金刚石飞切单晶硅的切削力模型及试验研究

单晶硅超精密切削工艺参数优化与实验研究
姚同;杨晓京;肖建国;张万清;康杰
【期刊名称】《宇航材料工艺》
【年(卷),期】2022(52)6
【摘要】为提高单点金刚石车削单晶硅的表面质量,以表面粗糙度为优化目标设计正交切削实验,通过方差分析、响应曲面分析和极差分析研究主轴转速、进给速度和切削深度对表面粗糙度的影响。

结果表明,主轴转速对表面粗糙度影响最显著,主轴转速越大,表面粗糙度值越小;建立了表面粗糙度回归模型,通过响应曲面分析得到主轴转速和进给速度的交互作用对表面粗糙度的影响最大;在最优切削参数组合为主轴转速3 300 r/min、进给速度2 mm/min、切削深度5μm的条件下,获得了表面粗糙度Ra 2.7 nm的高质量单晶硅元件,其表面相对光滑,切屑呈带状,材料在延性域内去除。

【总页数】5页(P60-64)
【作者】姚同;杨晓京;肖建国;张万清;康杰
【作者单位】昆明理工大学机电工程学院;云南北方光学科技有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.单晶硅超精密切削加工表面粗糙度预测模型的建立及试验研究
2.单晶硅超精密切削的刀具磨损试验研究
3.工艺参数对单晶硅超精密加工切削力的影响
4.单晶硅激
光辅助超精密切削工艺优化与表面特性5.单晶硅红外透镜的超精密磨削工艺参数优化
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金刚线切割单晶硅片工艺技术理论研究摘要：随着国内金刚线制造和应用技术的不断成熟，加之市场需求的快速增长不断的刺激金刚线制造技术发展迅速，金刚线切割工艺已成为行业内硅片制造技术发展趋势[1]。

如何通过有效的切割技术及现场控制，降低金刚线切割生产成本，就是硅片制造技术需要研究的重要方向。

本文主要针对金刚线切割技术及过程中切割异常分析进行分析。

关键词：金刚线细线切割；排线拉斜；排线间距1.引言目前光伏企业发展以“降本增效”为主旋律。

如何提高太阳能硅片切割效率、降低单片耗线成为近几年关注的问题。

影响硅片切割质量的因素主要有：金刚线品质、所用主辊（切割辅材）刻槽工艺、切割设备性能的稳定性、减少硅片切割单端钢线磨损度、控制硅片切割质量、降低切割异常。

2.金刚线切割技术的发展对于硅片切割来说，切片的加工技术和加工方式将对加工的质量和速度产生关键的影响。

因此，对于硅片加工工艺的基本原则是：成型精度高，平面度高，制件翘曲值低和厚度精度高[2]；切割断面保证完整；提高加工效率，避免材料损耗。

在硅片切割技术中，多线切割技术以其生产量高，硅片直径适用范围广，翘曲值低，表面损伤浅，表面光洁度低等多项优势被广泛应用。

硅片多线切割技术包括砂浆切割工艺和金刚石线切割工艺。

3.金刚线切割种类及不同切割工艺简介3.1硅片切割种类、切割耗材的不同，可分为两类:a.砂浆切割技术。

砂浆切割方式是以游离式的切割模式，靠悬浮液的炫富碳化硅，再通过线网的带动，进行磨削切割。

其切割方式见图1。

图1 砂浆切割方式砂浆切割工艺是一种游离式切割方式。

该工艺以结构线为基体，莫氏硬度为9.5 的碳化硅（ SiC）作为切割刃料，结构线在高速运动过程中带动切割液和碳化硅混合的砂浆进行摩擦，利用碳化硅的研磨作用达到切割效果。

