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山东大学博十学位论文 微磨料气射流切割单晶硅冲蚀率及切割质量研究 摘要 本文通过微磨料气射流大角度冲蚀和切割单晶硅片实验，研究了 微磨料气射流切割加工单晶硅的微观冲蚀机理、切割加工参数对加工 能力和加工质量的影响，提出了“有效磨料通量效应”的概念，建立 了考虑有效磨料通量效应的冲蚀率模型，以及切割宽度、切割深度、 切割深宽比和切口横截面轮廓形状模型。本文的研究结果对于深入了 解各向异性硬脆单晶材料冲蚀机理，推广应用微磨料气射流切割技术， 解决单晶硅等硬脆薄板小热影响区和小加工力的切割及刻划加工问 题，具有十分重要的理论指导作用和实际应用价值。 通过微磨料气射流大角度冲蚀单晶硅片实验，研究了冲蚀凹坑特 征，分析了单颗磨粒冲击下硅片表面加工痕迹的种类和特征，计算了 各类冲蚀痕迹的数量在大尺度冲蚀痕迹总数量中所占比例，研究了径 向中位裂纹、侧向裂纹和赫兹裂纹产生的磨粒临界速度条件，以及裂 纹形核和扩展与应力场及工件材料晶向的关系。结果表明，加工痕迹 可以分为冲蚀凹痕、冲蚀划痕和冲蚀微点坑三种基本类型，冲蚀凹痕 可以分为c c 、c c r 、c c c 和c c c r 四种类型，冲蚀划痕可以分为s c 、 s c r 、s c c 和s c c r 四种类型；c c 、c c r 、s c 、和s c r 型冲蚀痕迹不 能导致明显的工件材料去除，而侧向裂纹扩展形成的c c c 、c c c r 、s c c 和s c c r 型冲蚀痕迹能够导致工件材料的大片剥落，但是没有见到赫 兹裂纹扩展形成的冲蚀痕迹；随着气压的增加，含有解理断裂面的冲 蚀痕迹数量在大尺度单颗磨粒冲蚀痕迹总数量中所占比例增大，随着 射流角度的增加，凹痕型冲蚀痕迹数量在整个大尺度单颗磨粒冲蚀痕 迹总数量中所占比例增大；多数磨粒冲击工件表面后弹离工件，含有 解理断裂面的冲蚀凹痕是硅片去除的主要形式；各向异性硅片的硬度、 弹性模量和断裂韧度，以及磨粒形状均影响裂纹形核位置和扩展方向， 应力场对裂纹形核和扩展影响较大，晶向对裂纹形核和扩展方向的影 本研究得到了国家杰出青年科学基金海外青年学者合作研究基金( 5 0 3 2 8 5 0 5 ) ， 澳大利亚研究基金委员会重点项目( a u s t r a l i ar e s e a r c hc o u n c i ld i s c o v e r y ) ( d p 0 3 4 2 6 4 1 ) ，教育部博士点基金新教师项目( 2 0 0 8 0 4 2 2 10 4 6 ) 资助。 v i i i 摘要 响较小。 研究了微磨料气射流切割单晶硅片时切割加工参数对硅片冲蚀率 的影响，提出了“有效磨料通量效应的概念，建立了有效磨料通量 效应模型和考虑有效磨料通量效应的硅片冲蚀率模型，并进行了实验 验证。结果表明，工件冲蚀率随着气压、射流角度和喷嘴横移速度的 增加而增大，随着磨料流量的增加而减小；反弹磨料与入射磨料碰撞 干涉引起的后续有效入射磨料数量减少是冲蚀率随磨料流量和喷嘴横 移速度变化而改变的主要原因；考虑了有效磨料通量效应的工件冲蚀 率模型可以较好地预测硅片冲蚀率。 研究了微磨料气射流切口边缘形貌和切口横截面轮廓形状特征， 分析了切割加工参数对切口上边缘平整度、切割宽度、切割深度、切 割深宽比和切口横截面轮廓形状的影响。结果表明，切口上缝基本平 直，切口边缘有损伤区，随着气压的增加和射流角度的减小，切口平 整度降低，而磨料流量和喷嘴横移速度对切口平整度的影响较小；切 割宽度随着气压和磨料流量的增加而增大，随着喷嘴横移速度的增加 而减小，当名义靶距相同，射流角度是6 0 。时切割宽度最小，射流角 度是3 0 。时切割宽度最大，要获得较小的切割宽度，可选择较小的气 压和磨料流量及较大的喷嘴横移速度；切割深度随着气压、磨料流量 和射流角度的增加而增大，随着喷嘴横移速度的增加而减小，要获得 较大的切割深度，可以选用较大的气压、磨料流量和射流角度及较小 的喷嘴横移速度；随着气压、磨料流量和喷嘴横移速度的增加，切口 横截面轮廓底部的平坦度减小，轮廓线曲率增加，随着射流角度的减 小，切口横截面轮廓底部的平坦度增加，轮廓线曲率减小：切割深宽 比随着气压、磨料流量和射流角度的增加而增大，随着喷嘴横移速度 的增加而减小。 建立了微磨料气射流切割宽度、切割深度、切割深宽比和切口横 截面轮廓形状模型。基于准静态压痕断裂力学中的侧向裂纹长度模型 和磨料流质量分布规律，建立了切割宽度模型；根据冲蚀率、切口纵 轴线位置的磨料质量和工件材料体积去除量三者之间的关系，建立了 切割深度模型；切割深宽比与气压、磨料流量、射流角度、喷嘴横移 速度和工件材料力学性能等因素有关，用量纲分析法建立了深宽比模 i x 山东大学博十掌何论文 型；构造了切口横截面轮廓线形状函数，用量纲分析法，建立了轮廓 线形状模型。实验验证表明，切割宽度、切割深度、切割深宽比和切 口横截面轮廓形状模型均可以有效地预测相应的切割加工质量指标。 关键词：微磨料气射流；单晶硅；冲蚀率；有效磨料通量效应；切割 质量 x a b s t r a c t s t u d yo ne r o s i o nr a t ea n dc u t t i n gq u a l i t yo f m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o nc u tb ym i c r oa b r a s i v ea i rj e t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，as e to fe r o s i o ne x p e r i m e n t sb ym i c r oa b r a s i v ea i rj e t ( m a a j ) u n d e rl a r g eje ti n c i d e n c ea n