金刚石多线锯结构设计论文毕设论文.docx
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金刚石多线锯结构设计论文毕设论文
济南大学泉城学院
毕业设计
题目金刚石多线锯结构设计
专业机械设计制造及其自动化
班级机设07Q3
学生董晨雨
学号20073006011
指导教师侯志坚
二〇一一年五月五日
摘要
我国是一个金刚石生产需求大国。
金刚石在我国国民经济中占有非常重要的地位,同时金刚石也是我国机械装备的重要战略物资。
特别是在硬脆材料的切割中,金刚石多线锯就显得尤其的突出。
集成电路的单晶硅片的需求越来来越大,往复式自由磨料线锯加工,其材料去除机理为研磨,加工效率比较较低,且不能切割硬度更高的碳化硅晶体、陶瓷等材料。
本课题提出金刚石多线锯切割这一工艺,利用固结在线锯丝上的金刚石磨粒直接磨削切除材料,减轻加工面表层损伤,环形线锯丝单向高速连续运动,大大提高切割效率和速度。
可用于硅晶体切片及高硬度材料切割加工。
具有切割精度高、制造成本低、对环境无污染等优点。
本课题对多线锯如何套在多个导轮上,并由张紧机构拉紧;如何采用丝杠、螺母机构驱动丝架移动;对配重机构的了解;以及对其结构的基本设计有初步的解析。
希望通过本课题大家能对金刚石多线锯的结构和用途有所了解。
关键词:
多线锯;切割;磨削;结构设计
ABSTRACT
Ourcountryisadiamondproductionrequirementssuperpower.DiamondinChina'snationaleconomyplaysaveryimportantrole,andthediamondisalsotheimportantstrategicmaterialsofmechanicalequipment.Especiallyinhardbrittlematerials,diamondcuttingappearespeciallyoutstandingonMulti-linesaws.Thedemandofsiliconchipsinintegratedhadbecomemoreandmore,theMulti-linesawsprocessingtechnologywhichisbasedonthegrindingmechanismwillbeeliminatedbecauseitsprocessingefficiencycomparisonisquitelow,andcan'tcuthardnesshighersiliconcarbidecrystal,ceramicmaterials.ThistopicproposedthediamondMulti-linesawstechnology,usingthetechnologyofconsolidationonlinesawsilkgrindingexcisiondirectlydiamondgrits,reducetheprocessingsurfacematerialdamage,circularlinecontinuousspeedsawingsilkone-waymotion,greatlyimprovingcuttingefficiencyandspeed.Itcanbeusedforsiliconcrystalsliceandhighhardnessmaterialcuttingprocessing,foritshighprecision,manufacturingcostcutting,lowpollutiontotheenvironment,etc.
Thistopicstudiedhowthemulti-linesawsinmultipleset,andtautedbytensionerinstitutions;Howtoadoptscrew,nutinstitutionsdrivewireframemovement.Andtounderstandthecounterweightinstitutions;Dothebasicdesignofthestructureofapreliminaryanalysis.IHopethatthroughthistopicwecanunderstandthestructureandpurposeofdiamondMulti-linesawstechnology.
Keywords:
Multi-linesaw;Cutting;Grinding;Structuredesign
