硅晶柱的磨削研究

黄蓉

（安徽省马鞍山工业学校，安徽 马鞍山 243031）

硅晶柱的磨削研究

黄蓉

（安徽省马鞍山工业学校，安徽 马鞍山 243031）

硅片是现代电子工业的主要原材料，对于直径小于200mm的硅片，传统的加工工艺流程为：单晶生产→切断→外径滚磨→平边或V型槽处理→切片→倒角→研磨→腐蚀→抛光→清洗→包装。而因为硅这类脆硬材料的物理性能，使其在磨削时由于它的磨削阻抗力大很难磨削，文章对硅晶柱的磨削方法加以研究。

加工工艺；硅晶柱磨削；磨削理论；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传统的加工方法很难加工出形状复杂的工件，而且其加工成本高、效率低、工件表面加工质量并不理想。由于脆性材料与金属材料有着极其不同的性质，很多传统的加工方法已经无法使用。随着脆硬材料的广泛应用，加工脆硬材料的新方法也不断增多。

脆硬材料的磨削加工是目前最常用的一种加工方法，磨削过程就是通过磨料对工件有限切除的过程。根据磨削的加工效率可将磨削分为普通磨削和高效磨削。一般来讲，将砂轮线速度低于45m/s的磨削来定义普通磨削，其加工脆硬材料的效率很低，而且加工质量难以满足要求。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、缓进给磨削、高效深切磨削、砂带磨削、快速短行程磨削和高速重负荷磨削。随着材料科学的发展、新型工程材料的大量出现与工程上的应用，对材料的磨削加工提出了更高的要求。为了满足对材料的加工要求，国内外很多研究者对脆硬材料的磨削机理进行了深入研究，尤其是对工程陶瓷、晶硅、光学玻璃和金属陶瓷等的磨削力、磨削热、表面质量进行了系统的研究，并获得了具有影响力的众多成果。

对硅晶硅的磨削较新的技术包括：①单晶硅的ELID磨削原理与技术研究；②硅片的塑性磨削，即延性域磨削。硅片的塑性磨削是根据材料本身的特殊属性来进行磨削加工的。脆性材料在普通磨削加工中，材料以脆性断裂方式去除为主，且工件表面加工质量极低，有微裂纹产生。为了防止这些现象的出现，使脆硬材料处于塑性去除方式，通过研究发现，温度对脆硬材料的塑性影响很大，当对硅晶施加一定的辅助加热后，硅原子的活动能力增加，容易产生滑移，塑性大大提高，在这种塑性状态下对工件进行磨削，加工效率和加工质量都会明显提高。还有一种方法是在一定的加工条件下，材料能以塑性流动的方式被去除，根据压痕断裂力学模型预测产生的横向裂纹临界载荷，当在低于这一载荷时，材料去除就以塑性变形去除为主。而由于科学技术的飞速发展，高速磨床陆续进入国际市场，并在制造业中迅速扩大应用范围。超高速磨床的出现，使脆硬材料的磨削加工真正成为主流加工方法，能够极大提高脆硬材料的应用范围，而且能大大降低脆硬材料的加工成本。

2 磨削理论研究方法

磨削加工过程异常复杂，首先，磨削加工过程中参与切削工件的磨粒数量众多，其几何形状极不规则，并且在砂轮上呈随机分布状态。其次，磨削加工中的磨削速度及磨削区的温度极高，工件材料在这种高应变、高应变率、高温下呈现出的材料性能非常复杂，而砂轮上磨粒的磨损、磨粒的切削性能也受到很大的影响，并且这些因素之间相互耦合。使得到目前为止真正应用于工业中的各种计算公式大都属于经验公式，应用范围非常有限。随着高速和超高速磨削技术的发展，磨削加工技术的应用将更加广发。因此，对磨削加工过程进行建模，掌握磨削机理就变得异常重要。

2.1 磨削加工过程的几何建模

磨削加工过程的几何建模一般是用来预测磨削加工后工件的表面形貌。它首先建立砂轮的几何模型，然后再假定当砂轮上的磨粒与工件材料发生干涉时，相应的工件材料即被切除，这样就可以计算出磨削加工后工件的表面形貌特征。