随着国内光伏产业规模的扩张以及带来的利润降低，通过降低生产成本、提高生产效率来维持企业竞争力势在必行。

在过去的三到五年内，主要通过对切割砂浆的技术改进来实现成本的控制，但目前已无法实现进一步降本。

１引言ＫＤＰ晶体是一种常用的非线性光学材料，大尺寸、高质量的ＫＤＰ晶体被公认为难加工的光学元件。

美国的劳伦斯・利佛尔国家实验室（ＬＬＮＬ）研究结果表明采用负前角的金刚石刀具超精密切削能够获得光学表面［１］。

铣削过程中，切削力直接影响着切削热的产生，容易导致工件变形，并进一步影响着刀具磨损、耐用度、加工精度和已加工表面质量。

为了提高ＫＤＰ晶体的表面质量，本文利用哈尔滨工业大学研制的ＫＤＰ晶体加工专用超精密机床对铣削加工ＫＤＰ晶体的切削力特性进行了研究。

２超精密机床结构和加工方式ＫＤＰ晶体属于平面光学元件，由于ＫＤＰ晶体的各向异性，ＫＤＰ晶体加工专用超精密机床加工采用立轴平面铣削形式［２］，飞刀盘直径大于６００ｍｍ，这样可以尽量减小刀具的圆弧轨迹对晶体加工的影响。

安装在飞刀盘上的金刚石刀具采用ＳＰＤＴ（ｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｄｉａｍｏｎｄｔｕｒｎｉｎｇ）方式完成对ＫＤＰ晶体的超精密切削。

伺服进给系统由交流伺服电机通过柔性联轴节带动滚珠丝杠驱动空气静压导轨完成机床工作台的直线进给运动。

主轴电机通过连轴节带动空气静压主轴驱动飞刀盘旋转，工件则通过真空吸盘吸咐夹紧在工作台上。

图１为ＫＤＰ晶体专用超精密机床结构示意图。

单点金刚石铣削ＫＤＰ晶体实验研究＊孙希威，张飞虎，董申（哈尔滨工业大学哈尔滨，１５０００１）［摘要］通过实验研究了ＫＤＰ晶体铣削加工的切削力特性，分析了切削深度、进给量对切削力的影响，并对ＫＤＰ晶体和铝合金的切削力进行了比较。

结果表明，在不影响加工表面质量的前提下，可以适当加大切削深度和进给量从而提高切削效率。

［关键词］ＫＤＰ晶体；切削力；ＳＰＤＴ［中图分类号］ＴＧ５０１．３［文献标识码］Ａ［文章编号］１００３－５４５１（２００６）０４－００１８－０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳＰＤＴＭｉｌｌｉｎｇＫＤＰＣｒｙｓｔａｌｓＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳＵＮＸｉ－ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧＦｅｉ－ｈｕ，ＤＯＮＧＳｈｅｎ（ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｍｉｌｌｉｎｇＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓｈａｓｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｆｅｅｄｏｎｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｈａｓｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓｈａｓｂｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｐｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈｏｒｆｅｅｄｃｏｕｌｄｂｅｅｎｌａｒｇｅｄｐｒｏｐｅｒｌｙｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｍｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｈｅｎｓｕｒｆａｃｅａｃｃｕｒａｃｙｗａｓｎｏｔｂｅｅｎｉｍｐａｃｔｅｄｉｎｍｉｌｌｉｎｇＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ＫＤＰｃｒｙｓｔａｌｓ；ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ；ｓｉｎｇｌｅ－ｐｏｉｎｔｄｉａｍｏｎｄｔｕｒｎｉｎｇ＊国家高技术研究发展计划（８６３计划）航空精密制造技术ＡＶＩＡＴＩＯＮＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２００６年８月第４２卷第４期Ａｕｇ．２００６Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４《航空精密制造技术》２００６年第４２卷第４期１主轴电机２主轴３飞刀盘４金刚石刀具５ＫＤＰ晶体６真空吸盘７工作台８导轨９伺服电机图１ＫＤＰ晶体专用超精密机床结构示意图３切削力实验原理及实验条件切削力的来源有两方面：一是切削层材料、切屑和工件表面层材料的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力［３］。