目录
摘要…………………………………………………………….……………………
ABSTRACT………………………………………………………………………..………Ⅱ
第一章前言……………….…………………………………………….….……………...1
1.1课题研究背景……....................……….......…………….………….………..1
1.2国内金刚石线锯发展状况………………………………………………………..1
1.2.1国内金刚石线锯的概况…...………………………………………………..1
1.2.2金刚石线锯的制作与加工装置.…….......…………….………….………..3
1.2.3试制金刚石细线锯与材料强度性能……………………….…....……….5
1.2.4金刚石细线锯的最佳制作条件.....………………………….…....……….6
第二章金刚石多线锯的研制..........……..….………………………….…..….………10
2.1金刚石多线锯设计总体方案…………………………………………………..10
2.2环形金刚石线锯床的布局及工作原理……….………………...……………..11
2.3环形金刚石线锯床的模块化设计……………………………………………12
2.3.1主运动功能模块设计….……………………………………………….13
2.3.2进给运动功能模块设计.....……………………………………………....15
2.3.3锯丝张紧机构模块设计………………………………………………….16
2.3.4控制模块设计……..……………………………………………………..17
2.4金刚石线锯床制造关键技术……………………………………………...……18
2.4.1锯床精度对切割精度的影响……………………………………………18
2.4.2加工及装配关键技术……………………………………………………18
2.4.3导轮主轴及导轮加工…………………………………..…………..……19
2.4.4轴承孔研磨加工……………….……………………………………...…19
2.4.5导轮主轴轮轴承装配..………………………………………………..…20
第三章结论......................………...………….……………..….……...…..….………...22
参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….24
致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….25
附录
附录A外文翻译
附录B任务书
附录C设计方案
附录D总装配图
附录E各零件图
第一章前言
1.1课题研究背景
石材制品以其天然华丽的色彩和稳定的物理化学性能使其在建筑装饰、精密机械、生活用具、工艺制品等方面得到大量应用。
我国石材资源储量大,品种多,分布广,遍及全国各地。
据统计,全国已经发现和利用的天然石材品种达1542种,其中大理石663种,花岗石829种,板岩和砂岩约50种。
经过二十多年的快速发展,中国石材工业取得了可喜的成绩,国际地位日趋提高,国际交流更加活跃,竞争力日益增强。
2005年我国石材规模以上企业生产花岗石、大理石、板材超过1.5亿平方米,石材的产量、用量及进出口贸易量等多项指标连续多年位居世界第一位。
尤其随着“中国石材之乡”、“中国石都”、“中国石材城”、“中国石雕工艺城”、“中国石材基地中心”等集资源开采、产品加工、展览及进出口贸易于一体的大型石材基地的功建设,石材产业集群的水平得到进一步提升,集群规模进一步壮大,石材产业链进一步完善。
中国特色的“石头哥”更加响亮,中国正在由石材大国向石材强国快速迈进。
随着建筑装饰业和科学技术的发展,以及人们审美情趣的提高,石材制品及其工程日益呈现艺术化、高档化、个性化、规模化使用的发展趋势。
同时,石材矿山资源管理的规范化和石材行业生产链的不断完善,使石材行业普遍认识到只有通过创新才能提高石材制品和加工机具的质量,只有创新才能提升行业的整体水平和综合竞争力。
当今石材行业发展的形式对行业从业人员、生产技术、工具、装备等提出了更高的要求。
近几年,石材加工产业发展太猛,石材工程领域的科学研究、工具、设备制造等有了很大的发展,大量石材专用、高效加工技术与设备涌现出来,石材工程施工技术和防护养护技术也有了长足的进步。
