基于磨料水射流的多晶硅车削试验与建模
磨料水射流抛光技术及其发展

邵飞等 磨料水射流抛光技术及其发展磨料水射流抛光技术及其发展邵飞,刘洪军,马颖(兰州理工大学有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州730050) [摘 要] 磨料水射流抛光技术是应用于表面抛光加工的新技术。
利用含有细小磨料粒子的抛光液在高压作用下,与工件表面发生冲击、冲蚀而微去除材料,以达到抛光目的。
论述了磨料水射流抛光技术的基本原理和特点,以及影响抛光效果的主要工艺参数,并对其发展趋势进行了展望。
[关键词] 磨料水射流;表面抛光;磨料;工艺参数[中图分类号]TG175;TP69 [文献标识码]A [文章编号]1001-3660(2007)03-0064-03Polish i n g Techn i ques and D evelop m en t of Abra si ve W a ter JetSHAO F ei,L I U H ong 2jun,M A Ying(Key lab .of Advanced Non 2ferr ousMaterials,Lanzhou University of Science and Technol ogy,Lanzhou 730050,China )[Abstract] Polishing technique of abrasive water jet (AWJ )is an advance p r ocess which can be app lied t o sur 2face polishing .It makes use of high p ressure liquid which has tiny abrasive t o for m an effect of i m pact and er osi on on work 2p iece for polishing pur pose .The postulate and s pecialty of AWJ were summarized .The mostly technique para meters were illum inated .The tenydency of AWJ was vie wed .[Key words] Abrasive water jet;Surface polishing;Abrasive;Pr ogress para meter0 引 言[收稿日期]2006-11-31[作者简介]邵飞(1976-),男,江苏宜兴人,在读硕士,主要从事S LA 原型表面处理的相关技术研究。
微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究

微磨 料 水射 流对 工 件表 面抛 光 作用 的研 究
袁卓林 ,雷玉勇 ,孙 书蕾,汤积仁 ,聂光伟
( 西华 大学机械 工程 与 自动 化 学院 ,成 都 6 0 3 ) 10 9
摘要 :采用碳化硅固体磨粒 、纯 水和水溶性乳蜡 ( 水蜡)混合 而成 的液体磨料 ,液体磨料 的浓度按 固体磨粒 与添 加液 的质量 比 12的 比例混 合 ,工件材料采用热作模具钢 4 rMoi ,被抛光工件表面分别 为未经热处 理的模具钢表 面和电火 : C5 S  ̄1
( col f c a i l n ier g& A tm t n X h aU i ri , h nd ih a 10 9 Sh o o h nc gnei Me aE n uo a o , iu n esy C e guSc un6 0 3 ,C ia i v t hn )
Ab t a t T e p l hn x e i nswee c n u td o ewok ic so o r i t e C 5 S V1wi e ee t c l i— sr c : h oi i ge p r s me t r o d ce n t r p e e f t h h wo k d ese l r i t t lcr a d s 4 Mo h h i c a g c ie U fc n h r u d S ra e.t e s r b a ie mie i oi i at ls h re ma h n d S ra e a d t e g o n U fc l l r a r sv x d w t s l S C p ri e ,w tra d w trs l b e e lin 1 u y h d c ae n a e o u l mu s o w x w s u e s p l hn l ry h r p r o fs l i a t l ol u d i l r b a ie i l 2 i s .T ee fc fp r ce a a s d a o i ig s r .T e p o o t n o i S C p ri e t i i s r a rsv s : n ma s h f t a il s u i od c q n u y e o t ga ua ,c n e t t n o t rs l b e e lin wa n o i ig t n t e p l hn e oma c s n e t