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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開 題 報(bào) 告
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浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 開題報(bào)告
1 選題的背景和意義
1.1 選題的背景
脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學(xué)及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導(dǎo)體、光伏材料技術(shù)的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長(zhǎng)，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機(jī)械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設(shè)備受到越來越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線鋸切割機(jī)是近十幾年來獲得快速發(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。根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，也可分為往復(fù)式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個(gè)微米，同時(shí)具備線鋸切割的特點(diǎn)，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)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(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、效益高，產(chǎn)量大，效率高等[2]。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
用金剛石線鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mesh于20世紀(jì)70年代提出W.Ebner進(jìn)行了早期線鋸加工實(shí)驗(yàn),由一個(gè)主動(dòng)輪鼓和一個(gè)從動(dòng)滑輪組成往復(fù)式多線鋸的往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)床，金剛石鋸的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鼓帶動(dòng)鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。W.Ebner用之進(jìn)行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線鋸進(jìn)行了硅切片實(shí)驗(yàn)，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(duì)金剛石線鋸的切害特性進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究[3]。
20世紀(jì)90年代，尤其是近幾年來，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對(duì)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(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng)，同時(shí)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(diǎn)研究了磨粒嵌入工件時(shí)的應(yīng)力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對(duì)材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對(duì)磨料的選擇進(jìn)行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動(dòng)一嵌入”模型中，磨粒的運(yùn)動(dòng)除滾動(dòng)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(gè)模型中考慮了磨漿的作用并認(rèn)為，在鋸絲帶動(dòng)游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)彈性流體動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動(dòng)產(chǎn)生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對(duì)薄片切割過程中鋸絲的振動(dòng)模型和熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出一個(gè)反饋控制算法，根據(jù)在線測(cè)得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對(duì)切割過程進(jìn)行控制，最后提出了一種分析、改進(jìn)鋸切工藝的方法。Wei等人對(duì)單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的鋸絲振動(dòng)模型，通過振動(dòng)仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應(yīng)和磨漿阻尼對(duì)鋸絲振動(dòng)幅度的影響并認(rèn)為，鋸絲振動(dòng)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(duì)切片表面質(zhì)量進(jìn)行了高精度測(cè)量[5]。
在得到廣泛應(yīng)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(duì)切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時(shí)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(shí)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(jī)對(duì)被微細(xì)硅切屑所污染的磨漿進(jìn)行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對(duì)油基磨漿的凈化和回收進(jìn)行了研究并認(rèn)為，鋸絲中的鐵質(zhì)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(dǎo)磁體分離器先進(jìn)行被磁化磨粒的分離，再進(jìn)行硅粉末的分離，實(shí)現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。
國(guó)外線切割設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有日本TAKATORI公司，不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產(chǎn)品技術(shù)角度劃分，瑞士的兩家公司生產(chǎn)的線切割機(jī)水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來，專攻線切割機(jī)技術(shù)，如今已成為業(yè)界的技術(shù)帶頭人。
TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導(dǎo)體材料的切割。該公司其他一些線切割設(shè)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(jī)產(chǎn)品都屬于三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，MWS-610SD采用材料向下運(yùn)動(dòng)的切割方式。這兩種線切割機(jī)線絲存線長(zhǎng)度不超過150KM。不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社線切割機(jī)主要有FSW-150型。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，可切150×150方形材料（主要針對(duì)太陽(yáng)能光電硅材料切割）存線長(zhǎng)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(jī)MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，存線長(zhǎng)度達(dá)400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機(jī)基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機(jī)型。其中DS262機(jī)型是專為太陽(yáng)能級(jí)硅片切割設(shè)計(jì)的，該機(jī)型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動(dòng)切割過程中能切出圓片4400片。BS800機(jī)型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備。
M&B公司線切割機(jī)主要用于200mm硅圓片和太陽(yáng)能級(jí)硅片的切割加工，四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式，大大增強(qiáng)了工作臺(tái)的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線切割機(jī)主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機(jī)型主要用于太陽(yáng)能級(jí)硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導(dǎo)體圓片加工生產(chǎn)，E500ED-8為200mm設(shè)備，E400E-12為300mm設(shè)備。HCT公司與M&B線切割機(jī)設(shè)備主要以四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)，這樣可以增大工作臺(tái)的面積，增大切割能力[7]。
我國(guó)半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開發(fā)的DXQ601型多線切割機(jī)，具有手動(dòng)、自動(dòng)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(jìn)給速度、砂漿流量。其操作簡(jiǎn)潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準(zhǔn)確，保證切片精度。采用主軸電機(jī)變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機(jī)閉環(huán)控制。