这些新技术、新装备需要总结,需要推广,以更好的促进石材行业的发展。
1.2国内金刚石线锯发展状况
1.2.1国内金刚石线锯的概况
用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由Mech于20纪70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的往复式试验机床,金刚石锯丝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,出现了可用于石材切割的金刚石多线锯。
进入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。
金刚石线锯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。
目前在光电子工业中使用最为广泛的是往复式多线锯。
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。
目前,硬脆材料切割工程中主要采用游离磨粒式多线锯,加工液使用由油或水与磨料混合而成的悬浮液。
如图1.1所示,多线锯的工作方式是切割的同时向做高往复运动的琴丝供应悬浮液。
但是,近年来,从环保角度出发,由于多线锯用悬浮液废弃间题和作业环境等的缘故,使用金刚石线锯的固结磨粒方式引人关注。
图1.1多线锯的加工模型
如图1.2所示,金刚石线锯的特点是金刚石磨粒固结在琴丝表面,只靠水或油就能进行加工。
另外,由于金刚石磨粒直接固结在芯线上,切割速度可远远高于游离磨粒式。
但是,金刚石线锯由于金刚石磨粒固结在琴丝的表面,存在线锯直径增大、工件的切割余量增加等间题,加上线锯生产成本较高,其应用目前只局限于一定范围。
图1.2普通金刚石线锯的模型
鉴于上述情况,为了谋求金刚石线锯的进一步发展,本研究拟新开发金刚石细线锯,减少切割余量。
金刚石细线锯的开发既要注意减小线锯的径,又要注意保持金刚石线锯的高切割性能。
结果,试制成图1.3所示的金刚石细线锯,芯线由两根
58μm的琴丝扭纹而成,在其表面固结
30-40μm的金刚石磨粒。
本文就金刚石细线锯的最佳电沉积条件以及改变扭纹节距长度引起的线锯形状差异对切割加工性能的影响进行了探讨。
图1.3金刚石细线锯的模型
1.2.2金刚石细线锯的制作与加工装置
图1.4为金刚石细线锯制作装置与金刚石磨粒电沉积装置的示意图。
首先,将线轴安装在纹线器①的臂部,经纹线器扭纹而成的芯线④通过供电部分⑤,由丙酮槽⑥脱脂,经盐酸槽⑦进行表面活化,然后被引入电镀槽。
该镀槽分为3个槽,前镀槽⑧进行预备镀,以提高镀镍层的附着强度。
金刚石磨粒电沉积槽⑨填充有金刚石磨粒,将金刚石磨粒固结在芯线表面。
后镀槽⑩在电沉积金刚石磨粒间进行镀镍,既可调整磨粒的突出量,也能防止金刚石磨粒的脱落。
随后,将金刚石线锯在清洗槽11中进行清洗,由卷线器卷绕。
金刚石细线锯的芯线采用的是纹合线,纹合线的节距长度通过设定纹线器的臂转速和卷线器的绕线速度加以调整,可以制作出任意节距长度的绞
线金刚石线锯。
图1.5为金刚石细线锯的主要制作条件。
图1.4金刚石细线锯制作装置示意图
图1.5金刚石细线据的电沉积条件
图1.6为金刚石细线锯用切割机的示意图。
金刚石线锯最初卷绕在位于切割机上部的双联式线锯鼓轮上。
从线锯鼓轮送出的金刚石线锯依次通过右侧线锯拉力调整轮、切割加工部分、左侧线锯拉力调整轮,再卷绕在线锯鼓轮上。
金刚石线锯可通过连接在线锯鼓轮上的电动机的正反转,同时进行送出和卷绕做往复运动,在加工部分加工工件。
图1.7为主要切割试验条件。
图1.6切割机筒图
图1.7切割条件
1.2.3试制金刚石细线锯与材料强度性能
图1.8为试制金刚石细线锯、芯线用
58μm琴丝和
280μm传统金刚石线锯的材料强度试验结果。
抗拉强度试验按照标准JISZ2241进行。
另外,对于扭转试验,将线锯按200mm的间隔夹紧,为了评估加工时扭转的影响,在加工时的线锯拉力加载于线锯的状态下进行扭转,将断裂时的转速定义为断裂扭转角。
如该图所示,金刚石细线锯的断裂载荷为传统金刚石线锯的1/3左右。
这可能是由于金刚石细线锯的直径小于传统金刚石线锯,断裂载荷有所降低的缘故。
其次,由于拉伸载荷作用于作为试制金刚石线锯芯线的琴丝时弹性区位于断裂载荷的1/3左右,对试制金刚石线锯以7.84N的拉力进行了扭转强度试验。
结果显示,在初期拉力7.84N时,与传统金刚石线锯(初期拉力:
19.6N)相比,试制金刚石细线锯的断裂扭转角有所增大。