g l ea r ep e r f o r m e dt o r e s e a r c ht h e m i c r o s c o p i ce r o s i o n m e c h a n i s m so fm o n o c r y s a l l i n es i l i c o na s s o c i a t e d w i t hm i c r oa b r a s i v ea i rj e tc u t t i n g f u r t h e r m o r e ，ad e t a i l e de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so n t h ec u t t i n ga b i l i t ya n dc u t t i n g q u a l i t yi nm a a jc u t t i n go fm o n o c r y s t a l l i n e s i l i c o n an e wc o n c e p to f e f f e c t i v ea b r a s i v ep a r t i c l ef l u xe f f e c t i s p r o p o s e df i r s t l y ，a n d t h ee r o s i o nr a t em o d e lb a s e do nt h es o c a l l e d e f f e c t i v ea b r a s i v ep a r t i c l ef l u xe f f e c ti sd e v e l o p e d i na d d i t i o n ，p r e d i c t i v e m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rc u t t i n gw i d t h ，c u t t i n gd e p t h ，c u t t i n ga s p e c tr a t i o a n dt h ec u t t i n gp r o f i l eo ft h ek e r fa r ea l s od e v e l o p e d t h er e s e a r c hr e s u l t s c a np r o v i d es o m ef u r t h e ri n s i g h ti n t ot h ee r o s i o nm e c h a n i s m so fh a r da n d b r i t t l em o n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sa n di n c r e a s et h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o no f m a a jc u t t i n g e s p e c i a l l y ，t h er e s e a r c hr e s u l t sc a no f f e rs o m eu s e f u l g u i d e sf o rt h ee f f e c t i v eu s eo ft h i st e c h n o l o g yi nc u t t i n ga n ds l i c i n gt h e t h i n s h e e to fh a r da n db r i t t l em a t e r i a l sw i t hn e g l i g i b l eh e a ta f f e c t e dz o n e a n ds m a l lc u t t i n gf o r c e t h ee r o s i o ne x p e r i m e n to fm a a ju n d e rl a r g eje ti n c id e n c ea n g l ei s c a r r i e do u ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e r o d e dd i m p l e sa r ei n v e s t i g a t e d t h e i m p r e s s i o n sp r o d u c e d o n m o n o c r y s a l l i n e s i l i c o na r ec l a s s i f i e di n t o d i f f e r e n te r o s i o nt y p e sd e p e n d i n go nt h e i rs c a l ea n ds h a p e m o r e o v e r ，t h e r e s p e c t i v ep e r c e n t a g e so ft h en u m b e ro ft h ei m p r e s s i o n su n d e rd i f f e r e n t e r o s i o nt y p e sw i t hr e s p e c tt ot h et o t a ln u m b e ro fl a r g e s c a l ei m p r e s s i o n s s u p p o r t e db yo u t s t a n d i n gy o u n gs c h o l a rs c i e n c ef o u n d a t i o no f n s f c - i n t e r n a t i o n a lc o l l a b o r a t i v er e s e a r c hf o u n d a t