单晶硅微尺度磨削材料研究范文

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《机械工程学报》2014年第十二期

1临界磨削深度建模

1.1硬脆材料微磨削表面形成机理图1所示为平面磨削时的磨削区几何模型，砂轮当量直径为ds，ap为磨削深度，vs为砂轮线速度，工件进给速度为υw，s为转过相邻切刃间隔时间内的工件平移量。单个磨粒的切削过程轨迹可视为摆线F’B’CA’，h为未变形切屑厚度。角θ与θ’分别为两个坐标系OBA与O’B’A’下的摆角，角ζ为角θ的余角，此时未变形切屑厚度h可由式(1)得出[1]。在微尺度下，磨削过程中的材料去除模型势必要考虑大磨具切深比、微尺度的尺寸效应的影响。综合以上因素后，本文作者在之前文章中提出了微磨削平面磨削的未变形切屑厚度hm理论模型如式。本文所讨论的加工方法为图2所示的单晶硅微磨削槽磨加工。直径小于1mm的微磨棒在单晶硅片表面进行微尺度名义尺寸的加工，通过控制加工参数，达到获得高精度高表面质量的微尺度特征的目的。其中，当微磨棒表面磨粒进行槽磨加工时，不同于式(2)所示的平面微磨削的圆弧接触区，槽磨时的接触区为半圆周。其中未变形切屑厚度模型如图3所示。其中AB’为单个磨粒在微磨棒完成单位进给量磨削时的实际轨迹，λ为圆周方向的有效磨粒数。此时，槽磨未变形切屑厚度hm应为式其中，本文所采用的微磨具为电镀金刚石微磨棒，其磨粒间距L经标定后约为15μm。

1.2微尺度单晶硅材料特性分析图4为单晶硅的立方晶格结构，其中圆圈代表硅原子，实线代表每个原子间的结合，其中每个原子间距相等即晶格常数a为0.543nm。本文认为，由图可知当磨削进入微尺度时势必出现单个磨粒的切刃在晶格间切削或进入晶格内部切削两种情况。其中，当未变形切屑厚度hm大于a，切削发生在晶格之间时，晶格破坏应多为晶间断裂，破坏力如式(4)所示，即通用的塑性材料剪切断裂准则Johnson-Cook模型，其中表1为单晶硅的Johnson-Cook模型参数。本文认为此时晶格破坏应多为晶内破坏，破坏力如式(5)所示，即同时考虑晶间断裂破坏力σc与晶内断裂破坏力σg。综上所述，当单晶硅精密磨削进入微细尺度时，微尺度造成的材料去除模式的变化以及单晶硅材料本身的晶格破坏模型的变化，都会对加工结果造成影响，因此有必要对单晶硅微尺度磨削材料去除机理进行深入研究。

2试验设计

当单晶硅超精密磨削进入微细尺度时，考虑到材料本构模型及力学特性的变化，本文推论或许会出现不同于宏观尺度磨削加工的过程现象。因此，为进一步通过实际加工检测数据来进行分析，本文设计并进行了单晶硅普通微磨削与超精密微磨削两组试验来分析与验证此推论。

2.1试验加工设备与材料本文所进行的微磨削试验基于图6a所示的，由东北大学先进制造技术及自动化研究所开发的微加工机床上。该机床采用高速气动主轴驱动，最高转速可达到160000r/min；试验用微磨棒如图6b所示，直径为0.6mm，磨粒直径为15μm。磨削力测量设备为购自北航的SDC-C4M型超精密车铣磨通用测力仪，测量精度为1mN。图6c为本文试验用的单晶硅抛光圆片，具体参数如表2所示。

2.2试验设计为考察上述微尺度下单晶硅材料的磨削材料去除机理变化情况，本文设计了如表3所示普通微磨削与精密微磨削两组试验。其中普通微磨削试验进给率为200μm/s到5000μm/s，磨削深度ap为50μm。精密微磨削进给率变化为1μm/s到100μm/s，磨削深度ap为20μm。主轴转速vg从12000r/min到60000r/min。

3结果分析

图7为单晶硅微尺度精密磨削试验加工过程，图7a为加工过程，图7b为加工过程的视觉监控系统画面。加工结果检测上，本文采用基恩士公司的VHX-1000E超景深三维立体显微系统进行单晶硅微磨削表面三维形貌的观测，采用STIL-MICROMEASURE三维表面轮廓仪进行加工后表面的精密测量。

