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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 题 目： 金刚石线锯切割机设计金刚石线锯切割机设计 学生姓名学生姓名 学学 号号 专业班级专业班级 分院（系）分院（系） 指导教师（职称）指导教师（职称） 2013 年 4 月 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 中文摘要 金刚石线锯切割机设计金刚石线锯切割机设计 【摘要】 本文对金刚石线锯切割机进行了深入的研究。在理论上探讨了单晶硅各异 性材料特性对电镀金刚石线锯切割硅晶片过程影响。分析了锯丝沿不同的晶面、晶向 锯切对晶片的影响规律，并推荐了首选的锯丝切入方向。研究发现，在确定的工艺参 数下，当锯丝切入方向使锯切两边材料的弹性模量分布关于锯丝切入方向呈对称性 时， 可有效地提高晶片面形质量。 锯丝切入方向与被锯切晶面内的易开裂方向一致时， 可有减少晶片表面破碎。 本课题主要对切割机导轨平台、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构 设计。通过搜集相关文献资料，了解本课题国内外研究动态，确定设计研究方案；完 成金刚石线锯切割机滚珠丝杠、螺母、步进电动机、螺母等相关零部件及装配图的设 计；完成相关零部件设计说明书及其图纸。 【关键词】 金刚石；线锯切割机；导轨平台 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 英文摘要 II Design of Diamond Wire Cutting Machine 【Abstract】 In this paper, diamond wire saw cutting machine has conducted in-depth research. In theory of monocrystalline silicon anisotropic material properties of electroplated diamond wire saw cutting silicon wafer process affect. Wire sawing along the crystal surface, crystal and recommend a preferred saw Siqie into the direction of the influence of sawing the wafer. The study found that, when the saw wire into the direction of the cutting material on both sides of the elastic modulus distribution symmetrical saw cut wire into the direction, which can effectively improve the quality of the wafer surface shape to determine the process parameters. The saw wire into the sawing crystal surface easy to crack the same direction, the direction, may have to reduce the wafer surface broken. The main subject of the cutter rail platform, work holding, reel and cutting thread tension adjusting device structure design. Through the collection of relevant literature, research trends about this topic, and to determine the design of research programs; completion of the diamond wire saw cutting machine ball screws, nuts, stepper motors, nuts and other related parts and assembly drawings of design; complete the relevant parts design specification and its drawings. 【Key Words】 Diamond；Wire Saw Cutting Machine；Rail Platform 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 目录 III 目 录 1 绪 论 1 1.1 概述 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1 1.3 金刚石线锯切割机的简介 4 2 金刚石线锯切割机的设计方案 . 5 2.1 有关首选参数 5 2.2 切割机特点 6 2.3 金刚石线锯切割机设计方案 6 2.3.1 原理分析和总体结构设计 7 2.3.2 传动系统和工作台的设计 7 2.3.3 张力调整装置设计 8 3 金刚石线锯切割机传动设计 10 3.1 滚珠丝杆的选择与计算 . 10 3.1.1 滚珠丝杆的定义 . 10 3.1.2 滚珠丝杆副间隙调整法 . 10 3.1.3 滚珠丝杆的循环方式 . 11 3.1.4 滚珠丝杆的计算 . 11 3.1.5 滚珠丝杆安装方式 . 14 3.2 步进电动机的选择 15 3.3 张紧轮设计 21 3.4 绕线轮的设计 25 3.5 二维夹具的设计 27 结 论 . 28 参考文献 29 致 谢 . 30 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 1 绪 论 1.1 概述 脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等，具有优良、稳定的物理和 化学性能耐磨损性、 抗腐蚀性、 电绝缘性等， 在电子、 光学及其它领域得到广泛应用， 特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等 高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展，需求量不断增加，切割加工量大 幅增长，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加 工的第一道工序，锯切加工成本约占加工总成本的 50以上，因此，切割工艺、工 具及设备受到越来越广泛的关注，并得到迅速发展1。金刚石线锯切割机是近十几年 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。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2。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由 Mesh 于 20 世纪 70 年代提出 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往复式多线 锯的往复式试验机床， 金刚石锯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， 出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。 