i o n ( n o 5 0 3 2 8 5 0 5 ) ，a u s t r a l i a r e s e a r c hc o u n c i ld i s c o v e r yf o u n d a t i o n ( d p 0 3 4 2 6 41 ) a n dp h d p r o g r a m s f o u n d a t i o no fm i n i s t r yo fe d u c a t i o no fc h i n a ( n o 2 0 0 8 0 4 2 210 4 6 ) 山东大学博十学位论文 i ne a c hd i m p l eh a v eb e e nc a l c u l a t e d t h ec r i t i c a lp a r t i c l ev e l o c i t i e sf o r t h en u c l e a t i o no fr a d i a l m e d i a n ，l a t e r a la n dh e r t z i a nc r a c k sa r ec o m p a r e d a n dt h ee f f e c to fs t r e s sf i e l da n dw o r k p i e c ec r y s t a l l o g r a p h i co r i e n t a t i o n o nt h en u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h ec r a c ka r ea n a l y z e d i ti sf o u n d t h a tt h e i m p r e s s i o n s c a nb ec l a s s i f i e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ，n a m e l y c r a t e r s ，s c r a t c h e sa n dm i c r o - d e n t s t h el a r g ec r a t e r sh a v eb e e nf u r t h e r c l a s s i f i e di n t ot h ec c ，c c r ，c c ca n dc c c rt y p e s l i k e w i s e ，f o u rt y p e s o fs c r a t c h e sh a v eb e e ni d e n t i f i e d ，i e ，s c ，s c r ，s c ca n ds c c r f u r t h e r m o r e ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ec c ，c c r ，s ca n ds c rt y p e so f i m p r e s s i o n sd o n o tp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nm a t e r i a lr e m o v a l b y c o n t r a s t ，t h ec c c ，c c c r ，s c ca n ds c c rt y p e so fi m p r e s s i o n sc a nl e a d t ol a r g e s c a l ef r a c t u r eo nt h et a r g e ts u r f a c e i ti si n t e r e s t i n gt on o t et h a t n od i s c e r n i b l ee v i d e n c eo fr i n gc r a c k si so b s e r v e do na l le r o s i o nd i m p l e s i ti sp r o v e nt h a tt h ep e r c e n t a g eo ft h ei m p r e s s i o n si n v o l v i n gc l e a v a g e f r a c t u r ei n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ea i rp r e s s u r ea n dt h ep e r c e n t a g e o ft h ec r e a t e dc r a t e r si n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ej e ti n c i d e n c ea n g l e a sm o s tp a r t i c l e sb o u n c ea w a yf r o mt h et a r g e ts u r f a c ew i t h o u ts l i d i n go r r o l l i n gd u r i n g a ni m p a c t ，m o s ti m p r e s s i o n sa r ef o r m e di nc r a t e r - t y p e e r o s i o n s c r a t e r sw i t hc l e a v a g ef r a c t u r es u r f a c eh a v eb e e nf o u n dt o d o m i n a t et h em a t e r i a lr e m o v a lp r o c e s s i ti sf o u n dt h a tt h en u c l e a t i o na n d p r o p o g a t