原版文檔，無刪減，可編輯，歡迎下載詳細圖紙可扣扣咨詢 414951605 或 1304139763畢業(yè)設計(論文)題 目： 金剛石線鋸切割機設計學生姓名 學 號專業(yè)班級分院（系）指導教師（職稱）2013 年 4 月 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 中文摘要金剛石線鋸切割機設計【摘要】 本文對金剛石線鋸切割機進行了深入的研究。在理論上探討了單晶硅各異性材料特性對電鍍金剛石線鋸切割硅晶片過程影響。分析了鋸絲沿不同的晶面、晶向鋸切對晶片的影響規(guī)律，并推薦了首選的鋸絲切入方向。研究發(fā)現(xiàn)，在確定的工藝參數(shù)下，當鋸絲切入方向使鋸切兩邊材料的彈性模量分布關于鋸絲切入方向呈對稱性時，可有效地提高晶片面形質量。鋸絲切入方向與被鋸切晶面內的易開裂方向一致時，可有減少晶片表面破碎。本課題主要對切割機導軌平臺、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調整裝置的結構設計。通過搜集相關文獻資料，了解本課題國內外研究動態(tài)，確定設計研究方案；完成金剛石線鋸切割機滾珠絲杠、螺母、步進電動機、螺母等相關零部件及裝配圖的設計；完成相關零部件設計說明書及其圖紙?！娟P鍵詞】 金剛石；線鋸切割機；導軌平臺浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 英文摘要IIDesign of Diamond Wire Cutting Machine【Abstract】 In this paper, diamond wire saw cutting machine has conducted in-depth research. In theory of monocrystalline silicon anisotropic material properties of electroplated diamond wire saw cutting silicon wafer process affect. Wire sawing along the crystal surface, crystal and recommend a preferred saw Siqie into the direction of the influence of sawing the wafer. The study found that, when the saw wire into the direction of the cutting material on both sides of the elastic modulus distribution symmetrical saw cut wire into the direction, which can effectively improve the quality of the wafer surface shape to determine the process parameters. The saw wire into the sawing crystal surface easy to crack the same direction, the direction, may have to reduce the wafer surface broken.The main subject of the cutter rail platform, work holding, reel and cutting thread tension adjusting device structure design. Through the collection of relevant literature, research trends about this topic, and to determine the design of research programs; completion of the diamond wire saw cutting machine ball screws, nuts, stepper motors, nuts and other related parts and assembly drawings of design; complete the relevant parts design specification and its drawings.【Key Words】 Diamond；Wire Saw Cutting Machine；Rail Platform浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 目錄III目 錄1 緒 論 11.1 概述 .11.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .11.3 金剛石線鋸切割機的簡介 .42 金剛石線鋸切割機的設計方案 .52.1 有關首選參數(shù) .52.2 切割機特點 .62.3 金剛石線鋸切割機設計方案 .62.3.1 原理分析和總體結構設計 72.3.2 傳動系統(tǒng)和工作臺的設計 72.3.3 張力調整裝置設計 83 金剛石線鋸切割機傳動設計 103.1 滾珠絲桿的選擇與計算 103.1.1 滾珠絲桿的定義 .103.1.2 滾珠絲桿副間隙調整法 .113.1.3 滾珠絲桿的循環(huán)方式 .133.1.4 滾珠絲桿的計算 .143.1.5 滾珠絲桿安裝方式 .173.2 步進電動機的選擇 183.3 張緊輪設計 213.4 繞線輪的設計 253.5 二維夾具的設計 27結 論 .28參考文獻 29致 謝 .30浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 1 緒 論1.1 概述脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學及其它領域得到廣泛應用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導體、光伏材料技術的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的 50以上，因此，切割工藝、工具及設備受到越來越廣泛的關注，并得到迅速發(fā)展 1。金剛石線鋸切割機是近十幾年來獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設備，包括使用游離磨料和固結磨料兩類。