硅晶柱的磨削研究

黃蓉

（安徽省馬鞍山工業學校，安徽 馬鞍山 243031）

硅晶柱的磨削研究

黃蓉

（安徽省馬鞍山工業學校，安徽 馬鞍山 243031）

硅片是現代電子工業的主要原材料，對于直徑小于200mm的硅片，傳統的加工工藝流程為：單晶生產→切斷→外徑滾磨→平邊或V型槽處理→切片→倒角→研磨→腐蝕→拋光→清洗→包裝。而因為硅這類脆硬材料的物理性能，使其在磨削時由于它的磨削阻抗力大很難磨削，文章對硅晶柱的磨削方法加以研究。

加工工藝；硅晶柱磨削；磨削理論；研究方法

1 脆硬材料的加工方法

脆性材料所具有的硬脆特性使用傳統的加工方法很難加工出形狀復雜的工件，而且其加工成本高、效率低、工件表面加工質量并不理想。由于脆性材料與金屬材料有著極其不同的性質，很多傳統的加工方法已經無法使用。隨著脆硬材料的廣泛應用，加工脆硬材料的新方法也不斷增多。

脆硬材料的磨削加工是目前最常用的一種加工方法，磨削過程就是通過磨料對工件有限切除的過程。根據磨削的加工效率可將磨削分為普通磨削和高效磨削。一般來講，將砂輪線速度低于45m/s的磨削來定義普通磨削，其加工脆硬材料的效率很低，而且加工質量難以滿足要求。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、緩進給磨削、高效深切磨削、砂帶磨削、快速短行程磨削和高速重負荷磨削。隨著材料科學的發展、新型工程材料的大量出現與工程上的應用，對材料的磨削加工提出了更高的要求。為了滿足對材料的加工要求，國內外很多研究者對脆硬材料的磨削機理進行了深入研究，尤其是對工程陶瓷、晶硅、光學玻璃和金屬陶瓷等的磨削力、磨削熱、表面質量進行了系統的研究，并獲得了具有影響力的眾多成果。

對硅晶硅的磨削較新的技術包括：①單晶硅的ELID磨削原理與技術研究；②硅片的塑性磨削，即延性域磨削。硅片的塑性磨削是根據材料本身的特殊屬性來進行磨削加工的。脆性材料在普通磨削加工中，材料以脆性斷裂方式去除為主，且工件表面加工質量極低，有微裂紋產生。為了防止這些現象的出現，使脆硬材料處于塑性去除方式，通過研究發現，溫度對脆硬材料的塑性影響很大，當對硅晶施加一定的輔助加熱后，硅原子的活動能力增加，容易產生滑移，塑性大大提高，在這種塑性狀態下對工件進行磨削，加工效率和加工質量都會明顯提高。還有一種方法是在一定的加工條件下，材料能以塑性流動的方式被去除，根據壓痕斷裂力學模型預測產生的橫向裂紋臨界載荷，當在低于這一載荷時，材料去除就以塑性變形去除為主。而由于科學技術的飛速發展，高速磨床陸續進入國際市場，并在制造業中迅速擴大應用范圍。超高速磨床的出現，使脆硬材料的磨削加工真正成為主流加工方法，能夠極大提高脆硬材料的應用范圍，而且能大大降低脆硬材料的加工成本。

2 磨削理論研究方法

磨削加工過程異常復雜，首先，磨削加工過程中參與切削工件的磨粒數量眾多，其幾何形狀極不規則，并且在砂輪上呈隨機分布狀態。其次，磨削加工中的磨削速度及磨削區的溫度極高，工件材料在這種高應變、高應變率、高溫下呈現出的材料性能非常復雜，而砂輪上磨粒的磨損、磨粒的切削性能也受到很大的影響，并且這些因素之間相互耦合。使得到目前為止真正應用于工業中的各種計算公式大都屬于經驗公式，應用范圍非常有限。隨著高速和超高速磨削技術的發展，磨削加工技術的應用將更加廣發。因此，對磨削加工過程進行建模，掌握磨削機理就變得異常重要。

2.1 磨削加工過程的幾何建模

磨削加工過程的幾何建模一般是用來預測磨削加工后工件的表面形貌。它首先建立砂輪的幾何模型，然后再假定當砂輪上的磨粒與工件材料發生干涉時，相應的工件材料即被切除，這樣就可以計算出磨削加工后工件的表面形貌特征。