i o n o fc r a c ka r ea f f e c t e db yt h ea n i s o t r o p i c m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns u c ha sh a r d n e s s ，e l a s t i cm o d u l u s a n df r a c t u r et o u g h n e s s ，a sw e l la st h ea b r a s i v ep a r t i c l es h a p e ，t h es t r e s s f i e l d p l a y s am o r ei m p o r t a n tr o l et h a nw o r k p i e c ec r y s t a l l o g r a p h i c o r i e n t a t i o ni ng o v e r n i n gt h en u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o no ft h ec r a c k t h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ee r o s i o nr a t ei nm a a jc u t t i n g o fm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ni si n v e s t i g a t e d an e wc o n c e p to f e f f e c t i v e a b r a s i v ep a r t i c l ef l u xe f f e c t i sp r o p o s e df i r s t l ya n dt h ee f f e c t i v ea b r a s i v e p a r t i c l ef l u xe f f e c tm o d e li sd e v e l o p e d ，a n dt h e ne r o s i o nr a t em o d e la sa f u n c t i o no ft h ee f f e c t i v ea b r a s i v ep a r t i c l ef l u xe f f e c ti sd e v e l o p e da n d v e r i f i e dw i t hr e s p e c tt oc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n td a t a i ti ss h o w nt h a t a b s t r a c t t h ee r o s i o nr a t ei n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ea i rp r e s s u r e ，je t i n c i d e n c e a n g l ea n dn o z z l e t r a v e r s e s p e e d ，w h i l ed e c r e a s e sw i t h a n i n c r e a s ei nt h ea b r a s i v ef l o wr a t e m o r e o v e r i ti sf o u n dt h a tt h ec o l l i s i o n p r o b a b i l i t yb e t w e e nt h ep a r t i c l e sr e b o u n d i n gf r o mt h et a r g e ts u r f a c ea n d t h ei n c i d e n tp a r t i c l e si n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nt h ea b r a s i v ef l o wr a t e a n dad e c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d ，w h i c ha c c o u n t sf o rt h er e d u c t i o n i ne r o s i o nr a t e t h ep r e d i c t i o no ft h ee r o s i o nr a t em o d e li si n g o o d a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et o pk e r fe d g ea n dt h ec r o s ss e c t i o no ft h e k e r fi si n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to fp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h em a j o rc u t t i n g p e r f o r m a n c e ，s u c ha st h es m o o t h n e s so ft h et o pk e r fe d g e ，c u t t i n gw i d t h ， c u t t i n gd e p t h ，a s p e c tr a t i oa n dt h e c r o s ss e c t i o no ft h ek e r fh a v eb e e n d i s c u s s e d g e n