ae . T e e p r rn lr o c n r i f ao wae o u l mu so x a d p l h n i o h o i i g p r r n e Wa iv si td s me s f g h x ei — me tl e ut h w a f rp l h n o 0 mi ue ,t er u h e so e w r p e e sd c e s d s n f a t .T e r u h e si r- na s l s o t tat o i ig fr9 n ts h o g n s f h o k ic si e r a e i i c nl r s h e s t g i y h o g n s s e d c d r s e t ey f m . 8 m o 1 0 m o h lcrc ld s h r e ma h n d wo k i c u e e p c i l r 0 0 v o t . frt e ee t a ic a g c i e r p e e,a d f m . 6 m o 0 3 [m o h i n r 0 0 o t . 6 z f rt e
磨料水射流抛光技术

oi ok l P o 伴s e h b a c l h pl i t s 气 ty u c w i h o p s P ・ s g 困r b e o a f is cvo e a m x e s
硕士学位论文
K y 。 :5 r t ; r l wa rc Plh g P 5.沪 功加: u c e, 川5 1 o y A av t j oi i ; r 1 . et s司 e 人p t p b s e e t oe : sn 眠 吕 抽
h a t v b l c r0 P s f e h e T efc r a ut P t ye r‘ r g.s胡d o eebl e a m . r e c c o h o t ua o u s u sm t n u P a e 招a C q r e
v i n T e l p 面n e n u a ts a bn a n y g e.b 加tr i g t bi p a erh e e gi b u吨 Obgn e s roo a t l
拍u ns 沙 c
兰州理工大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外, 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
原型的过程1 1 3 。 快速成型制造思想的初始思路如图11 . 所示, 将三维实体截成一系列连续薄切片的
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2 、不保密团。
年解密后适用本授权书。
) ’ ( 请在以上相应方框内打 “矿,
作者签名: 导师签名:
硅酸钙板的磨料水射流切割加工应用探讨

形 板 的方 法和 能力 , 时不 断 改进 目前仅 用锯 片加 T 的传 同
统 方法 。
根 据水射流 中加入 固体磨料 的方 式不 同, 分为前 混合式
磨料水射 流 ( 低压 ) 和后 混合式磨 料水 射流 ( 高压 ) 前 混合 。
通常我们采用金 刚石 锯片对板 材进 行切割 , 锯片切割板 材 噪声很大 , 一般大于9 分贝, O 同时也 产生很大 的粉尘 , 环 对 境保 护 、 动卫生保 护提 出了较高 的要求 。 劳 加T设备 要设 置
料喷嘴, T作压力高 。
6 C I NRT 21. N 8 H A O CEE 01 6 O 4 NC 0 2
l ■■ 试 验 研 究 囊
E p rm e t l s a c x e i n a Re e r h
l
11前 混 合式磨 料 水射 流 的工作 原理 .
图1 表示 了前混 合式磨 料水 射流 ( 压 ) 低 T作原理 , 常压
为了研 究适合硅酸 钙板成 品板 的』 _方法 , 适的 切割 Jr 口 合
参数 , 切割压力 、 速度 对加 T质量 的影 响以及加T消耗 的材
切割砂输送 到控砂阀, 通过控 砂阀控制流量大小后送入喷嘴 料 成本 , 别选 川 了四绀试验 , 分 分别是前 混合式 磨料水射 流 喷 磨料水射流进行 切割加 T。 切 割加 r 后 混合式 磨料水射 流切 割加 T、 、 后混 合式磨料 水
- 验eleh E i究Ra 试rn■●I x mter p研asl e c
硅 酸钙板 的磨料水射 流切割加工应 用探讨
武 汉 建 筑 材 料工 业 设 计 研 究 院有 限 公 司 刘 绍 庄
摘
要 :文中介绍了 酸钙板 成品板磨 料水射流切 割加工的工作原理 , 料水射流切 割 硅 磨
飞机复合材料磨料水射流加工

复合材料 世界飞机复合材料磨料水射流加工用于复合材料修边的A W J工艺自20世纪80年代引入以来,取得了很大的进展,现在已成为一种飞机工业广泛接受的主流工艺,如今,几乎所有的飞机制造商都采用AWJ技术对复合材料进行修边。
但仍需提高夹具、AWJ工具切割头以及端部受动器技术,以满足更多零件外形和尺寸需求。
新软件和离线编程对于飞机工业接受AWJ系统也至关重要。