3.1表面粗糙度变化规律图8为通过超景深显微系统观察获得的单晶硅微磨削槽磨加工试验后所获得的微尺度特征以及槽底表面情况，可知通过微磨削来获得单晶硅微细精密特征是完全可行的一种加工方法。图9为通过表面三维轮廓仪扫描获得的单晶硅微磨削槽底三维形貌。其中图9a为磨削深度ap=50μm,进给率fz=500μm/s,主轴转速vg=36000r/min时的表面形貌。图9(b)为当磨削深度ap=50μm,进给率fz=200μm/s,vg=60000r/min时的表面形貌。从图中测量结果可知这两种加工参数下微磨削都已进入延性域材料去除模式。图10为通过试验结果统计获得的单晶硅精密微磨削槽底表面粗糙度随加工参数变化规律，由图可知，当主轴转速vg由12000r/min增加到60000r/min时，随进给率fz的不同，表面粗糙度Ra分别从最高0.1μm、0.11μm、0.14μm，降低到了8nm、34nm、85nm。图11为通过微磨削试验结果表面粗糙度Ra数据与本文提出计算模型所获得的微磨削未变形切屑厚度hm对应的关系。粗糙度Ra呈现波动变化并整体有下降趋势。但当未变形切屑厚度hm低于单晶硅晶格常数即0.54nm时，单晶硅表面粗糙度Ra下降速度增大。此现象某种意义上可以为本文提出的当材料去除进入晶格内部时会造成单晶硅晶格破坏形式改变的依据。

3.2边缘崩裂效应分析单晶硅微细尺度磨削加工过程中，由于小尺寸加工所带来的边缘应力释放会对加工表面边缘造成如图12所示的严重崩裂效应，极大降低加工表面的质量。因此本文针对微磨削过程中的单晶硅表面边缘崩裂效应变化规律进行了分析。图13为本文完成的单晶硅精密微磨削试验中的边缘崩裂情况，从图中可观察边缘崩裂现象随着加工参数变化而明显变化。图13©与图13(d)即为图11中未变形切屑厚度hm降低至0.54nm以下的加工情况，从图中可看出，此时单晶硅微磨削槽边缘无明显崩裂现象。本文认为此现象非常值得国内从事微加工研究的学者们重点关注，亦从另一方面验证了本文提出的此时单晶硅材料去除机理以及晶格破坏方式改变的观点。图14为通过对试验结果测量后获得的单晶硅微磨削表面边缘崩裂宽度lc与主轴转速之间的关系，由图中可见随着转速增加，不同进给率下的崩裂宽度皆下降，但低进给率下的加工过程如200μm/s下降并不明显。

3.3单晶硅微磨削力变化分析为进一步探讨单晶硅微磨削过程中的材料去除模式变化规律，本文针对单晶硅微磨削力在不同方向的分量进行了测量，主要为x方向(进给方向)，y方向(垂直于进给方向)的切削力的测量。图15是hm分别为0.4nm与0.1nm时x方向的微磨削力变化情况。图16是hm分别为0.4nm与0.1nm时y方向的微磨削力变化情况。由图15、16中测量结果可以发现，hm=0.1nm时的微磨削力反而相对hm=0.4nm时要波动剧烈，这也说明此时的材料去除伴随着更大的能量释放。图17为通过本文试验数据统计后获得的单晶硅不同方向的微磨削力变化与未变形切屑厚度hm的相互关系。由图中可明显得出，当单晶硅微磨削加工的未变形切屑厚度hm从6nm向0.54nm变化时，微磨削力F随着hm的减小而减小；当未变形切屑厚度hm从0.54nm逐渐减小时，微磨削力F随着hm的减小反而突然增大。测量结果说明此时材料的去除模式发生了变化，即本文提出的晶格破坏形式发生改变，由晶间破坏为主转变为晶内破坏为主，带来了加工时微磨削力的突然升高。

4结论

(1)建立了单晶硅微磨削槽磨未变形切屑厚度hm计算模型。提出了当hm小于晶格常数时，单硅微磨削时的晶内破坏材料去除模式以及对应的破坏力计算方法，为单晶硅微磨削加工过程分析提供了理论基础。(2)设计并进行了单晶硅普通微磨削与精密微磨削两组试验。针对试验结果探讨了微磨削加工参数对加工表面粗糙度Ra以及单晶硅加工表面边缘裂纹宽度lc变化的影响规律。通过试验结果给出了hm与Ra对应关系的经验公式，给出微磨削hm低于单晶硅晶格常数即0.54nm时Ra变化情况。(3)分别针对未变形切屑厚度hm为0.1nm与0.4nm时的微磨削力进行考察，探讨当hm低于单晶硅晶格常数时的微磨削力变化情况。为单晶硅微磨削研究提供了理论参考与试验依据。

作者：程军王超温雪龙尹国强巩亚东宋华单位：东北大学机械工程与自动化学院辽宁科技大学机械学院