《单晶硅各向异性超精密切削仿真与实验研究》篇一一、引言随着科技的发展，单晶硅作为现代电子器件的重要材料，其加工精度和表面质量的要求日益提高。

单晶硅的各向异性特性使得其切削过程具有复杂性和特殊性，因此，对单晶硅的切削仿真与实验研究显得尤为重要。

本文旨在通过仿真与实验相结合的方法，研究单晶硅各向异性的超精密切削过程，以期为实际生产提供理论依据和指导。

二、单晶硅的特性和切削过程分析单晶硅作为一种硬脆性材料，具有较高的硬度和较低的断裂韧性。

在切削过程中，单晶硅表现出显著的各向异性特点，不同方向的切削性能差异较大。

同时，超精密切削对刀具、工艺和设备等都有较高要求。

因此，深入研究单晶硅的各向异性超精密切削过程，对于提高切削效率和加工质量具有重要意义。

三、仿真研究（一）仿真模型建立本文采用有限元法建立单晶硅切削过程的仿真模型。

首先，根据单晶硅的物理性质和力学性能，设置材料参数。

其次，建立刀具与工件的相对运动模型，以及切削过程中的热力耦合模型。

最后，通过仿真软件对模型进行求解，得到切削过程中的应力、应变和温度等参数。

（二）仿真结果分析通过仿真研究，我们发现在单晶硅的切削过程中，不同方向的切削力、切削温度和表面形貌等均存在显著差异。

此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数对切削过程的影响也较为明显。

这些结果为后续的实验研究提供了重要依据。

四、实验研究（一）实验设备与材料实验采用单晶硅材料，通过精密加工设备进行切削实验。

同时，我们还采用高速摄像机、表面轮廓仪等设备对切削过程中的表面形貌、切削力等进行实时监测和记录。

（二）实验方案与步骤根据仿真结果，我们设计了不同的切削工艺参数进行实验研究。

实验过程中，我们首先进行预处理，包括工件夹持、刀具准备等。

然后进行正式的切削实验，并记录相关数据。

最后对实验结果进行分析和比较。

（三）实验结果与讨论通过实验研究，我们得到了不同工艺参数下单晶硅的切削力、切削温度和表面形貌等数据。

单晶CVD金刚石切削技术优化研究一、引言金刚石是目前已知的最坚硬的物质之一，其切削性能在各个领域中都有广泛的应用。

作为一种高端切削材料，金刚石也有其局限性，既其生产成本昂贵，同时也存在加工难度高、成型困难等问题。

其中，单晶CVD金刚石的生长技术尤为重要，在实际应用中，如何利用制备方法的改进提高单晶CVD金刚石的品质和性能，是当前研究的论题之一。

二、单晶CVD金刚石生长技术原理CVD金刚石是利用高温高压反应法，将金刚石在气相条件下沉积在衬底表面的一种人工合成方法。

单晶CVD金刚石可以通过黄金触媒在高压高温环境下沉积在硅片表面。

其中，具体过程为：将金刚石粉末放置在硅片上，同时将硅片在温度为800℃至900℃，压力为0.1MPa至0.2MPa的条件下加热。

由于高温状态下，金刚石原子能够离开原位置进入气相中，反应生成新颖的晶体沉积在硅片上生长，从而形成单晶CVD金刚石。

三、单晶CVD金刚石切削性能分析单晶CVD金刚石具有成分均匀、结晶度高等优势，适合用于切削加工等领域。

其硬度高、摩擦系数低、热稳定性好等特性，决定了其切削性能较为优越。

另外，由于其低热膨胀系数，单晶CVD金刚石的热稳定性能高于其他材料，尤其是在高温切削加工时表现更为突出。

因此，单晶CVD金刚石在高强材料切削等领域中的应用前景广阔。

四、单晶CVD金刚石切削技术研究现状目前，国内外的研究者对单晶CVD金刚石的切削技术进行了大量的实验和理论探究，主要包括切削力模型研究、单晶工艺参数优化、切削表面品质控制等方面。

通过改进刀具结构和刀具前角角度，以及通过提高加工速度等方法的应用，有助于提高单晶CVD金刚石的表面质量和性能。

五、单晶CVD金刚石切削技术优化研究5.1 切削力模型优化单晶CVD金刚石的切削力模型影响工艺参数的选择，直接影响到切削加工的效率和精度。

实验表明，单晶CVD金刚石的切削过程中，切削力的成分和大小均受到钻头类型、切削速度、切削深度、进给量等因素的影响。

金刚石线锯切割大直径SiC单晶3陈秀芳,李　娟,马德营,胡小波,徐现刚,王继扬,蒋民华(山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南250100)摘　要:　采用金刚石线切割大直径的SiC单晶,研究了金刚石线锯的切割机理和切割参数,给出切割SiC 单晶的实验结果。