从这种结果明显看出,试制金刚石细线锯在拉力7.84N时是可以充分进行切割加工试验的。
图1.8拉伸断裂载荷与断裂扭转角的变化
1.2.4金刚石细线锯的最佳制作条件
图1.9是设前镀槽长度L1=200mm、后镀槽长度L3=160mm、金刚石线锯的扭绞节距Pi=4mm,改变电流密度Ed而制作的金刚石细线锯的表面观察照片。
在该图(a)的电流密度
时,金刚石线锯表面的磨粒形状清晰可见,但线锯表面磨粒在分散性上参差不齐。
而在电流密度
时,线锯表面上可见到的金刚石磨粒则相当少。
根据这种结果判断,在电流密度
附近,电沉积具有良好的金刚石磨粒分散性。
图1.10为改变前镀槽长度L、而制作的金刚石细线锯的切割效率变化。
如该图所示,无论是哪种金刚石线锯,从加工开始第一次到第二次,加工效率均呈下降趋势,然后随着切割次数的增加,切割效率逐渐提升,到切割次数20次附近,切割效率大致趋于稳定。
还可以看出,此时的切割效率以前镀槽长度最短的金刚石线锯为最高,随着前镀槽长度的增加,线锯的切割效率有所下降。
图1.11为其中试制金刚石线锯的断面观察照片。
如该图所示,随着前镀槽长度的增加,芯线与磨粒痕的距离(前镀槽施镀的镍层)有所增大。
本试验则对电流值进行了调整,使从前镀槽到后镀槽的总电流密度保持不变。
因此,前镀槽施镀的镍层一增厚,供给后镀槽的芯线表面积就会增加,引起电流密度的降低。
从而导致镀层厚度减小,不利于调整磨粒的突出量。
磨粒的把持强度随之降低,线锯表面的磨粒提前脱落,切割效率下降。
鉴于这种情况,本研究将最佳前镀槽长度定为L1=200mm
图1.9不同电流密度时的细线锯表面
图1.10改变前镀槽长度时的加工性能
图1.11改变前镀摘长度时的金刚石线据断面
图1.12为改变后镀槽长度L3而制作的金刚石细线锯的表面观测照片与切割效率的变化.从图1.12(b)可以看出,在后镀槽长度L3=160mm时,切割效率从加工开始起逐渐增加,到金刚石线锯断裂之前稳定在约360μm/min附近.在后镀槽长度L3=200mm时,切割效率呈最高值.而后镀槽长度达L3=250mm时,加工开始时的切割效率也低,其增加趋势也缓慢,切割效率的上升也不明显。
这可能与后镀槽施镀的镍层厚度有关。
从后镀槽长度L3=160mm时的线锯表面来看,与L3=200mm时的金刚石线锯相比,线锯表面能观测到的金刚石磨粒以大者居多。
这意味着后镀槽施镀的镍层薄,金刚石磨粒不能充分镶嵌于镍层,可能是由于线锯表面的磨粒把持强度低的缘故。
另外,从表面观察也可以看出,对于后镀槽长度L3=250mm时的金刚石线锯,金刚石磨粒已嵌入镍层,金刚石磨粒的突出量减少。
因此,切割效率随着切割次数增加的趋势不明显,可达到的切割效率也降低。
由上述结果显而易见,最佳后镀槽长度应为L3=200mm
图1.12改变后镀植长度时的金刚石线据
第2章金刚石多线锯的研制
2.1金刚石多线锯设计总体方案
固结磨料线锯切割相当于砂轮切割,其材料去除机理相当于磨削,因而具有磨削加工的优点,切削速度大,加工效率高。
切削速度的提高也减小了单个磨粒的切削层厚度,表面损伤层浅,降低废品率。
但是线锯丝运动方式多为往复式直线运动,受惯性力的影响,线锯丝运动速度较低,不能充分发挥金刚石线锯丝的优点;由于线锯丝往复直线运动,线锯丝运动规律会复映在切割表面上,导致表面上遗留下波纹,降低切割表面面形精度,后续工序中很难消除,直接影响成品率。
为此本文设计了使用环形线锯丝的线锯床,可实现线锯丝单方向运动。
图2-1为本课题的研究方案,根据课题的研究内容,首先要研制用于硬脆材料切割实验的线锯床及金刚石线锯丝,然后应用研制的线锯床及金刚石线锯丝进行硅晶体等材料切割实验,并验证金刚石线锯丝的性能及锯切表面粗糙度等。
本文设计的线锯床应满足以下基本要求:
(1)线锯丝单方向连续运动。
具有多种速度,最高速度接近磨削速度。
(2)两种进给方式。
伺服电机驱动实现无级变速进给,有多种进给速度,低速进给无爬行现象。
通过祛码加载,实现恒力进给,以满足不同实验需求。
(3)具有旋转精度高、振动小的机械特性。
经分析对比,初步选定图2-2所示2种设计方案。
2种方案的主要区别是进给运动的部件不同。
图(2-2a)为工作台进给方式,电机通过皮带传动带动主动导轮转动,线锯丝驱动另外2个导轮转动,导轮的转动使线锯丝直线运动,从而实现环形线锯丝单方向连续运动。
该方案中需要有一进给工作台,伺服电机驱动或外力驱动工作台移动,实现进给运动。
优点是主传动成本低廉,运动部件质量小,重力对切割过程影响小,控制简单;缺点是线锯丝变速麻烦,外防护庞大等。
