题，磨削⼒和磨削温度是研究磨削加⼯中两个最基本的物理因素，磨削⼒是影响磨削加⼯质量的主要因素。
磨削⼒起源于砂轮与硅⽚接触后产⽣的弹、塑性变形以及磨粒和结合剂与硅⽚表⾯之间的摩擦。
磨削温度主要是由摩擦和切屑变形能产⽣的。
对于脆性材料⽽⾔，由于其切屑的形成机理与⾦属材料有很⼤的不同，因此反映在磨削⼒和磨削温度上也有很⼤的不同。
1 原理分析第⼀阶段为滑擦阶段，内切削刃与硅⽚表⾯开始接触，硅⽚仅发⽣弹性变形。
随着切削刃切过硅⽚表⾯，进⼀步发⽣变形，法向⼒会稳定地上升，摩擦⼒及切向⼒同时稳定增加。
磨粒微刃不起切削作⽤，只在表⾯滑擦。
第⼆阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转化为热。
逐步增加的法向⼒超过了随温度上升⽽下降的材料屈服⼒时，切削刃就被压⼊塑性基体中，最终导致表⾯的隆起，这是磨削中的耕犁作⽤。
第三阶段为切屑形成阶段。
在滑擦和耕犁阶段，磨粒并不产⽣切屑。
磨粒在微⼩时间间隔内，当切刃切⼊塑性区，最终导致应⼒的增加，⼀直达到硅⽚材料的最⼤剪切能为⽌，这样最终导致材料的局部僵化，上升到材料的临界应⼒，就出现再次的剪切。
当切削厚度达到临界值时，被磨粒推挤的材料明显地滑移⽽形成切屑。
1.1磨削⼒分析磨削⼒?可分解为相互垂直的三个分⼒，作⽤于磨削轮圆周速度⽅向的切向分⼒pz，作⽤于磨削深度⽅向径向分⼒py,作⽤于磨削轮轴线⽅向的轴向分⼒px，由于磨粒对硅⽚的挤压，径向⼒⼤于切向⼒，这是磨削加⼯的特征之⼀。
⼀般情况下py是pz的⼆⾄三倍(pz=py /2)。
在磨削过程中，轴向分⼒px较⼩，对于硅⽚倒⾓这种特殊的加⼯过程中，由于没有纵向进给，px为零。
常言道:车工是“三分手艺,七分刀具”,简明扼要地说明了刀具对车工的重要性。
随着科学技术的飞速发展,在机械制造业中,产品品种不断增加,机构形式更加复杂,材料性能不断提高,因此,对车削加工中的技术要求不断提高,特别是对刀具的切削性能的要求更高。
虽然硬质合金可转位车刀得到一定的利用,但做为一名车工,必须掌握刀具的结构、几何参数对加工的影响。
会对刀具进行正确的刃磨,得到合理的刀具几何形状,并能够依据加工特点,工作状态,工件材料等因素对刀具几何参数、角度进行合理的调整,从而更好地发挥刀具的切削性能,有效地进行切削,即在众多因素中抓住关键问题。
在《车工工艺与技能训练》中,对刀具的有关几何参数、角度作了详细的讲述,对技校阶段的学习、实践有很大的帮助,但就此作为中级技术工人的技校毕业生,进入工厂是产品零配件的直接生产者,对工厂多样化、复杂化的产品品种零件的加工,还远远达不到要求,因此,在讲解刀具的几何参数内容时,除详细的讲解车刀的组成部分、六个主要参数、断屑槽等有关内容外,还要对学生有目的讲解刀具的负倒棱,以便在今后的实际工作中,增强运用能力,在保证刀具的锋利的同时,增加刀具的强度,提高刀具寿命,减少刀具制造成本,提高劳动生产率。
1车刀负倒棱的形成及作用在实际加工中,用YT15硬质合金刀具粗加工45号中碳钢材料时,一般应磨出20°左右的前角和断屑槽,6°左右的后角,因此,刀具的楔角β0=90°-(20°+6°),楔角越小刀具强度越差,因此,要想增加刀具刀头强度,只有使楔角值增大;同时,由于采用的硬质合金材料的刀片,其抗弯强度只有高速钢的三分之一左右,故刀具极易崩刃,因此,就必须减小前角和后角。