研究了金刚石线的寿命及各切割参数对线径减少量、翘曲度、表面粗糙度的影响。

用光学显微镜观察了磨损的金刚石线和切割表面。

关键词:　金刚石线;SiC;翘曲度中图分类号:　O782.9文献标识码:A 文章编号:100129731(2005)10215752031　引　言SiC是一种重要的半导体材料,不但可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料,同时又是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一[1～3]。

虽然生长出高质量大直径的SiC单晶极为重要,但是此后的晶片加工则对晶片的表面质量起决定作用,其中把体块单晶切割成翘曲度小、厚度均匀、刀缝损失小的晶片非常重要,否则将给后序的磨抛工作带来极大困难。

由于SiC的莫氏硬度为9.2,仅次于金刚石(其莫氏硬度为10),加工难度很大。

当晶体的直径达到2英寸时,常规的内圆切割机不能有效地工作,必须采用金刚石线切割技术。

该技术与传统的切割方法相比,有以下几个优点[4]:(1)可加工非导电材料,而传统的放电加工则不能;(2)可进行多线切割[5];(3)刀缝损失小。

这对加工成本高的半导体和贵重材料非常重要。

用直径350μm的金刚石线切SiC单晶时,刀缝才为0.3048mm;(4)可自由改变切割位向。

大直径SiC单晶的切割还未见报道,本文研究了金刚石线锯的切割机理和切割参数,给出切割SiC单晶的实验结果。

研究了金刚石线的寿命及各切割参数对切割时间、线径减少量、翘曲度、表面粗糙度的影响。

用光学显微镜观察了磨损的金刚石线和切割表面。

2　几个重要的切割参数简介及切割线的受力分析2.1　线　速类似于高速研磨,金刚石线切割需要高的线速以降低对金刚石颗粒的切削力、减少线的磨损和金刚石颗粒的脱落,从而实现高的材料去除速率。

金刚石线切割单晶碳化硅锯切力的实验研究张玉兴;黄辉;徐西鹏【摘要】从锯切力的角度对金刚石线锯锯切单晶SiC材料的加工过程进行了研究.得出了线速度、进给速度、线锯张紧力对锯切力的影响规律.从单位长度线锯材料去除量、锯切比能的角度讨论了锯切工艺对锯切力的影响机理.在金刚石线锯锯切单晶SiC过程中,锯切力随着线速度的增大而减小,随着进给速度的增大而增大,线速度与进给速度对锯切力的综合影响表现为:单位长度线锯材料去除量的增加会增大锯切力.单位长度线锯材料去除量对于金刚石线锯锯切单晶SiC材料的锯切比能具有显著的影响.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2014(034)001【总页数】5页(P6-9,14)【关键词】金刚石线锯;单晶SiC;锯切力;单位长度线锯材料去除量;比能【作者】张玉兴;黄辉;徐西鹏【作者单位】华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,厦门361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,厦门361021;华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TQ164;TG74单晶SiC是一种宽禁带的半导体材料，在设备制造领域具有许多特殊的应用。