磨削加工过程几何建模的第一步是建立砂轮的几何模型。目前，主要有两种方法：一种是对砂轮上磨粒的形状及分布做出假设，然后生产砂轮的几何模型。在确定砂轮上磨粒的几何形状之后，大部分研究者都是假定磨粒在砂轮上呈随机分布状态并据此建立砂轮的几何模型。另一种是先使用仪器测出实际砂轮的表面形貌，然后对测得的数据进行分析，得出数据的一些基本特征，然后根据这些基本特征再构造砂轮的几何模型。

磨削加工过程几何建模的第二步是建立磨粒去除工件材料的机制。工件表面任意位置上的形貌特征是多个磨粒多次切削的结果。在磨削加工过程中，砂轮不断发生磨损，故需要定期对砂轮进行修整。由于几何建模仿真没有考虑到由于磨削加工过程中砂轮的振动和不平衡、工艺系统的弹性变形、磨粒的磨损及自锐作用等对工件表面形貌造成的影响，故其得出加工后工件表面形貌特征与实际形貌特征存在一定误差。

2.2 磨削力的建模

（1）解析法。模型力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。李力钧等人在Werner和Malkin等人研究成果的基础上，把磨削力分为切削变形力和摩擦力，建立了磨削力模型。Hecker等人也建立了磨削力模型，他们假定切屑厚度成瑞利概率密度分布，而该概率密度函数的唯一参数考虑了磨削动力学条件、工件材料特性、砂轮微观结构及磨削加工过程中的一些动态效应的影响。

（2）实验法。由于磨削加工过程中影响磨削力大小的各个因素错综复杂，而现有的磨削理论建立在许多假设条件之上，由这些磨削理论推导出来的磨削力计算公式，还不足以应用到实际生产过程中。所以在工业现场中应用得磨削力计算公式大多为经验公式，其中绝大部分都是以磨削条件的幂指数函数形式表示的，这些经验公式的获取方法分为两类。一类方法是：通过做实验得到大量实验数据，然后利用回归分析法建立经验公式，然后根据经验公式进行趋势外推。除了回归分析法外，人工神经网络也被应用到实验数据的处理中。另一类方法是利用各种数学方法对少量的试验数据进行分析并推出经验公式。灰色预测法是利用“灰色系统理论”，对原始的试验数据序列进行处理，并按微分方程拟合法建立灰色模型，然后用微分方程的解实现系统的预测。仇君等人将灰色系统理论应用于磨削加工工程中磨削力的预测。

3 硅晶柱磨床简介

硅晶柱磨床是在传统卧式外圆磨床的基础上，针对硅晶这类脆硬材料，根据其加工要求，为实现高效、高精度的加工质量，所使用的一种专用磨铣复合机床。

它是将硅片加工过程中的外径磨削和平边工艺在同一个机床上实现。在已有磨床的基础上，通过加装晶向测量系统用以确定加工基准平面，采用砂轮端面磨削方式来满足磨外圆和铣平面的加工要求。复合机床不仅可以减少同一工件的重新定位装夹，缩短工件的加工周期，降低成本，提高经济效益，还可以提高零件加工精度。

4 结语

由于脆硬材料的特殊属性，在磨削过程中，它的去除方式主要有脆性断裂、破碎去除、晶界微破碎等脆性去除方式，这严重影响了零件的加工质量。所以分析研究其磨削过程与磨削现象，对提高机床主要结构部件的动静态性能，以及对于改进磨削工艺、提高磨削生产能力及改善表面完整性有着重要意义。

［1］马明明.单晶硅的ELID磨削原理与技术研究［D］.杭州：浙江工业大学，2012.

［2］称勇平，唐进元.磨削加工过程建模的研究进展［J］.切削机理，2007，（1）：44-48.

［3］李力钧，付杰才.磨削力的数学模型的研究［J］.机械工程学报，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

黄蓉（1983-），女，安徽宣城人，大学本科，讲师，主要研究方向：机械加工工艺及精度。