根據(jù)鋸絲的運動方式和機床結構，也可分為往復式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個微米，同時具備線鋸切割的特點，能夠對硬脆材料進行精密、窄鋸縫切割，且可實現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導體和光電池薄片切割中的應用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(yōu)點：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高等 2。1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢用金剛石線鋸切割脆性半導體材料的工藝最早由 Mesh 于 20 世紀 70 年代提出W.Ebner 進行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成往復式多線鋸的往復式試驗機床，金剛石鋸的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機驅動輪鼓帶動鋸絲往復運動。W.Ebner 用之進行切割，得到了小于 0.4mm 的切片厚度。20 世紀 80 年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R 使用日本Yasunagar 公司的 YQ100 金剛石多線鋸進行了硅切片實驗，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于 5um。ITo、Murata、Tokura 和 Ishikawa 等人則對金剛石線鋸的切害特性進行初步實驗研究 3。20 世紀 90 年代，尤其是近幾年來，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對其研究也更為深入。Li 等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動，同時壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對材料的最大剪切應力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對磨料的選擇進行優(yōu)化。Kao 等人指出在“滾動一嵌入”模型中，磨粒的運動除滾動和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 等人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為，在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內，鋸絲與磨漿的運動構成了一個彈性流體動力學環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動產(chǎn)生了切削 4。Sahoo 等人用有限元方法對薄片切割過程中鋸絲的振動模型和熱應力進行了分析，提出一個反饋控制算法，根據(jù)在線測得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對切割過程進行控制，最后提出了一種分析、改進鋸切工藝的方法。Wei 等人對單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進行切割實驗，建立了一個軸向運動的鋸絲振動模型，通過振動仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應和磨漿阻尼對鋸絲振動幅度的影響并認為，鋸絲振動受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對切片表面質量進行了高精度測量 5。在得到廣泛應用的游離磨料線切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無疑對切割性能和質量有直接影響，同時也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi 等人開發(fā)了一種適合切割大截面硅片時使用的水溶性冷卻劑。Costantini 和 Caster 使用沉積槽和筐式離心過濾機對被微細硅切屑所污染的磨漿進行了分離，取得了較好效果。Nishijima 等人對油基磨漿的凈化和回收進行了研究并認為，鋸絲中的鐵質粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導磁體分離器先進行被磁化磨粒的分離，再進行硅粉末的分離，實現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用 6。國外線切割設備生產(chǎn)廠家主要有日本 TAKATORI 公司，不二越機械工業(yè)株式會社，NTC 公司以及瑞士的 M單雙拍時，k=2直線運動工作臺的移動速度 v=60f=18mm/分，將 =0.001 代入得，f=300HZ因為步進電動機的轉角與脈沖頻率數(shù)成正比，步進電動機的轉速 nm 也可用下面的公式計算；nm=60f/360=f /6=300×0.9/6=45r/min 因此選擇 BYH 型步進電動機。3.3 張緊輪設計張緊輪是機械傳動中的張緊裝置，當傳動的中心距不能調節(jié)時，可以采用張緊輪將線張緊。張緊輪一般布置在松邊的內側，從而使帶只受單向彎曲；同時，為保證小包角不致減小過多，張緊輪應盡量靠近大輪安裝。如圖 6 所示：浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論圖 6：張緊輪假定在張緊形態(tài)下，5000N 于張緊輪中央，張緊輪直徑 48mm，材料的許用切應力 =100MPa，許用擠壓應力 MPa 現(xiàn)計算彎曲應力： 240bs1.由平衡方程容易求出QF張緊輪剪切面上的切應力為 MPadhAQ 2.8605148.302. 校核張緊輪的擠壓強度 Fbs則擠壓應力為 bsbs MPadDFdA 106.9254)85(14.30 )485(.310)()(23 2322故拉張緊輪也滿足擠壓強度要求。浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論3.4 繞線輪的設計金剛石線鋸切割機把一根細長的鋼絲繩纏繞在排線輪上，鋼絲兩頭分別由放線機構與收線機構拉緊。在收放線機構與繞線輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。繞線輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉，實現(xiàn)鋼絲往復運動。