图2-2b)为线锯丝进给方式,电主轴及2个导轮全固定在滑板上,电主轴驱动导轮使线锯丝切割部位直线运动,伺服电机及丝杠螺母机构驱动滑板沿垂直导轨向下移动,即线锯丝向工件进给运动。
该方案优点是线锯丝变速调节方便,安全防护及防漏措施可靠。
如果使用同等长度规格的线锯丝,锯床体积增大,还需要平衡重力的影响,制造成本较大。
根据课题实验内容要求以及制造成本等方面综合分析,最后选择图2-2a)方案作为锯床设计制造的最终方案。
2.2环形金刚石线锯床的布局及工作原理
图2-3为线锯床的外观图(拆去防护罩),整个锯床由主机本体、电器控制系统、冷却系统等部分组成。
主机本体由底座1、水盘2、机架3、进给系统4、工件夹具6、锯丝张紧装置11等组成。
3个导轮安装在转动轴端部,导轮外圆柱面分布环形槽,环形金刚石线锯丝套在3个导轮的环形槽内,张紧装置11将线锯丝张紧,为了弥补线锯丝长度误差和增大锯丝在主动导轮上的包角,还设置了一个能自由调整的预张紧轮14;电机通过皮带传动带动主动导轮13转动,锯丝驱动另外2个导轮转动,导轮的转动使线锯丝直线运动,从而实现环形线锯丝单方向连续运动。
专用台钳将工件固定在工作台上,检测锯切割力大小时亦可以将测力装置安装在工作台面上。
进给系统推动工件沿水平方向移动,完成工件切割进给运动。
为扩大使用范围,本锯床设计两种进给驱动有方式:
一种是伺服系统驱动,由驱动电机及其控制单元、机械传动部件、执行件等组成。
工作时伺服电机驱动滚珠丝杠机构,带动滑工作台进给运动,进给速度可定量调节:
另一种是加载恒进给力驱动,即用配重巧的重力带动工作台。
进给量自动适应线锯丝的切割能力,有利于保护金刚石线锯丝。
恒进给力驱动工作台时,利用另一个滚动导轨工作台附件,使用时只需将滚动导轨工作台附件固定在主工作台上即可,配重15的重量可以改变,从而改变线锯丝法向作用力的大小,调节进给速度,用来研究线锯丝与工件之间作用力对切割过程的影响。
2.3环形金刚石线锯床的模块化设计
根据环形锯丝线锯床的结构功能及运动关系,按照模块化设计思想,将线锯
床划分为如图2-4所示功能模块,并对功能模块的关键结构进行设计研究。
2.3.1主运动功能模块设计
主运动功能作用是实现线锯丝的主运动。
该模块包括主电机、皮带传动、线锯丝传动以及主轴组件等。
电机驱动主动导轮,主动导轮则通过线锯丝传动驱动另外2个导轮,2个被动导轮主轴组件采用相同结构及规格,减少了零件品种。
主动导轮、皮带轮可以更换不同规格,以适应不同的速度及功率要求,实现了一机多用,降低了锯床的制造成本。
因为线锯床应满足高速度、高精度和低温升等要求。
而导轮主轴组件是线锯床的关键部件之一,其转速、功率、动态平衡、刚性及热变形特性等对抗振性和线锯丝振动振幅都有相当程度的影响,而轴承结构形式及配置方式又至观重要。
参考主轴轴承的配置型式,导轮主轴组件采用图2-5所示结构,主轴支承采用角接触球轴承,2个轴承背对背安装配合使用,导轮主轴装在前后支承之间,该结构能允许较高的旋转速度。
虽然工作时主轴不承受轴向力,轴承轴向间隙仍然会产生振动,因此需要消除轴承间隙。
本设计中,内隔套4和外隔套3的轴向尺寸不同,可以调节轴承间隙和刚度。
导轮1装在主轴2端部定心圆柱上,由于传动扭矩较小,导轮与主轴之间摩擦力足够,无需键连接,这也有利于减小不平衡质量。
为扩大锯丝变速范围,简化设备结构,主电机采用双速电机,主电机2级转速分别为2800r/min和1400r/min,导轮主轴采用皮带塔轮有级变速。
电机轴上安装一个塔轮,轮槽直径分别为Φ82mm和Φ100mm,导轮主轴后端连接另一个皮带塔轮,对应轮槽直径分别为和Φ100mm和Φ82mm,需变速时,调整皮带在塔轮皮带槽的位置,可得到2种传动比,分别是:
i1=82/120和i2=120/82。
改变主动导轮的直径,也可改变线锯丝速度大小。
主动导轮有3种规格,直径分别为Φ130mm,Φ110mm和Φ90mm,可以更换不同直径的主动导轮13,根据皮带传动比和主动导轮直径不同进行组合,线锯丝可以得到12种线速度。
线锯丝速度及导轮转速如表2-l。
当转子的转速或导轮工作转速接近导轮主轴临界转速时,导轮主轴将产生剧烈的振动。
为避免这种共振现象产生,确定导轮线速度及转速后,还应计算导轮轴的临界转速。
应使转子的转速或导轮工作转速尽量远离导轮轴临界转速。
本锯床主轴系统为高
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