e r a l l y ，t h ek e r fe d g e i sf l a ta n dt h e r ei ss o m es u r f a c e d a m g en e a r b yt h ek e r f i t i sf o u n dt h a tt h et o pk e r fe d g eb e c o m e s s m o o t h e rw i t had e c r e a s ei na i rp r e s s u r ea n dt h eje ti n c i d e n c ea n g l e w h i l et h ee f f e c t so ft h en o z z l et r a v e r s es p e e da n da b r a s i v ef l o wr a t eo n t h es m o o t h n e s so ft h et o pk e r fe d g ea r en e g l i g i b l e t h ec u t t i n gw i d t h i n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei na i rp r e s s u r e ，a b r a s i v ef l o wr a t e ，w h i l e d e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d w i t ha l lo t h e rf a c t o r s h e l dc o n s t a n t ，t h ec u t t i n gw i d t hi st h es m a l l e s tw h e nt h ej e ti n c i d e n c e a n g l ei s6 0 。，w h i l et h el a r g e s tc u t t i n gw i d t hc a nb eo b t a i n e dw h e nt h ej e t i n c i d e n c e a n g l ei s 30 。c o n s e q u e n t l y ，t h el o w e ra i rp r e s s u r ea n d a b r a s i v ef l o wr a t e ，a sw e l la st h el a r g e rn o z z l et r a v e r s es p e e ds h o u l db e u s e dt o g a i nt h es m a l l e rc u t t i n gw i d t h t h ec u t t i n gd e p t hi n c r e a s e sw i t h a ni n c r e a s ei na i rp r e s s u r e ，a b r a s i v ef l o wr a t ea n dje ti n c i d e n c ea n g l e ， w h i l ed e c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d t h e r e f o r e ，t h e l a r g e ra i rp r e s s u r e ，a b r a s i v ef l o wr a t ea n dje ti n c i d e n c ea n g l e ，a sw e l la s t h el o w e rn o z z l et r a v e r s es p e e ds h o u l db eu s e dt og a i nt h el a r g e rc u t t i n g d e p t h t h eb o t t o mo ft h ek e r fb e c o m e sm o r ef l a ta n dt h es l o p eo ft h ek e r f w a l lb e c o m e ss t e e p e rw i t had e c r e a s ei na i rp r e s s u r e ，a b r a s i v ef l o wr a t e a n dn o z z l et r a v e r s es p e e d ，w h i l et h eb o t t o mo ft h ek e r fb e c o m e sl e s sf l a t 山东大学博十学位论文 a n dt h es l o p eo ft h ek e r fw a l lb e c o m e ss m a l l e rw i t had e c r e a s ei nj e t i n c i d e n c ea n g l e t h ec u t t i n ga p s e c tr a t i oi n c r e a s e sw i t ha ni n c r e a s ei na i r p r e s s u r e ，a b r a s i v ef l o wr a t ea n dje ti n c i d e n c ea n g l e ，w h i l ed e c r e a s e sw i t h a ni n c r e a s ei nn o z z l et r a v e r s es p e e d m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rc u t t i n gw i d t h ，c u t t i n gd e p t h ，c u t t i n ga s p e c t r a t i oa n dt h ec