Anders J.R 使用日本 Yasunagar 公司的 YQ100 金刚石多线锯进行了硅切片实验，得到的切缝宽度小于 0.16mm，表 面损伤层深度小于 5um。ITo、Murata、Tokura 和 Ishikawa 等人则对金刚石线锯的切 害特性进行初步实验研究3。 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。Li 等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨 粒嵌入切削表面，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用。重点研究了 磨粒嵌入工件时的应力分布和作用， 发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削 表面之下，据此对磨料的选择进行优化。Kao 等人指出在“滚动一嵌入”模型中，磨 粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat 等人则在 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 这个模型中考虑了磨浆的作用并认为，在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内，锯 丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境， 用有限元方法分析锯丝与硅锭间的 磨浆弹性流体动力学模型，得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和 切割条件的函数，还得出结论：磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生 了切削4。 Sahoo 等人用有限元方法对薄片切割过程中锯丝的振动模型和热应力进行了分 析，提出一个反馈控制算法，根据在线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度等参数对切 割过程进行控制，最后提出了一种分析、改进锯切工艺的方法。Wei 等人对单晶和多 晶棒以及陶瓷材料（氧化铝）进行切割实验，建立了一个轴向运动的锯丝振动模型， 通过振动仿真研究了锯丝张紧力、 切片的池壁效应和磨浆阻尼对锯丝振动幅度的影响 并认为，锯丝振动受走丝速度影响很小，研究中还第一次使用莫尔条纹干涉法对切片 表面质量进行了高精度测量5。 在得到广泛应用的游离磨料线切割加工中， 金刚石磨浆的组成特性无疑对切割性 能和质量有直接影响，同时也是加工成本和环境污染的主要决定因素。Oishi 等人开 发了一种适合切割大截面硅片时使用的水溶性冷却剂。Costantini 和 Caster 使用沉积 槽和筐式离心过滤机对被微细硅切屑所污染的磨浆进行了分离，取得了较好效果。 Nishijima 等人对油基磨浆的净化和回收进行了研究并认为，锯丝中的铁质粘附于金 刚石磨粒的表面从而降低其切削性能， 提出用超导磁体分离器先进行被磁化磨粒的分 离，再进行硅粉末的分离，实现磨浆的净化和回收重用6。 国外线切割设备生产厂家主要有日本 TAKATORI 公司，不二越机械工业株式会 社，NTC 公司以及瑞士的 M单双拍时，k=2 直线运动工作台的移动速度 v=60f =18mm/分，将 =0.001 代入得，f=300HZ 因为步进电动机的转角与脉冲频率数成正比，步进电动机的转速 nm 也可用下面的公式计算； nm=60f /360=f /6=3000.9/6=45r/min 因此选择 BYH 型步进电动机。 3.3 张紧轮设计 张紧轮是机械传动中的张紧装置，当传动的中心距不能调节时，可以采用张紧轮 将线张紧。张紧轮一般布置在松边的内侧，从而使带只受单向弯曲；同时，为保证小 包角不致减小过多，张紧轮应尽量靠近大轮安装。如图 6 所示： 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 图 6：张紧轮 假定在张紧形态下，5000N 于张紧轮中央，张紧轮直径 48mm，材料的许用切应力 =100MPa，许用挤压应力 240 bs MPa 现计算弯曲应力： 1.由平衡方程容易求出 Q FF 张紧轮剪切面上的切应力为 MPa dh F A FQ 2 . 2 8 .2260 5000 154814. 3 1000 2. 校核张紧轮的挤压强度 FF bs 则挤压应力为 bs bs bs bs MPa dD F dD F A F 10 6 .1921 50004 )4854(14. 3 104 )4854(14. 3 104 )( 4 4 )( 22 3 22 3 2222 故拉张紧轮也满足挤压强度要求。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 3.4 绕线轮的设计 金刚石线锯切割机把一根细长的钢丝绳缠绕在排线轮上， 钢丝两头分别由放线机 构与收线机构拉紧。 在收放线机构与绕线轮之间装有若干张力控制轮用以控制钢丝的 刚度。绕线轮高速正反向有节奏地旋转，实现钢丝往复运动。设备配有切割液喷洒系 统，由压缩泵提供动力。切割液由表面活性剂、碳化硅磨料和油基添加剂配制而成。 切割时，切割液喷洒到硅棒刀口和钢丝线上，切割进给机构均匀运动，把硅棒压向高 速往复运动的钢丝，切出一组符合要求的高质量硅片。 本次设计的绕线轮如图 7 所示： 图 7：绕线轮 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 （1）计算支承反力，受力如图 8 所示： 图 8 绕线轮受力图 0)(435)(cbabaFaF BA 0)(435)(cbacbFcF AB 0)1907065(4358242 AA FF 40 124435 A F =1348.5(N) 40 124435 B F =1348.5(N) （2）弯矩 1348.5 4256637( .) A MN mm ).(56637425 .1348mmNMB （3）转矩 转矩 66 2.9 9.55 109.55 1015386 1800 p TN mm n （4）校核 许用应力 用插入法查得：MPa b 5 .102 0 许用应力值 M P a b 60 1 应力校正系数 1 0 60 0.59 102.5 b b AB 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 当量弯矩 0 . 5 9 1 5 3 8 6 9 0 7 7 . 7 4TN m m 22 ()57359.87 A MMTN mm 22 ()57359.87 B MMTN mm 设计的直径 min 28dmm 5 .21 601 . 0 87.57359 1 . 0 3 3 1 b A A M d mmdd BA 285 .21； （5）疲劳强度校核 初步分析I、II两个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面I为例进行安全 系数校核。 材料选用 45 钢调质， MPa B 650 ， MPa S 360 对称循环疲劳极限 MPa Bb 286 65044. 044. 0 1 MPa B 195 65030. 030. 0 1 脉动循环疲劳极限 MPa bb 486 2867 . 17 . 