通過噪聲的分析評價實現(xiàn)劃片刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李東亞，馮志華，胡攀登

（1.蘇州大學應用技術(shù)學院，江蘇蘇州215000；2.庫力索法半導體（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215000）

通過噪聲的分析評價實現(xiàn)劃片刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李東亞1，馮志華1，胡攀登2

（1.蘇州大學應用技術(shù)學院，江蘇蘇州215000；2.庫力索法半導體（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215000）

針對超高速旋轉(zhuǎn)劃片刀實際工作時存在的切削噪聲問題，用INV 3018 G型振動與控制分析儀器對其切削晶圓的劃片刀結(jié)構(gòu)進行實驗分析，利用改變劃片刀工藝凹槽角度α的數(shù)值，得出不同角度對應轉(zhuǎn)速的頻譜圖，并應用統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖表的方法，整理分析得到角度和頻譜峰值的變化曲線圖，確定工藝凹槽角度α對其結(jié)構(gòu)的影響，得出對應的峰值最小即產(chǎn)生的噪聲較小。結(jié)果表明：不同工藝凹槽角度α對高速旋轉(zhuǎn)劃片刀結(jié)構(gòu)的設計有一定意義。

聲學；超高速切削；工藝凹槽角度α；頻譜峰值；噪聲

隨著超高速旋轉(zhuǎn)切削[1]技術(shù)的發(fā)展和工作環(huán)境要求不斷提高的今天，安靜的工作環(huán)境是現(xiàn)代企業(yè)所追求的人性化的一方面。在分離半導體材料中，一個重要的工藝過程，就是如何切削半導體材料，目前切削半導體材料的常用到的是劃片刀，在切削過程中劃片刀一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速在30 000～46 000 r/m in之間，在這樣高速環(huán)境下，有非常刺耳的噪聲。人長時間工作在這樣的環(huán)境下會對心里造成一定的危害。經(jīng)大量的觀察和分析，不同形狀的劃片刀能產(chǎn)生不同程度的刺耳噪聲，劃片刀側(cè)面的工藝凹槽α（見圖1所示）是產(chǎn)生刺耳噪聲的主要原因，該文以其中一款專為切割晶圓而設計的劃片刀作為實驗對象，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得出劃片刀工藝凹槽角度α的變化對頻譜峰值產(chǎn)生一定的變化趨勢，繪制出變化曲線圖找出峰值較小α角，對改變環(huán)境噪聲有一定的指導意義。

目前在超高速切削領域內(nèi)，刀具結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生的噪聲也隨之變化，劉戰(zhàn)強等[2]利用計算流體動力學的方法對高速面銑刀氣動噪聲及其頻譜進行了分析，為低噪聲高速面銑刀設計和合理應用提供理論依據(jù)。Mote等[3]利用Lighthill的氣動聲學理論對圓鋸片空氣動力學噪聲進行了研究，解釋了鋸切噪聲的方向性；但并未預測其聲壓值。李林凌等[4]通過建立噪聲模型，得出定量影響風機噪聲的葉片形狀、轉(zhuǎn)速和葉片半徑等因素。本文采用自譜分析方法對不同α角的劃片刀進行噪聲測試，并對其頻譜進行分析，得出產(chǎn)生噪聲峰值的頻率，以及產(chǎn)生峰值最小的α角對應的劃刀片。

圖1 劃片刀安裝和結(jié)構(gòu)示意圖

劃刀片采用鋁合金為主體材料，刀刃采用電鍍工藝將金剛石顆粒通過鎳電鍍到鋁合金的表層用于切削，而工藝凹槽α角為加工時的夾緊部位以及安裝刀具時用于手握的部位，工藝凹槽α在65°到85°之間變化，防止損壞刀刃部分；刀具空轉(zhuǎn)時的特征：當選一個α角作為實驗對象時，在低于30 000 r/m in的情況下，除了機床本省、身以及外界的氣流噪聲之外，就是刀具本身由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲。當轉(zhuǎn)速超過30 000 r/m in達到46 000 r/m in時，可以明顯感覺刀具高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，跟30 000 r/m in時的噪聲有明顯的區(qū)別；通過對不同α角的劃刀片進行在不同轉(zhuǎn)速下的實驗，采用INV 3018 G型振動與控制分析儀器找出隨著α角和轉(zhuǎn)速的增大其對應的變化趨勢，分析當α角固定和轉(zhuǎn)速有規(guī)律的變化，測出的噪聲值是否有趨勢的變化；找出產(chǎn)生噪聲值最小的那個α角。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗系統(tǒng)介紹

