單晶硅微銑削塑性去除表面質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究*

高　奇　鞏亞東　蔡　明　周云光

(①遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

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單晶硅微銑削塑性去除表面質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究*

高奇①②鞏亞東②蔡明②周云光②

(①遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001；②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

以脆性材料單晶硅為研究對象，采用微銑削工藝技術(shù)，探討單晶硅在霧性冷卻條件下的塑性去除機(jī)理，研究不同切削工藝參數(shù)對單晶硅表面質(zhì)量的影響，通過正交實(shí)驗(yàn)的方差分析得出，影響表面質(zhì)量的主次因素依次為進(jìn)給速度、銑削深度、主軸轉(zhuǎn)速，獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)即主軸轉(zhuǎn)速為48 000 r/min，銑削深度為5 μm，進(jìn)給速度為20 μm/s時(shí)，表面粗糙度最小，即表面質(zhì)量最好。研究結(jié)果為脆性材料的塑性去除機(jī)理提供一定的理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

微銑削；單晶硅；塑性；表面粗糙度

單晶硅作為高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料在MEMS(micro electro mechanical systems，微電子機(jī)械系統(tǒng))、光學(xué)電子、航空航天、日常生活中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]，應(yīng)用中涉及較多微細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一些特種的微細(xì)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大或不易實(shí)現(xiàn)，為了獲得高質(zhì)量的單晶硅結(jié)構(gòu)，微銑削加工工藝以其高精、高效的加工特點(diǎn)成為微加工的研究熱點(diǎn)[3]。微細(xì)銑削通常是指采用直徑小于1 mm的微小刀具對微小構(gòu)件進(jìn)行加工的方法，由于刀具和零件并不是宏觀意義上的按比例縮小，此時(shí)切削刃刃口圓弧半徑與去除量接近，存在尺度效應(yīng)及最小切除厚度，因此宏觀銑削和微尺度銑削在加工機(jī)理上有較大的不同[4-6]，又由于單晶硅在常溫狀態(tài)下屬于脆性材料，只有在適合的加工工藝參數(shù)和條件下才能實(shí)現(xiàn)塑性切削[7-8]。國內(nèi)外許多學(xué)者更多只是基于單晶硅的微尺度磨削進(jìn)行研究，較少針對其進(jìn)行塑性去除分析，本文基于不同的加工工藝參數(shù)及條件探討實(shí)現(xiàn)單晶硅的塑性域切削。

1　單晶硅微銑削實(shí)驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

單晶硅為八面體金剛石型晶體結(jié)構(gòu)，各面異性，(111)晶面是其滑移面和解理面，切削(111)晶面時(shí)，被切削加工面上的位錯(cuò)數(shù)量最多，而且分布較為均勻，所以切削(111)晶而可以獲得比(110)和(100)面更好的表而質(zhì)量，且硬度比(110)和(100)面低。實(shí)驗(yàn)用圓盤單晶硅片用玻璃刀切割成方形貼合于基體件上，通過螺釘與微銑床夾具聯(lián)接，并通過研磨拋光方法實(shí)現(xiàn)銑削加工前的找平預(yù)處理(如圖1a所示)，刀具采用直徑為0.4 mm的立銑刀(圖1b)，試驗(yàn)用微銑床采用NSK氣動(dòng)主軸，其最大轉(zhuǎn)速為60 000 r/min，采用VHX-1000E超景深顯微鏡(圖1c)觀察其表面形貌，通過STIL激光三維輪廓儀(圖1d)對試驗(yàn)加工后的微溝槽底表面粗糙度值進(jìn)行測量。

1.2試驗(yàn)方案

單晶硅在干切削條件下屬于脆性切削，為探究實(shí)現(xiàn)塑性去除的加工工藝參數(shù)對單晶硅加工表面質(zhì)量的影響，試驗(yàn)采用霧性冷卻方式以達(dá)到塑性域去除材料，采用正交試驗(yàn)法，設(shè)計(jì)為五水平三因素，即L25(53)。三因素分別為主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度v和軸向銑削深度ap，如表1所示。由于微銑刀切削刃直徑小，要提高銑削線速度，改善溝槽底面質(zhì)量，必然要提高主軸轉(zhuǎn)速；進(jìn)給速度的選擇主要是依據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量而選定，并且需要保證最小切削厚度大于刀具切削刃刃口圓弧半徑；軸向銑削深度的選擇主要考慮與微銑刀的特性、加工條件及其相關(guān)文獻(xiàn)研究[9-11]。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

對應(yīng)五水平三因素實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)定，采用STIL激光三維輪廓儀對試驗(yàn)加工后的微溝槽底表面粗糙度值進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如表1所示。

對表1中的Ra數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出數(shù)據(jù)的極差R和方差V，對其進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果見表2。

表1單晶硅實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)編號n/(r/min)ap/μmv/(μm/s)表面粗糙度Ra/μm1120005200.5842120008400.93631200010600.89941200012801.060512000151000.8826240005400.7357240008601.1582400010800.627924000121001.00102400015200.61811360005600.58812360008800.8721336000101001.15143600012201.17153600015400.85616420005801.11174200081001.24184200010200.599194200012400.775204200015600.908214800051000.80922480008200.868234800010400.770244800012600.540254800015800.562