u t t i n gp r o f i l eo ft h ek e r fa r ed e v e l o p e d b a s e do nt h e t h e o r yo fq u a s i s t a t i c i n d e n t a t i o nt h e o r ya n dt h em a s sd i s t r i b u t i o no f a b r a s i v ep a r t i c l e s ，t h ec u t t i n gw i d t hm o d e li sd e v e l o p e d b a s e do nt h e r e l a t i o n s h i pa m o n ge r o s i o nr a t e ，t h em a s so fe m p l o y e da b r a s i v ep a r t i c l e s a n dt h ew e i g h to fm a t e r i a lr e m o v e d ，t h ec u t t i n gd e p t hm o d e li sd e v e l o p e d ad i m e n s i o n a la n a l y s i st e c h n i q u eh a sb e e nu s e dt od e v e l o pt h ec u t t i n g a s p e c t r a t i om o d e lc o n s i d e r i n gt h em a jo rp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d w o r k p i e c em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b a s e do nt h ec r o s ss e c t i o np r o f i l eo f t h ek e r f , an e wf u n c t i o no fp r o f i l ei sc o n s t r u c t e d ，a n dt h e nt h ed e p e n d e n c e o f p r o f i l e o np r o c e s sp a r a m e t e r si sd e t e r m i n e db yt h ed i m e n s i o n a l a n a l y s i st e c h n i q u e s o m ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sv e r i f yt h e s em o d e l s w h i c hc a ne f f e c t i v e l yp r e d i c tt h ec u t t i n gq u a l i t yi nm a a jc u t t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：m i c r oa b r a s i v ea i rj e t ，m o n o c r y s a l l i n es i l i c o n ，e r o s i o n l v r a t e ，e f f e c t i v ea b r a s i v e p a r t i c l ef l u x e f f e c t ，c u t t i n g q u a l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作：数翩签越胁珥蟑 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 微磨料气射流加工技术概述 近年来，微机械制造、太阳能电池制造和生物工程等领域需要越 来越多的微小元器件。这些元器件的材料多为硬脆材料，如硅片、玻 璃和陶瓷等，这些材料具有硬度高、脆性大、耐腐蚀和熔点高等特点。 特种加工技术，如激光束、电子束、电火花和离子束等加工技术导致 热影响区大，而传统加工技术，如超声加工、磨削和抛光等加工技术 生产率低。因此，迫切需要研究热影响区小和生产率高的硬脆材料微 小元器件新加工技术。 磨料喷射技术是一项古老的技术，早在十九世纪就在建筑行业中 用来加工花纹玻璃。从1 9 91 年开始，荷兰的飞利浦研究实验室花了五 年时间将其改进为微磨料气射流加工技术，并用于纯平超薄阴极射线 管显示器玻璃面板的钻孔工艺。从此，微磨料气射流加工技术开始活 跃于硬脆材料的微细精密制造领域【l 击j 。经过近十几年发展，这项技术 可以用于金属、非金属和陶瓷材料的切割、钻孔和去毛刺等加工工艺。 特别是在硬脆材料加工方面，该技术以其热影响区小、可加工材料的 范围广和一台机床可以实现多种加工工艺的优势显示出了巨大的潜 力。 微磨料气射流硬脆材料加工原理是：空气经过空气压缩机增压， 并干燥过滤后，产生纯净干燥的压缩空气。通过进气管，将压缩空气 输送到磨料空气混合腔。低速的带压气流与从储料罐流出的微细磨料 混合，形成磨料气流混合体。该气固两相流经过喷射管路进入微细喷 嘴。在微细的喷嘴管内，带压气流的压力能转化为动能，形成高速气 流，带动磨粒加速，形成高速微磨料气射流，并喷射到工件表面。工 件在微磨料气射流的冲蚀作用下去除。 根据磨料气射流加工过程中，工件表面的掩膜保护状况，可以分 为掩膜加工法和无掩膜加工法两类。微磨料气射流掩膜加工工艺主要 包括四部分【7 】：掩膜涂敷工艺、微磨料气射流加工工艺、掩膜的去除 山东大学博十学位论文 和工件清洗工艺。掩膜涂敷工艺通常包括涂胶、曝光和显影三个步骤【7 ， 引。微磨料气射流掩膜法加工过程中用的喷嘴直径较大，靶距较大，喷 射加工次数较多。