Machining Airframe Composite With Abrasive Waterjet碳纤维复合材料作为商用飞机的结构材料,其应用得到了引人瞩目的增长。
这种材料在波音787飞机的用量占飞机结构重量的50%,在空客350XWB飞机中的用量占飞机结构重量的52%。
由于技术、环境和成本的原因,磨料水射流(A W J)已成为碳纤维复合材料修边和切割的一项重要的技术。
AWJ的切割速度比传统的刨削快,同时采用A W J切割可获得良好的表面光洁度和高的整体性。
近年来,A W J在硬件、软件、工艺可靠性、机动性和生产率等方面取得了重要进展,已成为飞机制造商及其子公司承包商的主要工具。
本文简要介绍了A W J技术的硬件、软件和常规应用加工工艺(如碳纤维复合材料的修边和钻孔)。
复合材料系统飞机喷气式发动机和飞机机体组件上用的复合材料主要包括有机复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。
例如,喷气式发动机的冷端部位可包含有机复合材料、金属基复合材料以及金属间化合物。
其中有机复合材料组件主要包括风扇结构、风扇叶片、进气口和出气口导向叶片、定子叶片以及控制罩。
Graphite-PMR-15结构部件在诸如GE F110、F104、PW-1120和1130发动机上应用。
热端部位(如燃烧室和涡轮排气)则需要一些金属间化合物、单晶超合金、陶瓷基复合材料或碳/碳复合材料,以满足高温性能的要求。
有机复合材料尤其是航空结构用碳纤维复合材料,最初仅在军用飞机上应用。
现在,碳纤维复合材料已广泛应用到商用飞机的部件中,如机翼部件(蒙皮、翼梁、前缘、副翼),机身部件(面板、长桁、机身梁、舱门),尾翼部件(垂尾/平尾、蒙皮、方向舵、副翼),龙骨梁,中央翼盒或腹部整流罩。
三相磨料水射流试验工作台的研制

po ut no eml s l dr g[ ] Jun l f t is rd ci fs e - l i sJ . o ra o e a o a sr e n o M rl a
Poe i T c nl y 19 (0 :7 2 rcs n eh oo ,9 6 6 )6 —7 . s g g
射流技 术 , 中介 绍 了三相射 流试 验 工作 台的 系统组 成及其 工作 原理 , 过分 析三 相射 流加 工的 工作机 理 设 文 通
计 了喷射 系统的结构及关键参数 。试验表明, 通过调整工艺参数 , 该磨料水射流试验工作 台可对材料 实现表
面抛光、 去毛刺、 清洗、 剥层 、 切割等加工和 实验。
系列 问题 。为此我 们设 计 了气压 引射 式磨 料射 流 的喷 头, 并对 该装 置进 行 了初 步试 验 。气 压 引射 式 磨 料 射 流 是用 压缩 空气 作为动 力 源 , 磨粒 加速 工作 , 使 利用 这 种 方式 循环使 用磨 料 , 就避 免 了让人 困扰 的分 离过 程 。
参考文献 :
[] 华 林 .轧 环 机 工作 参 数 理论 设 计 [ ] 6 J .锻 压 机械 , 0 0 20
( )8 0 2 : —1 .
[] 李 斌 .国 内外 冷辗 环 机 特 点 分析 [ ] 7 J .锻 压 机 械 ,9 7 19
( )8 . 2 : —9
[ ] 郝 用兴 .辗环机进给 系统模型 的建立 [ ] 8 J .华北 水利水 电
维普资讯
20 0 6年 第 8期
液 压 与 气动
2 9
三 相磨 料水 射 流 试 验 工作 台的研 制
汪庆华 。 - 李福援 一 De eo me to 一 h s fu r s e W a e s o k a l v lp n f3 p a e Efl x Ab a i t rTe tW r t b e v
应用于油气钻采的磨料水射流喷嘴优化设计与试验研究

Ke r s w t - tn zl ;x ei e t u y v lc y y Wo d : a r e ;o z e p r na s d ;eo i ej e m lt t
( 庆大 学 , 庆 重 重 40 4 ) 0 04
摘
要 : 为 了 优 化 总 长 度 和 出 口直径 被 限 制 的 喷 嘴 的 内部 结 构 , 行 喷 嘴 内 外 流 场 数 值 模 拟 、 嘴 流 量 系数 测 试 以 及 进 喷
喷嘴对砂岩 冲蚀深度 的试验。对试验结果进行 分析 表明 , 各喷 嘴射流轴 心线上 的速 度在喷 嘴的 内部 达到最 大后开始 减 小; 数值模拟结果和流量系数测试结果 相吻合 , 即喷嘴外 部射流速度 最大 的喷嘴流量 系数也最 大 , 喷嘴 的工 作性 能最 该 好; 在设 计试验的喷嘴范 围内 , 口收缩角为 3 。 出口圆柱段 长度为 1 m 进 0, 1 m的喷嘴性 能最好 , 其对砂 岩的 冲蚀 深度 高出
摆振磨料水射流切落能力的试验研究

FL D UI MACHI NERY
Vo. 8, . 2 0 1 3 No 7 01
,
文章编号 : 10 -0 2 (00 0 —0 0 —0 0 5- 39 2 l ) 7 o 4 4 -
( 国矿业 大学 , 中 江苏徐州
●
2 11 ) 2 12