减小后角,刀具后刀面与工件之间的摩擦增大,影响正常的切削和刀具寿命;减小前角,增大切削变形,使切削力和切削温度增加,要求工艺系统刚性强,而且容易形成带状切屑缠绕工件、刀具,增加不安全因素;而磨成负前角其刀刃强度大大提高,保护刀尖,提高刀具耐用度,而此时切削力和切削热成倍增加。
影响硅片倒角加工效率的工艺研究一、引言在半导体晶圆的加工工艺中,对晶圆边缘磨削是非常重要的一环。
晶锭材料被切割成晶圆后会形成锐利边缘,有棱角、毛刺、崩边，甚至有小的裂缝或其它缺陷，边缘的表面也比较粗糙。
而晶圆的构成材料如Si、Ge、InP、GaAs、SiC 等均有脆性。
通过对晶圆边缘进行倒角处理可将切割成的晶圆锐利边修整成圆弧形,防止晶圆边缘破裂及晶格缺陷产生,，增加晶圆边缘表面的机械强度，减少颗粒污染。
同时也可以避免和减少后面的工序在加工、运输、检验等等工序时产生的崩边。
倒角后的晶圆由于有了一个比较圆滑的边缘，不易再产生崩边，使后面工序加工的合格率大幅提高。
在抛光工艺中，如果晶圆不被倒角，晶圆锋利的边缘将会给抛光布带来划伤，影响抛光布的使用寿命，同时也影响到产品的加工质量（如晶圆的划道）。
如硅晶圆除用于太阳能电池制造还常用于制造集成电路。
晶圆在制造集成电路的多个工序中，需要多次在1000多度的高温中进行氧化、扩散和光刻。
如果晶圆边缘不好，如有崩边、或边缘没有被倒角，升温和降温的过程中，晶圆的内应力得不到均匀的释放。
在高温中晶圆非常容易碎裂或变形，最终使产品报废，造成较大的损失。
由于晶圆边缘不好，掉下来的晶渣，如果粘在硅晶圆的表面，将会给光刻工艺的光刻版造成损坏，同时造成器件的表面有针孔和曝光不好，影响产品的成品率。
同时，通过边缘倒角可以规范晶圆直径。
通常晶圆的直径是由滚圆工序来控制的，由于滚圆设备的精度所限，表面的粗糙度和直径均无法达到客户的要求，倒角工序能很好的控制晶圆直径和边缘粗糙度。
1晶棒滚磨后，其表面十分粗糙，在后续的传递和切割过程中，边缘损伤会因为机械撞击向内延伸，晶圆切割成型后，边缘存在一圈微观的损伤区域[1]。
在今年的目标责任书中，今年产量比去年增加30%，此外，在今年的生产加工中，多次由于倒角设备故障及检修影响整个生产线的进度，在不增加设备的情况下，如何挖掘现有设备及人员的潜力，提高倒角加工效率，是个重要的研究课题。
单晶硅片倒角时边缘磨削力和磨削温度的研究康洪亮张伟才陈建跃陶术鹤摘要：本文对硅片倒角过程中三个最重要的因素;磨轮转速、硅片转速和圈去除量一一进行了原理分析，并倒角机进行了试验得到了比较合理的组合方案。
关键词:硅片倒角磨轮转速硅片转速圈去除量为了解决单晶硅片边缘的精密磨削问题，磨削力和磨削温度是研究磨削加工中两个最基本的物理因素，磨削力是影响磨削加工质量的主要因素。
磨削力起源于砂轮与硅片接触后产生的弹、塑性变形以及磨粒和结合剂与硅片表面之间的摩擦。
磨削温度主要是由摩擦和切屑变形能产生的。
对于脆性材料而言，由于其切屑的形成机理与金属材料有很大的不同，因此反映在磨削力和磨削温度上也有很大的不同。
1 原理分析第一阶段为滑擦阶段，内切削刃与硅片表面开始接触，硅片仅发生弹性变形。
随着切削刃切过硅片表面，进一步发生变形，法向力会稳定地上升，摩擦力及切向力同时稳定增加。
磨粒微刃不起切削作用，只在表面滑擦。
第二阶段为耕犁阶段，在滑擦阶段，摩擦逐渐加剧，越来越多的能量转化为热。