例如在制备激光发射器、逆变器、功率二极管等高温高功率器件方面有广泛的应用。

SiC器件能够在高温、高功率、高辐射的恶劣环境中工作，这使得它成为制备极端环境中工作的传感器的理想材料。

然而，单晶SiC具有极高的硬度和耐磨性，其硬度仅次于金刚石以及CBN材料，莫氏硬度为9.5，这使得单晶SiC材料的加工一直是一个难点。

在SiC材料切割的研究中，许多学者在不同的线速度范围内对SiC材料进行了实验研究。

高玉飞[1]在1～2 m/s的线速度范围内研究了线速度与进给速度对硅片的表面质量的影响规律。

Wang Xiaoye[2]在1.9 m/s的线速度下研究了线锯锯切SiC材料的去除率及表面质量。

Craig W. Hardin[3]等在8.1～11.3 m/s的速度范围内，研究了金刚石线锯锯切SiC的锯切力随工艺参数变化的规律和表面加工质量。

微槽结构单点金刚石飞切加工的切削力建模刘勇;尹自强;李圣怡;关朝亮【摘要】超精密单点金刚石飞刀切削技术是一种比较新颖的微槽类结构加工方式。

在飞切过程中，切削力是切削过程中重要的物理量，对加工后的表面质量、刀具磨损等有着直接影响。

提出了一种基于直角微切削理论的动态微槽类结构飞切的力学模型，基于微切削理论，得到了前、后刀面切削力的理论模型。

根据飞切的几何运动特征，建立了飞切过程中剪切角的计算模型，并根据单圈飞切实验得到了飞切过程中剪切面的变化规律。

为了验证模型的正确性，采用不同切削参数进行了多圈重叠飞切实验，对切削力进行了测量和分析。

实验得到的切削力大小和变化规律与理论模型计算得到的基本一致，证明了该切削力模型的有效性。

%Ultra-precision single point diamond flycutting is a novel method to manufacture the microstructures with grooves.In the flycutting process,the cutting force is an important physical quantity.It is closely associated with cutting quality and tool wearing.To develop the cutting regularity,a flycutting force model based on the theory of orthogonal microcutting was presented.The cutting force model on rake and flank face is achieved.The shear angle in flycutting process was analyzed based on the kinematical regularity.The value of the shear angle in specific processing parameters technological conditions was achieved by single-turn flycutting experiments.To verify the flycutting force model,overlapping flycutting experiments with variant parameters feed rates were carried out.The validity of the force model is demonstrated with the accordance of experiments and theoretical analysis.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】6页(P175-180)【关键词】微槽结构;单点金刚石飞切;微切削;切削力建模【作者】刘勇;尹自强;李圣怡;关朝亮【作者单位】国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073;国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073;国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙 410073;国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】TH161超精密飞刀切削是各种复杂微结构表面加工制造的重要方法之一［1－3］，尤其适用于微V型槽阵列、光波导模具、手机导光板模芯等微槽类光学结构阵列的加工，图1所示即为飞切加工微V型槽结构的示意图。

晶体硅的金刚石线锯切割性能研究金刚石线锯系为通过电镀的方式将金刚石颗粒固结镶嵌在钢丝表面的镀层上制成的一种线锯,以它切割硅片相比于传统的砂浆线锯切割有切割效率高,切割硅屑更容易回收,综合成本低等优势,有大规模应用的广阔前景,但业界对其切割硅片的表面质量与表层机械损伤情况尚存疑问。

我们针对这一问题对晶体硅的金刚石线锯切割性能开展了研究。

对金刚石刻划单晶硅片的机理及模式进行了实验研究。

金刚石在较大压力下刻划时,主要以脆性模式加工晶体硅,划痕呈破碎崩坑状；而在较小的压力下,主要以塑性模式加工晶体硅,划痕相对平直光滑。

金刚石线锯切割硅片表明,硅片表面呈现大量由脆性破碎崩落留下的不规则凹坑,但同时亦出现较长的光滑划痕。

其原因可能是线锯正下方的压力较大,以脆性模式进行反复刻划；而与此同时,线锯侧面金刚石颗粒以小得多的侧向压力对切割暴露出的硅表面进行蹭磨刻划,形成呈塑性特征的切割纹；最终在硅片表面呈现脆性与塑性混合切割模式。

在一台单线切割机上进行了单晶硅片切割实验。

设计并自制了线张力测试装置,研究了进给速度的变化对金刚石线锯线张力,硅片表面形貌及损伤层的影响。

发现随着进给速度的增大,硅片表面宏观的线痕间距及起伏周期增大,而表面形貌和粗糙度值差异不大。

通过逐层腐蚀去除硅片的损伤层,碘酒钝化,测试其少子寿命的方法,测试硅片的损伤层厚度。

测试结果表明：在本实验工艺下,金刚石线锯切割硅片的损伤层厚度基本位于12μm左右；随着进给速度的增大,硅片损伤层厚度有增加的趋势,但增加幅度不大。

对企业试生产的金刚石线锯和普通商业化生产的砂浆线锯切割硅片的表面形貌进行了观察,金刚石线锯切割硅片的表面有规则平直的深浅划痕和破碎凹坑；而砂浆线锯切割的硅片表面无明显划痕,但有较多的破碎凹坑和孔洞。

两种硅片表面整体上都比较平整,而金刚石线锯切割硅片的表面粗糙度值更大。

实验测得砂浆线锯和金刚石线锯切割硅片的损伤层厚度分别为10μm和6μm。