a drc ,h sc n r dOVA Jcasfaiit d hg l f cie o o smpin c tn al tec aatr t ,h sp n o k a o f me i W l e s lya ihye e t ,lw cn u t ut gfl h h cei i s bi n v o i s r s c a m・ vd dteter a i frOV ie h oyb ss o AWJpa t a a piain h rcil p l t . c c o
压力 ;J3型摆振水射流 落煤器 可调节振动频 B8
率、 靶距和摆动速度 ; 前混合磨料水射流供料装置 有两个磨料供给量可供选择 ; 试样选用泡沫混凝
2 1 年第 3 卷第 7 00 8 期
流
体
机
械
5
土砖 , 以便 加大 切落效 果的对 比度 ; 料选用 一 般 磨 的河沙 , 度等 级为 0— .mm,.5- .m 喷 粒 08 02 08 m; 嘴选用碳 化钨拉 丝模 喷嘴 。
件下, 提高水 射 流 的切 落 能力 。如果 能 利用 摆 振
试验 系统如 图 1 示 , 所 它包括一 套 X B0 6 R 5/ 3
水射流的高效、 低耗 的特点 , 再结合磨料水射流所 具有较 强 的冲蚀 、 削能力 的特点 , 磨 形成一 种新 型
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第 39 卷 2011 年第 10 期本栏目编辑
陆秋云
通
用
133
基于磨料水射流的多晶硅车削试验与建模 卫排锋,雷玉勇,刘克福,蒋代君,王荣娟西华大学机械工程与自动化学院机械电子工程与自动化研究所 四川成都 610039
摘要:笔者通过进行磨料水射流车削多晶硅片的试验研究,说明了磨料水射流车切多晶硅这类脆性材料的可行性。磨料水射流车削多晶硅的表面质量主要受射流压力、进给速度、靶距和主轴转速的影响。在正交试验设计的基础上,采用回归分析方法,在磨料水射流车削多晶硅过程中,建立了主要加工工艺参数对表面粗糙度影响模型。通过对该模型的相关指标的分析表明,回归方程有一定指导意义。该模型为合理选择磨料水射流车削工艺参数提供了理论基础,在半导体制造业具有较大应用价值。关键词:磨料水射流;磨料水射流切割;车削;多晶硅;半导体中图分类号:TG664 文献标识码:A 文章编号:1001-3954(2011)10-0133-04
Experiment and modeling of turning polysilicon using abrasive water jetWEI Paifeng, LEI Yuyong, LIU Kefu, JIANG Daijun, WANG RongjuanMechanical Electronic Engineering & Automation Institute, School of Mechanical Engineering & Automation, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China
Abstract:Turning polysilicon using abrasive water jet is experimentally studied. The experimental results show that it is practicable for abrasive water jet to turn brittle materials such as polysilicon. Turning parameters such as pressure and feed rate of the water jet, target distance and rotary speed of main shaft etc. play infl uential roles on the quality of polysilicon surface turned by abrasive water jet. Based on the orthogonal experimental design, regression analysis method is applied to establish the model by which infl uences of main manufacturing parameters on surface roughness are included during turning polysilicon by abrasive water jet. Through analy-sis on related indexes of the model, it shows that the regression equation has some guidance signifi cance. The model offers theoretical basis for reasonably selecting parameters for turning polysilicon by abrasive water jet, and has great application value in semiconductor manufacturing industry. Keywords:abrasive water jet; cut by abrasive water jet; turning; polysilicon; semiconductor