逐步增加的法向力超过了随温度上升而下降的材料屈服力时，切削刃就被压入塑性基体中，最终导致表面的隆起，这是磨削中的耕犁作用。
第三阶段为切屑形成阶段。
在滑擦和耕犁阶段，磨粒并不产生切屑。
磨粒在微小时间间隔内，当切刃切入塑性区，最终导致应力的增加，一直达到硅片材料的最大剪切能为止，这样最终导致材料的局部僵化，上升到材料的临界应力，就出现再次的剪切。
当切削厚度达到临界值时，被磨粒推挤的材料明显地滑移而形成切屑。
1.1磨削力分析磨削力ṗ可分解为相互垂直的三个分力，作用于磨削轮圆周速度方向的切向分力pz，作用于磨削深度方向径向分力py,作用于磨削轮轴线方向的轴向分力px，由于磨粒对硅片的挤压，径向力大于切向力，这是磨削加工的特征之一。
一般情况下py是pz的二至三倍(pz=py /2)。
在磨削过程中，轴向分力px较小，对于硅片倒角这种特殊的加工过程中，由于没有纵向进给，px为零。
硅片倒角属于精密磨削(精密磨削是使用金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接磨出超光滑表面)。
径向力py可以按下式计算[3]py=CpyW0.7Bk (1-1)式中:Cpy为切削力系数;B为磨削轮宽度(毫米);k为磨削轮硬度系数;W为磨削轮的每一毫米宽度每分钟切下的加工量。
精密磨削是磨削的一种，服从金属磨削的普遍规律。
但与常规磨削相比，又存在较大的差别，主要有以下几个方面:(1)常规磨削中，多为炭化硅砂轮磨削黑色金属，其磨削力、磨削温度、砂轮摩擦、磨损都很大，而精密加工多为金刚石砂轮加工非金属及有色金属。
(2)常规磨削中，切削量比较大，所以剪切力比较大，其它力(如沿纵向进给方向磨削力)与之相比可忽略不计。
但在精密加工中，剪切力和摩擦力都很小，这个力就不可忽略。
(3)常规磨削中，磨削速度比较低，可以不考虑切削速度对切削力的影响。
但在超精密加工中，其磨削速度很高，因此不得不考虑速度对切削过程的影响。
综上所述，精密加工具有一些特殊的规律。
可以从滑移理论和切削动力学入手，建立精密磨削时切削力模型，进而分析切削力的影响因素，建立局部磨削力模型。
关于磨削力的数学模型，G. Werner等建立的磨削力数学模型考虑了砂轮圆周磨削刃分布的随机特性及磨削过程的动态情况，该磨削力数学模型包括了切削变形力及摩擦力等两方面。
另外，砂轮磨钝后磨粒顶部磨钝平面逐渐加大，磨削力也逐渐加大，该磨削力数学模型不能直观说明。
为此，我们对磨削力数学模型做了进一步分析，直接划分为切削变形力及摩擦力两项。
由磨削实验知，在以磨耗磨损为主要磨损的磨削过程中，未发生烧伤前，磨粒顶部磨损面积率与磨削力呈线性关系。
在不变的磨削用量条件下，法向磨削力随着砂轮磨粒顶部磨损面积率增大而线性增大，所以磨损平面与硅片间的接触压强为常数;另外，由于切向磨削力也随磨粒顶部磨损面积增大而线性增大，所以，硅片与磨损平面间的摩擦系数也是常数。
线速度提高，进给量相同，则每颗磨粒的切削厚度减小，从而使每颗磨粒上承受的切削负载减小。
这样，每颗磨粒的切削寿命可以相应的提高，同时磨削力降低，因此也提高了磨粒的结合强度。
线速度提高后，相应的增加了动力硬度，磨削时不容易产生挤压变形，减小了磨粒的滑动磨削，因此也增加了磨削轮的耐用度，增加了磨削轮的寿命。
单晶硅片倒角采用了切入磨削法。