通常用超声振动清洗设备去除掩膜，并清洗工件。 在加工工艺上，无掩膜加工法与掩膜加工法的不同之处在于工件表面 不涂敷掩膜，加工工艺主要是微磨料气射流喷射工艺。无掩膜法加工 过程中用的喷嘴直径较小，靶距较小，喷射加工次数较少。掩膜和无 掩膜加工法有各自的适用场合。掩膜加工法主要适合于形状复杂零件 的微细加工，其特征线宽较小，可以加工出精细平面图案，以及三维 微机械结构【9 】，但是加工工艺比无掩膜法复杂。无掩膜加工法的加工 工艺简单，成本低，加工效率高，而且可加工的高深宽比工件，但是 特征线宽比掩膜法的大，不易加工出精细图案。因此无掩膜加工法主 要适合于硬脆材料的切割和划片。 典型的微磨料气射流加工系统主要包括增压系统、磨料喷射机、 工作站和吸尘器四部分，其核心部件是磨料喷射机。通常微磨料气射 流加工中的工作气压是0 2 0 9 m p a l l o ，1 1 】。磨料喷射机的作用是在加工 过程中，按照规定的气压和供料量，提供稳定连续的微磨料气射流， 它主要包括调压阀、储料罐、磨料空气混合室和喷嘴四部分。调压阀 主要用来控制加工过程中的空气压力。磨料供料量对加工质量的影响 较大，实现连续均匀的微量供料是微磨料气射流的关键技术之一。喷 射机工作过程中，储料罐是密封的，并通入压缩空气，微磨料气射流 加工中用的磨料较小，平均粒径是10 10 0 p m f 】，易于团聚和起拱【12 1 。 此外，磨料干燥程度和粒径分布范围对磨料的团聚和起拱也有较大影 响【”h 】。因此在标准大气压下微磨料气射流供料量的均匀性和可重复 性不易实现。将压缩空气通入喷射机的储料罐后，储料罐内的高压有 效地使磨粒团聚和起拱现象减少，提高了微供料的均匀性和可重复性 【1 2 】。微磨料气射流加工用的喷嘴具有较高的耐磨性，一般用硬质合金 和碳化钨陶瓷制成。喷嘴通常是圆形和矩形的5 1 6 1 。工作站可以提供 封闭的加工环境，定位夹紧工件和喷嘴，控制工件和喷嘴的相对运动， 以及照明加工工件i l5 】等。吸尘器主要用于收集加工过程中喷出的磨料 和工件碎屑，为降低实验操作人员吸入粉尘的风险，并减少的环境污 染，在封闭的实验箱内，安装吸尘器。 2 第1 章绪论 微磨料气射流加工技术的优点是：( 1 ) 可加工材料的范围广泛，可 加工各种金属材料，尤其适合加工硬脆材料，如玻璃、陶瓷、聚合物 和石材等；( 2 ) 冷态切割，热影响区较小，尤其适合于需要控制热影响 区工件的切割和划片工艺；( 3 ) 多功能，一台机床可以进行多种工艺的 加工，比如切割、钻孔、去毛刺和光整加工等。 1 2 微磨料气射流加工技术的国内外研究现状 1 2 1 冲蚀机理分析和模型的研究现状 微磨料气射流( m i c r oa b r a s i v ea i r j e t ，m a a j ) 切割过程是磨料流 对工件材料的冲蚀过程，其实质是磨粒以一定速度冲击工件表面。通 常通过探讨单颗磨粒冲蚀机理来研究微磨料气射切割机理。冲蚀机理 的研究可以分为硬脆材料冲蚀机理和塑性材料冲蚀机理两个方面。 m a a j 主要加工对象是硬脆材料，因此本文主要综述近年来硬脆材料 冲蚀机理的研究现状。为了获得较高的加工效率，m a a j 加工过程中 所用的磨料多有尖角。磨粒形状对工件材料应力场影响较大【l ”，钝磨 粒和尖角磨粒作用下的硬脆材料冲蚀机理有较大差别。因此本文重点 综述尖角磨粒作用下的硬脆材料冲蚀机理。 在尖角磨粒的冲蚀作用下，冲击点下方的工件材料基体裂纹扩展 导致的断裂是硬脆材料的主要冲蚀机理【1 8 】。 e v a n s t l 9 1 和w e n s i n k t 2 0 1 研究发现，在磨粒冲蚀作用下工件材料会出 现许多中位径向裂纹和侧向裂纹，但是在建立工件冲蚀率和冲蚀去除 量模型时，通常简化为单颗磨粒作用下的一条侧向裂纹。尽管有些学 者从动力学角度分析磨粒冲击下工件基体内的应力场【19 1 ，但是多数学 者是将磨粒冲击导致的应力场简化为准静态压痕作用下的应力场。 s l i k k e r v e e r l 2 1j 用9 2 0 0 p m 的氧化铝磨料，以不同的速度冲蚀硼硅 酸盐玻璃，用扫描电子显微镜观察冲蚀表面。结果表明，冲蚀表面出 现了类似维氏压痕实验中观察到的中位径向裂纹和侧向裂纹，建立了 工件冲蚀率和磨粒动能的关系。b u i j s i 2 2 ，2 3 1 对玻璃的研磨实验研究表 明，准静态的压痕断裂力学可以用来分析玻璃在研磨过程中的冲蚀去 除机理。在此基础上，b u i j s 2 4 1 用m a r s h a l l t 2 5j 的侧向裂纹长度模型，以 山东大学博十学何论文 i 及磨粒动能和磨粒压入深度的关系，建立了玻璃冲蚀率与其弹性模量、 硬度和断裂韧度的关系。结果表明该模型能较好的预测冲蚀率，因此 b u i js 认为用准静态的压痕断裂力学理论可以较好地解释冲蚀过程中玻 璃的去除机理。 r o u l b o r t 2 6 】用尖角的氧化铝磨料冲蚀单晶硅并进行扫描电子显微 镜观察。结果表明，单晶硅在单颗磨粒的冲击作用下出现了侧向裂纹， 侧向裂纹向工件表面扩展，最终导致硅材料的去除。侧向裂纹扩展向 工件表面的原因尚不清楚，但可能和磨粒冲击作用下产生的弹性应力 波扩展有关。在e v a n s 1 9 】和w i e d e r h o r n l 2 7 1 的工件冲蚀率模型的基础上， 主要考虑磨粒速度、磨料平均粒径和射流角度对冲蚀率的影响，提出 了工件冲蚀率模型的经验公式。 e v a n s t ”】研究了在尖角硬质磨粒冲蚀作用下，多种陶瓷材料的冲蚀 机理。结果表明，硬脆陶瓷材料在磨粒冲击作用下，其裂纹形式和准 静态压痕实验时的不完全相同。磨粒冲击工件时产生的裂纹密度比准 静态压痕实验时的多。磨粒硬度越高，产生的破坏越大，侧向裂纹越 易向工件内部扩展；反之，产生的破坏越小，侧向裂纹越易沿平行于 工件表面的方向扩展。侧向裂纹从径向裂纹上形核并扩展，而不同于 准静态压痕实验时从弹塑性变形区底部形核并扩展。侧向裂纹的