基金项目:四川省教育厅项目(09ZZ030/09ZB085/09ZA116)作者简介:卫排锋,女,1985 年生,硕士研究生,主要研究方向为水射流技术及应用。
利 用磨料水射流进行车削加工是一项崭新的技
术和加工手段。1987 年 Hashish.M 首次提出用磨料水射流进行车削加工,并进行了一系列的试验,证明了这项技术的可行性[1]。1992 年 Ansari and Hashish 对磨料水射流车削的宏观机理进行了可视化研究 [2]。1994 年 Zeng 等人在大量试验研究基础上,
建立了磨料水射流车削的参数预测模型[3]。1999 年 Henning 给出了磨料水射流车削经验模型[4]。随后Hashish.M 对磨料水射流精密车削进行了观察,并对表面宏观特征进行了定性描述[5-6],上述研究工作大多针对金属材料。随着新能源产业的兴起和太阳能光伏发电的快速发展,多晶硅材料被广泛采用。在晶圆切片中主要依赖于金刚石锯片切割,但对于许多器件需要的三维切割,曲线切割以及异性切割,锯片加工显得力不第 39 卷 2011 年第 10 期本栏目编辑
陆秋云
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从心,传统落后切割技术和产能的严重不足已构成产业链的瓶颈,因此有必要研究新型的加工技术来满足硅半导体产业的生产需求。磨料水射流因其独特的优点,逐渐成为一种先进的加工手段,并被制造行业认可,在半导体硅行业具有良好的市场前景。美国 AIT 公司已经开发了专门用于加工半导体材料的微磨料水射流机床,并且市场反馈良好[7]。笔者拟对磨料水射流车削多晶硅棒料进行试验研究,根据实验室现有条件和设备,探讨磨料水射流车削工艺参数对车削表面质量的影响,从而建立磨料水射流车削多晶硅的简单经验模型。 1 磨料水射流车削加工方法传统车削加工是利用工件的旋转运动和刀具的直线运动 (或曲线运动) 完成被加工工件所需形状和尺寸的加工方法。磨料水射流 (所谓的“水刀”) 车削加工也是利用工件的旋转运动和切割头的直线或曲线运动来完成工件材料的去除。两者的差别在于传统车削加工应用刚性刀具 (车刀),而磨料水射流车削加工则应用“柔性”刀具——即磨料水射流束。1.1 磨料水射流加工的特点由于磨料水射流车削加工采用特殊的刀具,因此具有以下显著特点:(1) 磨料水射流去除材料机理与传统车削不同,普通车削的切屑成片状,而磨料水射流车削的切屑为粉末状,磨料水射流属于单点加工,加工过程中对工件的作用力很小;(2) 磨料水射流刀具适应性好、对材料无选择性;(3) 磨料水射流车削加工切割头与工件无接触,加工过程中切削力对切割头几乎无反作用力,定位精度高;(4) 普通车削车刀磨损严重,且车刀变钝后直接影响加工效率和加工精度,而磨料水射流可谓永不磨损;(5) 普通车削加工需要冷却液而磨料水射流车削则不需要;(6) 磨料水射流切削属于无机械接触“冷切削”,无机械应力、热变形且无受热影响区域 (HAZ) 产生,不会改变被切割物质的物理和化学特性,因而可以车削硬、脆和热敏感材料。1.2 磨料水射流加工的形式磨料水射流车削加工有 2 种形式,如图 1 所示。(1) 切割头静止,工件旋转 如图 1(a) 所示,该加工方式的磨料水射流沿工件径向垂直射入,车削进给量是工件旋转速度的函数。但由于刚进入工件时射流能量较高,容易造成工件表层崩缺;随着材料的去除,射流靶距逐渐增大而射流束能量降低,材料体积去除率和加工质量也随着明显降低。(2) 切割头弧形运动,工件旋转 如图 1(b) 所示,这种方式在工件旋转的同时,切割头一方面沿径向进给,同时根据加工工件的形状特征沿垂直方向直线或曲线运动,形成曲线轨迹。与前一种方式相比,该加工方式大大改善了进刀和退刀对工件的突然冲击而形成崩缺的可能性,同时,车削进给量可以平稳、微细调整,从而明显提高加工表面质量。
2 磨料水射流车削多晶硅试验研究2.1 磨料水射流车削试验磨料水射流车削是一个非常复杂的加工过程,其中一个很重要的原因就是影响其加工性能的因素太多,并且各参数对加工结果的影响呈现复杂的非线性关系,要达到理想的加工精度需要进行大量的理论及试验研究。考虑试验条件、材料和设备等因素,笔者采用正交试验设计试验方案。根据现有基础条件,选择可以改变和控制的主要参数作为影响因素,包括射流压力、进给速度、靶距及主轴转速。尤其是主轴转速,它是磨料水射流车削加工特有的一个参数。因此,取 4 因素 3 水平正交试验表进行试验,各因素及所取水平值如表 1 所列。
2.2 试验条件试验在 5 轴联动磨料水射流机床上进行。增压
(a) 射流静止车削模式 (b) 射流运动车削模式图 1 磨料水射流车削示意Fig 1 Turning sketch of abrasive water jet
因素水平123水射流压力P/MPa190200210靶距 d/mm358进给速度 v/(mm·min-1)253035工件转速 n/(r·min
-1
)
51015
表 1 正交试验设计及结果检测Tab 1 Orthogonal experimental design and results checking