利用公式(1-1) 估算单晶硅片倒角时的磨削力径向力： py=CpyW0.7Bk切向力： pz=py /2带入以下参数:磨削量W:粗磨削时，W=0.1835(mm3/Min·mm)。
磨削轮加工圆弧槽等效宽度(最大值):B=0.8433mm ;硬度系数:k=1.0;切入磨削法系数:Cpy = 0.11;磨削力是磨削量w的函数，粗磨削时磨削力较大。
要提高加工效率，主要是增加粗磨时硅片转速，但会增加磨削力，而过大的磨削力会造成局部表面温度过高，导致磨削时硅片碎裂。
1.2 磨削温度分析磨削时在滑擦、耕犁和切屑形成的三个阶段所消耗的能量，绝大部分都转化为热能。
这是磨削过程中磨削热产生的根源。
在一般切削加工中，大部分切削热均被切屑带走，只有少部分传入硅片。
磨削时由于砂轮的导热性能差，磨屑的体积微小，容纳热量的能力低，加之冷却液难以进入磨削区，所以大部分磨削热将传入硅片。
磨削时不仅线速度很高，而且切除单位体积材料所消耗的能也非常高，会造成磨粒与硅片接触处达到1000。
C以上的高温。
这种高温作用时间极短，作用的区域很小，仅为磨削区中有效磨粒和硅片接触的一些离散接触点。
因此对于硅片表面质量有影响，会促使磨粒与硅片的界面处发生一些物理、化学变化，对于砂轮磨损有重大影响。
对于硅片表面质量有影响的是磨削区的温度及其分布情况。
一般所说的“磨削温度”就是指磨削区的温度。
磨削时对于硅片表面及距离表面不同深处的温度分布情况是离硅片表面越远处，其温度越低。
磨削时消耗的大量能量在极短的时间变为热能，从而使磨削区的温度以1x105℃/s的数量级的加热速度急剧升温口因此硅片表层的组织将迅速变化，并产生表层残余应力。
这种情况还能造成磨削表面的热损伤，使表面出现烧伤和微裂纹。
此外，磨削区温度的急剧变化，还可能使硅片产生热变形，从而影响加工精度。
影响磨削温度的因素很多，但主要的有以下几个:(1)砂轮速度ʋs砂轮速度增大，单位时间内的工作磨粒数将增多，单个磨粒的切削厚度变小，挤压和摩擦作用加剧，滑擦热显著增多，此外还会使磨粒在硅片表面的摩擦次数增多。
所有这些都将促使磨削温度的升高。
(2)硅片速度ʋW硅片速度增大就是热源移动速度增大，硅片表面温度可能降低，但不明显。
这是由于硅片速度增大后，增大了切除量，从而增加了发热量。
因此，为了更好地降低磨削温度，应该在提高硅片速度的同时，适当降低磨削深度，使单位时间内的切除量保持为常值或略有增加。
(3)圈去除量量fx圈去除量也叫径向进给量，随着圈去除量的增大，将导致磨削过程中磨削变形力和摩擦力的增大，从而引起发热量的增多和磨削温度的升高。
磨削温度主要是由摩擦和切屑变形能产生的，该能量绝大部分转化为热量，使磨削区的温度升高。
当磨削区温度升高，磨削温度对被加工零件的表面表层组织发生变化，出现磨削烧伤，在瞬时高温作用下，表面轻微烧伤时深度约为0.01-0.02mm。
更高的瞬时温度，在磨削和冷却过程中，形成热应力，被磨表面产生较大的残余应力，这主要是由于磨削热使组织发生变化引起的，造成不均匀的热膨胀，当局部应力超过材料表面的强度极限时就产生裂纹。
对于磨削导热系数较小的材料，上述现象更加严重。
另外，高温下，磨粒的硬度大大下降，而且磨粒与被磨削材料之间产生粘结磨损与扩散磨损，这就使磨粒快速钝化，失去应有的切削能力。
在硅片边缘倒角磨削加工中产生的裂痕和小裂缝会在硅片上产生机械应力并会产生位错，尤其是在硅片制备的高温过程中这种情况更为突出。