表2單晶硅表面粗糙度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

處理號napvK1j4.361(0.872)3.826(0.765)3.839(0.768)K2j4.130(0.826)5.066(1.013)4.072(0.814)K3j4.636(0.927)4.045(0.809)4.085(0.817)K4j4.632(0.926)4.545(0.909)4.231(0.846)K5j3.549(0.710)3.826(0.765)5.081(1.016)K21j19.01814.63814.738K22j17.05725.66416.581K23j21.49216.36216.687K24j21.45520.15717.901K25j12.59514.63825.817R1.0871.2401.242T21.308CT18.161SS0.16240.23080.1838V0.040600.057700.04595

不同切削參數(shù)下單晶硅表面粗糙度值的極差圖和方差圖如圖2所示。從圖2中可以看出，進(jìn)給速度的極差最大，銑削深度的其次，而主軸轉(zhuǎn)速的最小，因此可以得出，在單晶硅表面粗糙度正交實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)給速度和銑削深度對其微銑削加工中的表面質(zhì)量影響最大，而主軸轉(zhuǎn)速對其影響較小。通過方差結(jié)果，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為48 000 r/min，銑削深度為5 μm，進(jìn)給速度為20 μm/s時(shí)表面粗糙度值最小，即表面質(zhì)量最好。合理選擇切削參數(shù)對有效控制表面質(zhì)量十分重要。

為更好地研究各因素對單晶硅表面質(zhì)量的影響情況，對各列各水平對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和取平均值，見表2括號中的數(shù)據(jù)，繪制主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度和進(jìn)給速度3個(gè)因素對表面質(zhì)量的影響情況折線圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度值先減小后增大再減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為24 000 r/min和42 000 r/min，初始轉(zhuǎn)速下，微銑刀刀面與加工表面摩擦較大，粗糙度值稍大，增大轉(zhuǎn)速的同時(shí)也會(huì)帶來一定的振動(dòng)降低表面質(zhì)量，隨著轉(zhuǎn)速大于36 000 r/min后，進(jìn)入穩(wěn)定切削的塑性去除階段，質(zhì)量得到提升；隨著銑削深度的增大，表面粗糙度出現(xiàn)了先增大后減小的反復(fù)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為8 μm和12 μm，均勻反復(fù)的規(guī)律說明銑削深度對粗糙度影響不大，銑削深度為5 μm，銑削的表面積和體積較小，脆性阻力降低，可以獲得較好的銑削質(zhì)量；隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度值在一直增大，可以看出進(jìn)給速度對表面質(zhì)量的影響較大，當(dāng)滿足每齒進(jìn)給量大于單晶硅的最小切削厚度時(shí)，由初始的劃擦與犁耕過渡到產(chǎn)生塑性切削去除，才能獲得較好的銑削質(zhì)量。對上面獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)重復(fù)試驗(yàn)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為48 000 r/min，銑削深度為5 μm，進(jìn)給速度為20 μm/s時(shí)表面粗糙度值最小，Ra值為0.536 μm，其表面形貌如圖4所示。從圖4可以看出在霧性冷卻切削條件下，單晶硅微銑槽邊緣處大部分工件材料沒有實(shí)現(xiàn)塑性切削，主要以脆性崩碎的方式去除，是裂紋擴(kuò)展和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的相互作用過程，槽的中間區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了大部分的塑性去除材料，形成連續(xù)帶狀或者崩碎狀切屑，與塑性材料在微銑削加工機(jī)理上有很大不同。從本實(shí)驗(yàn)中可以得出，對單晶硅進(jìn)行微銑削加工時(shí)需要較小的切削參數(shù)，從而達(dá)到一定的加工效果。

3　結(jié)語

(1)單晶硅脆性材料(111)晶面在霧性冷卻條件下能夠?qū)崿F(xiàn)塑性切削。

(2)通過方差分析，優(yōu)化獲得當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為48 000 r/min，銑削深度為5 μm，進(jìn)給速度為20 μm/s時(shí)表面粗糙度最小，Ra值為0.536 μm。

(3)通過正交實(shí)驗(yàn)單晶硅實(shí)現(xiàn)塑性去除應(yīng)選擇較小的進(jìn)給量和切深。

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(編輯汪藝)

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Experimental study on surface quality in micro-milling of single crystal Si plastic removal

GAO Qi①②, GONG Yadong②, CAI Ming②, ZHOU Yunguang②

(①School of Mechanical Engineering & Automation,Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001,CHN; ②School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang110819, CHN)

Taking the single crystal silicon as research object that belongs to brittle material, and the plastic removal mechanism of single crystal silicon was discussed in the fog cooling conditions by adopting micro-milling technology, the influence of different cutting process parameters on single crystal silicon surface quality was researched, the primary and secondary factors of the impact on the micro-milling surface quality were feed rate, milling depth, spindle speed in sequence by range analysis, and the ideal cutting process parameters combination was optimized and obtained, when the spindle speed is 48 000 r/min, the milling depth is 5 μm, the feed speed is 20 μm/s,the surface roughness is minimum and surface quality is best. The results provide certain theory reference and experimental basis for plastic removal mechanism of brittle material.

micro-milling; single crystal Si; plastic; surface roughness

TH161

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.026

高奇，男，1981年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒓庸?、?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。

2015-12-24)

160642

* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375082)