設備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動力。切割液由表面活性劑、碳化硅磨料和油基添加劑配制而成。切割時，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線上，切割進給機構均勻運動，把硅棒壓向高速往復運動的鋼絲，切出一組符合要求的高質量硅片。本次設計的繞線輪如圖 7 所示：圖 7：繞線輪浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論（1）計算支承反力，受力如圖 8 所示：圖 8 繞線輪受力圖0)(435)(cbaFaBAcb)1976(824A0135AF=1348.5(N)42B=1348.5(N)（2）彎矩 138.52637(.)AMNm4B（3）轉矩轉矩 662.99.5109.5105386pTNmn（4）校核許用應力 用插入法查得： MPab5.102許用應力值 6應力校正系數(shù) 100.592bAB浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論當量彎矩 0.59138607.4TNm22()598AMT.B 設計的直徑 min28d5.2160.875391.03' bAA；mdB.2（5）疲勞強度校核初步分析 、 兩個截面有較大的應力和應力集中，下面以截面 為例進行安全I I系數(shù)校核。材料選用 45 鋼調質， ，MPaB650PaS360對稱循環(huán)疲勞極限 aBb286541 MPB19503.0. 脈動循環(huán)疲勞極限abb486286710 MP312950 等效系數(shù)18.048620 b25.312950 截面 上的應力彎矩 I134867(.)MNm浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論彎曲應力幅 135670.282.aMWP 彎曲平均應力 m扭轉切應力 31586.0.2TPa扭轉應力幅和平均切應力 .175amM如果一個截面上有多種產(chǎn)生應力集中的結構，則分別求出其有效應力集中系數(shù)，從而取最大值。3.5 二維夾具的設計夾具是機械制造過程中用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢測的裝置。 機械制造 過程中用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢測的裝置。又稱卡具。從廣義上說，在工藝過程中的任何工序，用來迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，都可稱為夾具。例如焊接夾具、檢驗夾具、裝配夾具、機床夾具等。其中機床夾具最為常見，常簡稱為夾具。在機床上加工工件時，為使工件的表面能達到圖紙規(guī)定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的相互位置精度等技術要求 ，加工前必須將工件裝好（定位） 、夾牢（夾緊） 。夾具通常由定位元件（確定工件在夾具中的正確位置） 、夾緊裝置 、對刀引導元件(確定刀具與工件的相對位置或導引刀具方向)、分度裝置（使工件在一次安裝中能完成數(shù)個工位的加工，有回轉分度裝置和直線移動分度裝置兩類） 、連接元件以及夾具體（夾具底座）等組成。 本次設計的二維夾具體如圖 8 所示：浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論圖 8：二維夾具體夾緊力按下式計算：)'('21tgrtQLWzo查手冊，取 Q=125NL=100r=6.22=30º=5.513mm浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論=1º26NtgrtQLWzo 6098)'('21=6098.9N所以，算得的夾緊力為 6098N。線鋸切割時的切削力為：NKDSPpx3218)1905(.4696.8.0在計算切削力時，必須考慮安全系數(shù)。安全系數(shù) 6543210KK根據(jù)機械加工工藝手冊查得：式中： 基本安全系數(shù)；取 1.2加工性質系數(shù)；取 1.11刀具鈍化系數(shù)；取 1.12K切削特點（連續(xù)切削） ；取 1.03夾緊力穩(wěn)定性；取 1.14手動夾緊手柄位置；取 1.0僅有力矩使工件與支承面接觸情況；取 1.0則 xKP'=1.2×1.1×1.1×1.0×1.1×1.0×1.0×3218.6=5140.7N 因為切割削力 小于夾緊力 ，所以該夾緊裝置安全可靠。浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 結論結 論通過這次金剛石線鋸切割機設計，我認識到了單純的理論知識學習和 實際設計之間的差距。 通過這次畢業(yè)設計既鍛煉了我的綜合運用所學的專業(yè)基礎知識，解決實際應用問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計 規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力的水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且使我的毅力，意志力以及耐力都得到了不同程度的提高。這些都是我希望得到的 也是畢業(yè)設計的目的所在。雖然畢業(yè)設計內容繁多，過程繁瑣，但我的收獲也是非常的多。各種設計方案的適用條件，各種零部件的選用標準，我都是隨著設計的不斷深入而不斷熟悉并學會應用的。從畢業(yè)設計中學來的這些寶貴的知識和經(jīng)驗，必然會讓我在未來的工作學習中表現(xiàn)出更高的應變能力，更強的溝通力和理解力。本次設計參考了許多資料，吸取了其優(yōu)點，并在考慮我國實際的基礎上完成了自走式割灌機的設計，表達了自己的設計思想，完成了設計任務。但是由于缺乏生產(chǎn)和設計經(jīng)驗，問題一定很多，這些都需要老師改正，使之更合乎生產(chǎn)實際。浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 參考文獻1 孫建章，呂玉山，劉興文往復自旋式電鍍金剛石絲鋸數(shù)控切割機的設計研究J機械設計與制造，2003（8）：52-542 鄭超硅片切割設備現(xiàn)狀與發(fā)展綜述J 超硬材料論壇論文集，2011（1）：191-1963 肖天元，韓向利虛擬制造技術J CAD 工程設計及自動化 2007（4）：49-54 4 Bhagirat M. 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