在超高速的旋轉(zhuǎn)劃片刀切削材料的過程中,噪聲可以分為空轉(zhuǎn)噪聲和切削噪聲。空轉(zhuǎn)噪聲由氣動噪聲和主軸噪聲組成；氣動噪聲[5]是由刀片周圍的空氣流動誘發(fā)的劃片刀振動產(chǎn)生的，劃片刀周期性打擊空氣質(zhì)點，引起的壓力脈動而激發(fā)的噪聲，這種周期性的壓力脈動是由一個穩(wěn)態(tài)的基頻和一系列諧波分量疊加而成的。劃片刀的基頻可通過公式：f0=n/60（Hz），得到相應轉(zhuǎn)速的基頻，切削加工采用的轉(zhuǎn)速為30 000～50 000 r/m in。由于聲壓法原理簡單、方法簡便，測量儀器已經(jīng)比較成熟，而且聲壓是標量，不需要考慮方向，可以采集劃片刀不同α角度對應的頻譜圖作為分析的依據(jù)。

實驗儀器采用INV 3018 G二十通道并行采集儀、INV信號調(diào)理器、聲級計和DASP平臺軟件組成的測試系統(tǒng)，其測試原理如圖2所示。此測試系統(tǒng)可以進行信號示波和數(shù)據(jù)采集、基本信號分析、虛擬信號發(fā)生器、INV高精度頻率計和幅值計；通過DASP軟件平臺采用自譜分析方法進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖2 測試系統(tǒng)原理圖

1.2 實驗樣機和測點布置

采用一臺高速旋轉(zhuǎn)晶元切削機床作為測試機床，根據(jù)聲級計的使用要求和采集信號的方便性將測點布置在距劃片刀300 mm的軸心正前方處，測點布置見圖3所示，整個測試車間的噪聲來源主要是機床本身運作的噪聲，無其他噪聲源。

圖3 測點布置圖

根據(jù)基頻的公式可以計算出劃片刀的旋轉(zhuǎn)頻率在500～833（Hz）之間，可以對DASP軟件進行參數(shù)設置，選擇寬頻300～1 200（Hz）通道進行測試，采樣頻率最高為2 560 Hz，每隔200 us采集一個數(shù)據(jù)，采樣時間設定為20 s。

1.3 實驗內(nèi)容

將按照劃片刀工藝凹槽角度α從79～115°進行分別測試，設置轉(zhuǎn)速為30 000 r/m in、36 000 r/min、40 000 r/m in、43 000 r/m in、46 000 r/m in五個轉(zhuǎn)速進行測試，每一個角度對應一個劃片刀，分別在以上的轉(zhuǎn)速內(nèi)進行空載測試，通過DASP平臺軟件進行結(jié)果保存。

1.4 實驗結(jié)果分析

信號的頻譜描述可以找出信號的幅值隨時間變化的特征，并可以直觀的了解信號的變化情況。但是信號的頻譜模型不能用解析函數(shù)來描述，只能通過統(tǒng)計特性和頻譜特性求得概率意義上的統(tǒng)計規(guī)律。根據(jù)劃片刀的基頻公式對應上面的5種轉(zhuǎn)速頻率分別為500 Hz、600 Hz、667 Hz、717 Hz、767 Hz，理論上在這幾個頻率下會產(chǎn)生幅值的峰值，通過對其19種劃片刀夾持角度α分別在以上5種轉(zhuǎn)速下進行噪聲測試，用自譜分析方法得到其中5個轉(zhuǎn)速下的頻譜圖如4（a）（b）所示，可以看出在其對應的頻率下產(chǎn)生很明顯的峰值，達到了此次測試的要求。由于電機理論轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速存在一個誤差，通過頻譜圖可以得到以上5種轉(zhuǎn)速對應的基頻為500 Hz、620 Hz、665 Hz、715 Hz、765 Hz，與理論值相差僅為3.3%，不影響測量的數(shù)據(jù)對分析結(jié)果產(chǎn)生誤差。分別在30 000、36 000、40 000、43 000、46 000 r/m in時對劃片刀的工藝凹槽角度α從79～115°按照角度每次遞增2°的進行實驗通過自譜分析方法得到95個實驗結(jié)果。，根據(jù)實驗結(jié)果得到的數(shù)據(jù)畫出角度與單峰值規(guī)律見下圖5所示。通過對測試結(jié)果分析可以看出劃片刀夾持角度α在79～85°產(chǎn)生的噪聲成逐漸增大的趨勢之后為減小到91°，之后一直呈現(xiàn)遞增遞減的趨勢。五種轉(zhuǎn)速對應的噪聲單峰相對值曲線圖整體呈現(xiàn)遞減的趨勢；每一個曲線只是當前轉(zhuǎn)速對應的相對幅值，每條曲線之間沒有大小可比性。從曲線圖和實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以分析得出劃片刀夾持角度α在91°、95°、105°出現(xiàn)峰值出現(xiàn)最小值，也就是說這幾個角度的劃片刀產(chǎn)生的氣流噪聲為可以接受的，通過聲級計測量出的噪聲都在80 dB以下并且沒有明顯刺耳的尖叫聲。