1 10 MPa312 1956 . 16 . 1 10 等效系数 18. 0 486 48628622 0 01 b bb 25. 0 312 31219522 0 01 截面I上的应力弯矩 1 1348.5 4256637( .)MN mm 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 弯曲应力幅 1 3 56637 0.1 28 25.8 a M W MPa 弯曲平均应力 0 m 扭转切应力 3 15386 3.5 0.2 28 T T MPa W 扭转应力幅和平均切应力 3.5 1.75 22 am MPa 如果一个截面上有多种产生应力集中的结构，则分别求出其有效应力集中系数， 从而取最大值。 3.5 二维夹具的设计 夹具是机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或 检测的装置。 机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施 工或检测的装置。又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方 便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、 机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。 在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与 其他表面的相互位置精度等技术要求 ， 加工前必须将工件装好 （定位） 、 夹牢 （夹紧） 。 夹具通常由定位元件 （确定工件在夹具中的正确位置） 、 夹紧装置 、 对刀引导元件(确 定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成 数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类） 、连接元件以及夹具体 （夹具底座）等组成。 本次设计的二维夹具体如图 8 所示： 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 图 8：二维夹具体 夹紧力按下式计算： )( 21 tgrtgr QL W z o 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 查手册，取 Q=125N L=100 r=6.22 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=30 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=5.513mm 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。=126 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 N tgrtgr QL W z o 6098 )( 21 =6098.9N 所以，算得的夹紧力为 6098N。 线锯切割时的切削力为： N KDSP px 3218 ) 190 150 (5 . 14 . 6419 419 6 . 08 . 0 8 . 0 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 在计算切削力时，必须考虑安全系数。 安全系数 6543210 KKKKKKKK 根据机械加工工艺手册查得： 式中： 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。基本安全系数；取 1.2 1 K 加工性质系数；取 1.1 2 K 刀具钝化系数；取 1.1 3 K 切削特点（连续切削） ；取 1.0 4 K 夹紧力稳定性；取 1.1 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。手动夹紧手柄位置；取 1.0 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。仅有力矩使工件与支承面接触情况；取 1.0 则 xx KPP =1.21.11.11.01.11.01.03218.6 =5140.7N 因为切割削力错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。小于夹紧力错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 ，所以该 夹紧装置安全可靠。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 结 论 通过这次金刚石线锯切割机设计，我认识到了单纯的理论知识学习和 实际设计 之间的差距。 通过这次毕业设计既锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决 实际应用问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计 规范以及电脑 制图等其他专业能力的水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的 斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且使我的毅力，意志力以 及耐力都得到了不同程度的提高。 这些都是我希望得到的 也是毕业设计的目的所在。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获也是非常的多。各种设计方案的适用 条件， 各种零部件的选用标准， 我都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。 从毕业设计中学来的这些宝贵的知识和经验， 必然会让我在未来的工作学习中表现出 更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。 本次设计参考了许多资料，吸取了其优点，并在考虑我国实际的基础上完成了自 走式割灌机的设计，表达了自己的设计思想，完成了设计任务。但是由于缺乏生产和 设计经验，问题一定很多，这些都需要老师改正，使之更合乎生产实际。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 参考文献 1 孙建章，吕玉山，刘兴文往复自旋式电镀金刚石丝锯数控切割机的设计研究J机械设计 与制造，2003（8） ：52-54 2 郑超硅片切割设备现状与发展综述J超硬材料论坛论文集，2011（1） ：191-196 3 肖天元，韩向利虚拟制造技术JCAD 工程设计及自动化 2007（4） ：49-54 4 Bhagirat M. Prasad V.Kao I.elasto-hydyodynamicInteraction in the free abrasive water slicing using a wire saw: modeling and finite element analysis，2000（1） ：122-124 5 Wei sHigh-Resolution Wafter Surface Topology Measurement and Vibration Analysis in Modern Wiresaw Manufacturing，2001（1） ：89-