中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 肖豐樂(lè) 李東風(fēng)

多線切割機(jī)切割線振動(dòng)特性研究

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 肖豐樂(lè) 李東風(fēng)

建立了多線切割機(jī)單根切割線的物理模型和數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用matlab軟件分別模擬了不同張緊力和不同線速度下的切割線頻響特性，得出張緊力增加單位長(zhǎng)度切割線振幅明顯減小，切割線速度隊(duì)振幅影響不大。

多線切割機(jī) ；matlab仿真；頻響特性

自由磨粒切割技術(shù)是將帶有預(yù)緊張力的切割線組成線網(wǎng)，線網(wǎng)運(yùn)動(dòng)將混合有磨粒的砂漿帶入到切割區(qū)域[1]，晶體硅錠在垂直于線網(wǎng)的方向上做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使線網(wǎng)平面與水平面保持一定的夾角，高速運(yùn)動(dòng)的線網(wǎng)通過(guò)砂漿運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)磨粒與晶體硅表面產(chǎn)生作用進(jìn)行切削[2]，如圖1所示。切割線直徑為150～250μm，切割線張力20～30N，線網(wǎng)與水平面夾角2°～6°，切割線速度 5～15m/s。

圖1 切割過(guò)程中切割線狀態(tài)示意圖

切割線在切割機(jī)加工中高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)磨粒進(jìn)行切削，切割線的運(yùn)動(dòng)軌跡決定著硅片的表面粗糙度、翹曲度等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)也影響切割過(guò)程中鋸槽的尺寸[3]。研究多線切割機(jī)中切割線的振動(dòng)特性，尤其是帶有一定張力下的振動(dòng)特性，可以作為多線切割機(jī)設(shè)計(jì)、改進(jìn)的基礎(chǔ)[4]。

1 切割線振動(dòng)模型的建立

切割線的運(yùn)動(dòng)屬于軸向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，忽略切割線本身的抗彎剛度可以將模型簡(jiǎn)化為軸向運(yùn)動(dòng)的弦線。由于在加工區(qū)域，數(shù)百根切割線的軸向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中每一根的受力狀況基本相同，所以僅需要對(duì)其中一根切割線進(jìn)行研究建模[5][6]。

研究對(duì)象為切割線（切割線速度為v（t）），其振動(dòng)模型受力圖如圖2，各參數(shù)的含義如下:

q—硅晶片對(duì)切割線的正壓力

f—硅晶片與切割線間的摩擦力

L—兩主軸間的距離

a—切割線非加工區(qū)域?qū)挾?/p>

b—切割加工區(qū)域?qū)挾?/p>

切割線上的位置矢量為：

圖2 切割線振動(dòng)模型

參數(shù)取值 E=200Gp，D=0.16mm，ρ=0.0001615kg/m，計(jì)算得cL﹥cH可以看出切割線的縱向波速是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫向波速的，因此可以將切割線的橫向運(yùn)動(dòng)當(dāng)作一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的情況處理[7]。

根據(jù)Hamiltom理論，現(xiàn)建立如下模型：

結(jié)果表明，在多線切割過(guò)程中，切割線的橫向位移和頻率受切割線的密度、切割線速度、切割線加速度、切割線張力和外部環(huán)境對(duì)切割線的作用力影響。對(duì)于給定材料的切割線，切割線的線速度、加速度和切割線張力決定了切割線運(yùn)動(dòng)的固有屬性。

2 切割線張力、速度、振幅的仿真計(jì)算

采用數(shù)學(xué)軟件Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算，在給定切割線速度情況下（v=10m/s），當(dāng)鋼線張力T的取值在5～35N范圍內(nèi)變動(dòng)的時(shí)候，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖中看出，在相同速度的前提下，同樣的頻率比值對(duì)應(yīng)的張力越小，其切割線的振幅越大，并且，隨著頻率的同比增長(zhǎng)，在切割過(guò)程中各種激勵(lì)的影響下，張力越小切割線振幅的增長(zhǎng)速度越快，并且在帶預(yù)應(yīng)力切割線固有頻率附近出現(xiàn)共振現(xiàn)象。在給定切割線張緊力T不變的情況下，切割線速度取值在0m/s～80m/s范圍內(nèi)變動(dòng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 切割線速度固定時(shí)T與頻響的關(guān)系、

圖4 張緊力固定時(shí)V與頻響的關(guān)系

3 結(jié)論

由圖3可以得出：多線切割過(guò)程中切割線保持較高的張力（預(yù)緊力）可以得到更加穩(wěn)定和可靠的切割系統(tǒng)。這是因?yàn)檩^高的張緊力減小了一定頻率下切割系統(tǒng)的振幅，并且可以獲得較高的切割線固有頻率，從而使得振幅隨著激勵(lì)頻率接近切割線固有頻率的變化率有所減小。從圖4中可以看出，切割線速度對(duì)振幅的影響和對(duì)切割線固有頻率的影響都比較小，較高的走絲速度意味著較高的切割效率。

[1]李保軍.多線切割中切割線振動(dòng)作用研究.電子工業(yè)專用設(shè)備，2008，6（161）:39-42.

[2]程志華.多線切割機(jī)理及其控制方法的研究.博士學(xué)位論文，上海：上海大學(xué).2008.

[3]林建榮，魏昕，舒繼千.硅晶體線切割加工過(guò)程中切割線振動(dòng)的研究.機(jī)電工程技術(shù)，2007，12:32-75

[4]Egemen Teomete. Wire Saw Process-Induced Surface Damage Characterization. RESEARCH ARTICLE-MECHANICAL ENGINEERING..2013（38）:1209-1215.

[5]林建榮.游離磨料線切割硅晶體過(guò)程中的振動(dòng)研究.碩士學(xué)問(wèn)論文，廣州:廣東工業(yè)大學(xué).2008.

[6]Egemen Teomete. Roughness Damage Evolution Due to Wire Saw Process. INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING.2011,12:941-947.

[7]陳云信，吳福明，鄧成文.基于ANSYS的線切割電極絲振動(dòng)現(xiàn)象的研究.煤礦機(jī)械，2006，9:44-46.