另外，小裂缝会在生产过程中成为有害玷污物的聚集地并产生颗粒脱落。
因此通过硅片倒角，获得平滑的边缘半径，使这些不利影响降到最小是非常重要的。
此外破裂的硅片边缘在硅片制备的热处理中会引起边缘位错生长。
研究磨削热的许多文献大都引用Joager于1942年提出的运动热模型，当热流密度为q、长度为l的热源以恒定的速度Vm在无穷大物体表面上运动时，设该物体的热传导系数为k，单位体积热容量为C，则物体表面的平均温度为θ=0.754ql0.5/k (1-2)式中:q=RFtVm/bl为热流密度，R为热分配系数，Ft为切向磨削力，Vm为硅片速度，b为磨削宽度，l为磨削长度，ʋs为磨削轮速度。
因此得到计算磨削的硅片表面平均温度为:θ=0.754RFtʋs/bVw0.5l0.5(kc)0.5 (1-3)单晶硅片边缘磨削时，磨削接触面为圆弧，磨削深度不均匀，为了简化计算，假设磨削深度一致，估算粗磨削和精磨削时硅片的局部表面温度。
采用金刚石砂轮磨削单晶硅，则热分配系数R约为0. 175，单晶硅的热传导率为0. 353，热容量为4.78.2 实验部分2.1 设备和仪器W-GM4200倒角机，XY-1510影像测量仪2.2 原材料4英寸无参考面N（111）硅切割片，厚度480-520um，槽半径为228.6um的金刚石倒角砂轮。
2.3 实验过程通过倒角机按不同的倒角吸盘转速，磨轮转速和圈去除量来加工晶片，测试加工质量和效率。
3实验数据结果与分析3.1 磨削力和磨削温度随磨轮转速的变化情况项目磨轮转速（rpm）py(N) θ(℃) 边缘状况1 3000 4.23 203.71 良好2 4000 4.23 271.61 良好3 5000 4.23 339.51 良好4 6000 4.23 407.41 良好5 7000 4.23 475.31 轻微微小崩边6 8000 4.23 543.22 有崩边，发白表1 硅片随磨轮转速的变化情况（倒角转速18mm/s,圈去除量为0.3mm）从表1中可知，随磨轮转速的提高，径向分力py保持不变，而磨削区温度则呈现线性提高的趋势；且随磨轮转速提高，工作台震动增大，端跳提高，导致倒角硅片崩边概率增大。
3.2 磨削力和磨削温度随硅片速度的变化情况:项目硅片转速（mm/s）W(mm3/min·mm)py(N) θ(℃) 加工效率（片/小时）边缘状况1 9 117.48 2.61 354.67 50 良好2 12 156.65 3.19 375.68 70 良好3 15 195.81 3.73 392.82 90 良好4 18 234.97 4.23 407.41 100 良好5 21 274.13 4.72 420.17 100 良好6 24 313.29 5.18 431.54 100 良好7 27 352.45 5.63 441.83 100 轻微微小崩边8 30 391.62 6.06 451.24 100 有崩边，发白表2 硅片随硅片转速的变化情况（磨轮转速6000rpm,圈去除量为0.3mm）从表2中可知，随硅片转速的提高，径向分力py增大，但增加的越来越慢，而磨削区温度也是升高，但升高的速率变小；且随硅片转速提高，工作台和吸盘震动增大，导致倒角硅片崩边概率增大；此外，当转速提高到18mm/s时硅片加工速率保持不变，不再增加，因为此时磨削区时间时间短于机械臂取放片、对中及甩干时间。