樊瑞新和盧煥明對(duì)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(tái)往復(fù)式金剛石線鋸機(jī)床。孫建章等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)往復(fù)自旋式電鍍金剛石線鋸數(shù)控切割機(jī)，以氣缸為驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬硬脆材料的切割及曲線加工。高偉對(duì)固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進(jìn)行了研究，進(jìn)行了花崗巖的切割實(shí)驗(yàn)，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機(jī)理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。
國(guó)內(nèi)最早從事太陽(yáng)能多線切割機(jī)開發(fā)的是上海日進(jìn)。上海日進(jìn)引進(jìn)日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺(tái)多線切割樣機(jī)，樣機(jī)類似NTC MWM442D。樣機(jī)在日進(jìn)內(nèi)部切割試驗(yàn)結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶實(shí)際試用的時(shí)候，還是遇到了很多的問題，如成品率低、斷線率高、設(shè)備的控制精度比國(guó)外進(jìn)口設(shè)備要差。
湖南宇晶在2006年左右開始研制多線切割機(jī)，主要針對(duì)水晶切割市場(chǎng)。經(jīng)過幾年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，目前在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)銷售出了幾十臺(tái)多線切割機(jī)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是該公司還沒有開發(fā)出適應(yīng)太陽(yáng)能硅片切割的多線切割機(jī)。
陜西漢江機(jī)床公司展出的4620型數(shù)控多線切割機(jī)。該機(jī)經(jīng)過多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長(zhǎng)度820mm，最大存線量800km。其解決了高精度排線導(dǎo)輪的多輥同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線導(dǎo)輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)。
中國(guó)電子科技集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家重大科技項(xiàng)目300mm多線切割機(jī)研制成功，打破了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線上運(yùn)行的12英寸多線切割機(jī)全部為進(jìn)口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機(jī)將完成商業(yè)機(jī)型的生產(chǎn)工藝驗(yàn)收。國(guó)產(chǎn)切割機(jī)無論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標(biāo)各方面，與國(guó)外機(jī)相比，已縮小了差距，并接近國(guó)外水平[8]。
2 研究的基本內(nèi)容
研究的畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的課題為金剛石線鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)金剛石線鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對(duì)其機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.1 基本框架
（1）金剛石線鋸切割機(jī)的原理分析；
（2）金剛石線鋸切割機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)；
（4）張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)
2.2 擬解決的關(guān)鍵問題
本課題是圍繞著金剛石線鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。主要的重點(diǎn)和難點(diǎn)為：
（1）機(jī)床需完成線鋸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
（2）工作臺(tái)需可沿X方向和Y方向的移動(dòng)。
（3）對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
（4）實(shí)現(xiàn)金剛線與工件精確點(diǎn)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(diǎn)。
3 研究的方法及措施
課題的研究主要以理論研究為主，對(duì)金剛石線鋸切割機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定其結(jié)構(gòu)布局以及各部件選用。內(nèi)容如下：
（1）金剛石線鋸切割機(jī)的原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
把一根細(xì)長(zhǎng)的鋼絲繩纏繞在排線輪上，鋼絲兩頭分別由放線機(jī)構(gòu)與收線機(jī)構(gòu)拉緊。在收放線機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動(dòng)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(shí)，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線上，切割進(jìn)給機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)動(dòng)，把硅棒壓向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。金剛石線鋸切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.1。
1—床身；2—X,Y工作臺(tái)；3—導(dǎo)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(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖
（2）傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的切割機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)金剛石線鋸框架沿垂直燕尾形導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由固定在機(jī)床上的步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組成，機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)：工件安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)沿縱、橫2個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)達(dá)到平面曲線的任意一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。X，Y坐標(biāo)工作臺(tái)用來裝夾工件，X軸和Y軸由控制箱發(fā)出進(jìn)給信號(hào)，分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行預(yù)定的加工。其主要由滑塊、導(dǎo)軌、絲杠運(yùn)動(dòng)副、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)幾部分分組成，如圖3.2。
圖3.2金剛石切割機(jī)床傳動(dòng)圖
（3）張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)
在加工過程中，線鋸會(huì)因?yàn)闊嵘扉L(zhǎng)和損耗等導(dǎo)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(shí)際切割時(shí)位置(動(dòng)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(jī)構(gòu)輔助工作時(shí)，加工過程中線鋸忽緊忽松，張力隨時(shí)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(duì)加工具有重要的意義。用于線切割機(jī)的自動(dòng)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(dǎo)輪和—個(gè)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(dǎo)輪和一個(gè)重力塊。本設(shè)計(jì)研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏可靠、體積小的張力凋整裝置，如圖3.3所示。
1—導(dǎo)向套；2—定位架；3—導(dǎo)軌盒；4—彈簧；5—導(dǎo)向壓桿；6—壓輪；7—輔助導(dǎo)向器；8—位置調(diào)整機(jī)構(gòu)；9—下導(dǎo)向器
圖3.3自動(dòng)張絲裝置的結(jié)構(gòu)圖
4 預(yù)期成果
通過分析，解決金剛石線鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各個(gè)部件選用、布局，改善金剛石線鋸切割機(jī)的性能。此設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面著手：（1）介紹金剛石線鋸切割機(jī)發(fā)展的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，研究方向，進(jìn)展情況，存在問題；（2）對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（3）實(shí)現(xiàn)金剛線與工件精確點(diǎn)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(diǎn)。完成部件零件圖及整體裝配圖，完成設(shè)計(jì)說明書（論文）
5 研究工作進(jìn)度計(jì)劃
2012.11.01-2012.12.25 準(zhǔn)備和閱讀資料、完成外文翻譯、文獻(xiàn)綜述及開題報(bào)告；
2013.01.01-2013.01.05 完成文獻(xiàn)綜述的修改、定稿；開題答辯；
2013.01.17-2013.04.04 機(jī)構(gòu)分析與校核計(jì)算；
2013.04.07-2013.04.25 機(jī)械裝配圖繪制；
2013.04.28-2013.05.12 機(jī)械零件圖繪制，論文及設(shè)計(jì)說明書撰寫；
2013.05.13-2013.05.20 成稿、修改、裝訂，準(zhǔn)備答辯。
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