圖4 五種轉(zhuǎn)速下的自譜分析圖

圖5 角度—峰值變化曲線圖

2 結(jié)語

(1)通過噪聲測試試驗可以看出，隨著劃片刀的工藝凹槽角度α變大的過程可以看出噪聲值呈現(xiàn)出遞減的趨勢，當角度大到一定的數(shù)值基本上呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢，對噪聲的影響達到一定的數(shù)值而不在發(fā)生較大的變化；

(2)根據(jù)劃片刀本身的結(jié)構(gòu)及加工的工藝的限制，機床能加工出的劃片刀工藝凹槽角度α目前只能在79～115°的范圍內(nèi)，通過實驗結(jié)果分析可以看出α在91°、95°、105°左右的噪聲值減少到最小，可以滿足工作人員接受的噪聲值，不再發(fā)出尖叫的刺耳聲；

(3)劃刀片的工藝凹槽角度α確定為一個合適的數(shù)值達到了降低噪聲的效果，但是為了提高加工制造工藝效率，也要確定合適的角度，根據(jù)加工設備和現(xiàn)有工藝的技術(shù)要求選擇105°這個角度可以進行批量加工達到高效率的生產(chǎn)，同時這個角度對降低噪聲達到的效果最好；

(4)在30 000 r/m in以上時，劃片刀的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，對噪聲的大小會產(chǎn)生一定的影響，本文通過對劃片刀工藝凹槽角度α的改變，使其在固定的轉(zhuǎn)速下α角遞增的變化，得出的頻譜峰值也在遞減的變化，通過在不同轉(zhuǎn)速下進行實驗，得出的結(jié)果都是在遞減的變化，在超高速下對噪聲的研究有一定的指導意義。

[1]白琨.超高速切削加工及其關鍵技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝，2009，9：30-65.

[2]劉戰(zhàn)強，吉春輝，劉魯寧，艾興.高速面銑刀氣動噪聲及其頻譜分析[J].機械工程學報，2011，47(11)：163-168.

[3]Mote C D,ZHU Wen-hua.Aerodynam ic far field noise in idling circular sawblades[J].Journal of Vibration， Acoustics， Stress， and Reliability in Design,1984，106(3): 441-446.

[4]李林凌，黃其柏.風機葉片噪聲模型研究[J].機械工程學報，2004，40(7)：114-118.

[5]毛義軍，祁大同，劉秋洪.基于非定常流場的離心風機氣動噪聲分析[J].西安交通大學學報，2005，39（9）：989-993.

Structure Optim ization for a High-speed Rotating Scribing Knife Based on NoiseAnalysis and Evaluation

LI Dong-ya1,FENG Zhi-hua1,HU Pan-deng2

（1.Applied Technology College of Soochow University,Suzhou 215000,Jiangsu China; 2.Library Force Line Method Sem iconductor(Suzhou)Co.Ltd.,Suzhou 215000,Jiangsu China）

Aim ing at the cutting noise problem of the scribing knife rotating at ultra high speed,the structure of the cutting wafer scribing knife is analyzed experimentally using INV 3018 G vibration and control analysis instrument.By changing the process groove angleαof the scribing knife,the speed spectrum diagram corresponding to different anglesαis obtained.Applying statistical data chart,curves of angleαvs.the frequency spectrum peaks are plotted,with which the influence of the process groove angleαon the structure’s performance can be determ ined.It can be concluded that the angle α corresponding to the m inimum peak value will produce small noise only.This work is of some significance for the structure design of high-speed rotating scribing-knives.

acoustics;ultra high speed cutting;process groove angleα;spectrum peak;noise

TB535

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.042

1006-1355(2014)01-0188-03

2012-10-25

李東亞（1984-），男，江蘇蘇州人，本科，目前從事機床刀具產(chǎn)生噪聲的控制研究。

E-mail:lidongya@suda.edu.cn