SiC单晶片超声切割过程中的工艺参数优化

摘要

在硬脆材料的切割方法中，金刚石线锯切割技术以其较小的锯切力、较高的切片表面质量和较窄的锯缝等优点适合于硬脆材料如碳化硅、单晶硅和各种珍贵宝石的加工。但是在普通金刚石线锯加工过程中，存在着线锯磨损严重，线锯易断和崩片严重等缺陷，导致加工效率不高，对整个加工过程中的可持续性和稳定性产生严重的影响。超声振动加工在加工领域所起到的积极作用已被国内外学者所证明，且已经被引入硬脆材料加工领域，它非常适合于加工各种不导电的硬脆材料，例如碳化硅、陶瓷、石英、宝石等。
　　本文在传统的金刚石线锯切割理论的基础上，基于超声振动的运动学理论，建立了金刚石线锯超声振动切割的理论模型，并与普通线锯切割的理论模型对比。在理论分析的基础上，通过单因素试验，对工艺参数（线锯速度、工件进给速度、工件转速和超声波振幅）进行变化，对比超声振动切割和普通切割的锯切力和切片表面质量。结果表明，在施加了超声振动以后，锯切力、线锯寿命、切片表面质量和加工效率都得到明显的提高。
　　通过中心复合试验，采用响应曲面法，建立了锯切力和表面粗糙度分别关于各个工艺参数的响应面模型，并对模型进行响应面分析，然后通过模型对加工过程中的锯切力和表面粗糙度进行预测。
　　最后，充分考虑整个加工系统的各个方面，以最佳的表面质量、最大的加工效率和最低的加工成本为优化的多目标，建立多目标优化模型。然后在Matlab平台上对多目标优化模型进行编程运算，得到最优的工艺参数，并通过试验对优化的结果进行验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 硬脆材料切割方法综述

1．2．1 金刚石圆盘锯切割

1．2．2 带锯切割

1．2．3 线锯切割

1．3 电镀金刚石线锯切割技术

1．4 国内外超声复合加工方法研究现状

1．5 本课题研究内容

2 金刚石线锯超声振动切割机理研究

2．1 锯切过程的物理模型的研究

2．2 普通线锯切割的锯切力的研究

2．2．1 单颗金刚石磨粒切屑变形引起的锯切力

2．2．2 单颗金刚石磨粒摩擦引起的锯切力

2．2．3 普通金刚石线锯切割过程中锯切力

2．3 金刚石线锯—超声振动切割运动特征及锯切力研究

2．3．1 超声振动切割中单颗金刚石磨粒的锯切力

2．3．2 超声振动切割过程中的锯切力

2．4 超声振动切割技术工艺效果研究

2．5 本章小结

3 超声振动切割技术中锯切力的试验研究

3．1 实验设备及其主要参数

3．1．1 实验设备工作原理

3．1．2 实验仪器设备主要参数

3．2 锯切力单因素实验分析

3．2．1 单因素实验方案及结果

3．2．2 试验结果与分析

3．3 超声振动切割锯切力研究及模型的建立

3．3．1 中心复合设计实验

3．3．2 锯切力模型的建立

3．4 本章小结

4 切片表面粗糙度的试验研究及响应面建模

4．1 响应曲面法(RSM)

4．2 表面粗糙度单因素实验分析

4．2．1 单因素试验条件以及表面粗糙度测量方法

4．2．2 金刚石线锯速度对表面粗糙度的影响

4．2．3 工件进给速度对表面粗糙度的影响

4．2．4 工件转速对表面粗糙度的影响

4．3 基于RSM的碳化硅切片表面粗糙度的试验研究及建模

4．3．1 碳化硅切片表面粗糙度的试验设计方案及结果

4．3．2 响应曲面法建模

4．3．3 最佳锯切工艺参数

4．3．4 表面粗糙度响应面分析

4．4 工艺参数对SiC切片表面粗糙度的影响

4．5 本章小结

5 金刚石线锯超声振动加工参数多目标优化

5．1 主要目标法

5．2 金刚石线锯锯丝寿命的研究

5．3 基于主要目标法的多目标优化数学模型

5．3．1 切片表面粗糙度的目标函数

5．3．2 金刚石线锯加工效率的目标函数

5．3．3 加工成本的目标函数

5．4 基于主要目标法的多目标优化数学模型Matlab编程

5．4．1 金刚石线锯寿命的计算

5．4．2 确定优化过程的约束条件

5．4．3 用Matlab编程实现优化

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与参与项目