磨削加工過程幾何建模的第一步是建立砂輪的幾何模型。目前，主要有兩種方法：一種是對砂輪上磨粒的形狀及分布做出假設，然后生產砂輪的幾何模型。在確定砂輪上磨粒的幾何形狀之后，大部分研究者都是假定磨粒在砂輪上呈隨機分布狀態并據此建立砂輪的幾何模型。另一種是先使用儀器測出實際砂輪的表面形貌，然后對測得的數據進行分析，得出數據的一些基本特征，然后根據這些基本特征再構造砂輪的幾何模型。

磨削加工過程幾何建模的第二步是建立磨粒去除工件材料的機制。工件表面任意位置上的形貌特征是多個磨粒多次切削的結果。在磨削加工過程中，砂輪不斷發生磨損，故需要定期對砂輪進行修整。由于幾何建模仿真沒有考慮到由于磨削加工過程中砂輪的振動和不平衡、工藝系統的彈性變形、磨粒的磨損及自銳作用等對工件表面形貌造成的影響，故其得出加工后工件表面形貌特征與實際形貌特征存在一定誤差。

2.2 磨削力的建模

（1）解析法。模型力起源于工件與砂輪接觸后引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結合劑與工件表面之間的摩擦作用。李力鈞等人在Werner和Malkin等人研究成果的基礎上，把磨削力分為切削變形力和摩擦力，建立了磨削力模型。Hecker等人也建立了磨削力模型，他們假定切屑厚度成瑞利概率密度分布，而該概率密度函數的唯一參數考慮了磨削動力學條件、工件材料特性、砂輪微觀結構及磨削加工過程中的一些動態效應的影響。

（2）實驗法。由于磨削加工過程中影響磨削力大小的各個因素錯綜復雜，而現有的磨削理論建立在許多假設條件之上，由這些磨削理論推導出來的磨削力計算公式，還不足以應用到實際生產過程中。所以在工業現場中應用得磨削力計算公式大多為經驗公式，其中絕大部分都是以磨削條件的冪指數函數形式表示的，這些經驗公式的獲取方法分為兩類。一類方法是：通過做實驗得到大量實驗數據，然后利用回歸分析法建立經驗公式，然后根據經驗公式進行趨勢外推。除了回歸分析法外，人工神經網絡也被應用到實驗數據的處理中。另一類方法是利用各種數學方法對少量的試驗數據進行分析并推出經驗公式。灰色預測法是利用“灰色系統理論”，對原始的試驗數據序列進行處理，并按微分方程擬合法建立灰色模型，然后用微分方程的解實現系統的預測。仇君等人將灰色系統理論應用于磨削加工工程中磨削力的預測。

3 硅晶柱磨床簡介

硅晶柱磨床是在傳統臥式外圓磨床的基礎上，針對硅晶這類脆硬材料，根據其加工要求，為實現高效、高精度的加工質量，所使用的一種專用磨銑復合機床。

它是將硅片加工過程中的外徑磨削和平邊工藝在同一個機床上實現。在已有磨床的基礎上，通過加裝晶向測量系統用以確定加工基準平面，采用砂輪端面磨削方式來滿足磨外圓和銑平面的加工要求。復合機床不僅可以減少同一工件的重新定位裝夾，縮短工件的加工周期，降低成本，提高經濟效益，還可以提高零件加工精度。

4 結語

由于脆硬材料的特殊屬性，在磨削過程中，它的去除方式主要有脆性斷裂、破碎去除、晶界微破碎等脆性去除方式，這嚴重影響了零件的加工質量。所以分析研究其磨削過程與磨削現象，對提高機床主要結構部件的動靜態性能，以及對于改進磨削工藝、提高磨削生產能力及改善表面完整性有著重要意義。

［1］馬明明.單晶硅的ELID磨削原理與技術研究［D］.杭州：浙江工業大學，2012.

［2］稱勇平，唐進元.磨削加工過程建模的研究進展［J］.切削機理，2007，（1）：44-48.

［3］李力鈞，付杰才.磨削力的數學模型的研究［J］.機械工程學報，1981，17（4）：31-41.

Research on Grinding of Silicon Crystal Column

HUANG Rong

（Anhui Maanshan Industry School，Maanshan，Anhui 243031，China）

Silicon is the main raw materials of modern electronic industry，and the wafer diameter is less than 200mm.The traditional machining process is：the production of crystal，cutting，grinding，rolling diameter flat or V groove processing，cutting，chamfering，grinding，polishing，etching，cleaning，packaging and physical properties.However，because of the physical properties of the brittle hard materials such as silicon，it is difficult to grind because of its large grinding resistance.This paper researches on the grinding method of silicon crystal column.

Machining technology；silicon cylindrical grinding；grinding theory；research method

TG743

A

2095-980X（2017）01-0087-02

2016-12-29

黃蓉（1983-），女，安徽宣城人，大學本科，講師，主要研究方向：機械加工工藝及精度。