超声振动辅助切削单晶硅的剥离去除机制.pdf

第 期 年 月组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 .文章编号:():./.收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()辽宁省教育厅科学研究经费项目()作者简介:冉迪()男满族工程师博士研究生研究方向为表面工程与摩擦学().超声振动辅助切削单晶硅的剥离去除机制冉 迪苑泽伟卞思文邓鑫华王 宁李予欣(.沈阳城市建设学院机械工程学院沈阳.沈阳工业大学.机械工程学院.工程实训中心沈阳)摘要:为探究超声振动辅助对单晶硅切削性能的影响揭示超声振动辅助切削的基底去除机制基于 力场和 力场采用分子动力学方法对不同振动频率和振幅的超声振动辅助切削行为展开研究 根据基底原子运动轨迹、刀具受力、基底势能、亚表面损伤、等效应力和原子去除数量的变化规律分析了超声振动辅助切削单晶硅的切削性能和去除机制 结果表明传统切削通过摩擦推挤方式去除原子超声振动辅助切削通过摩擦剥离方式去除原子 振动频率和振幅的升高均有利于降低刀具的切削力和法向力增加刀具的做功降低非晶层厚度增加基底原子去除数量超声振动辅助提高了单晶硅的切削性能和效率 研究结果可为单晶硅高效、高质量加工提供理论指导关键词:超声振动辅切削单晶硅剥离去除机制切削性能振动频率中图分类号:文献标识码:(.):.:引言单晶硅因其优异的半导体特性已作为超大集成电路的基础材料其较高表面质量可提高硅基半导体器件的性能和使用寿命 然而单晶硅的高硬度、高脆性使其在加工过程中极易发生表面/亚表面裂纹、相变等损伤最终影响成品器件的使用性能 尽管一些学者对硅的传统加工方法进行了研究但仍很难达到超精密、低损伤的加工要求 因此实现单晶硅高效、高质量的加工已成为当前制造领域的研究热点近年来超声振动辅助切削已被应用于脆硬性材料的加工研究表明超声振动辅助切削可降低磨削力、表面粗糙度和切削温度 然而由于实验和检测条件的限制超声振动辅助下的纳米切削机理还尚不清楚分子动力学方法()作为揭示材料原子级损伤和变形机理的有效手段已被广泛应用于超精密切削和磨削中 张法等采用 方法模拟了金刚石磨粒在石墨烯润滑下的单晶硅机械抛光过程结果表明石墨烯的润滑可以较好地改善单晶硅抛光后的表面质量降低材料的去除效率 周玉琪等采用 方法研究了单晶硅抛光后纳米裂纹的演化过程结果表明原子协同位移和相变原子填充成为单晶硅裂纹愈合的主要方式 等采用 方法模拟了椭圆振动辅助金刚石切割碳化硅的过程结果表明相比于传统加工方式振动辅助加工降低了切削力抑制了裂纹的扩展为了更好地了解超声振动辅助切削对单晶硅切削性能的影响揭示超声振动辅助切削的基底去除机制本文采用 方法对传统切削和超声振动辅助切削进行了对比研究结合振动频率和振幅的影响对切削机制、刀具受力、基底势能、亚表面损伤、等效应力、原子去除数量进行了分析探究了超声振动辅助切削对单晶硅切削性能和去除机制的影响可为单晶硅高效、超精密加工技术的发展提供理论指导 分子动力学计算本文建立了超声振动辅助切削单晶硅的分子动力学模型如图 所示模型中包含了基底和刀具 基底的材质为单晶硅在、方向的尺寸分别 沿、方向的晶向指数分别为、基底分别由固定层、恒温层和牛顿层所组成厚度分别为 、和 其中固定层可防止基底在刀具切削的作用下发生整体移动恒温层用于控制体系的温度牛顿层可体现刀具切削下的基底动态变化较厚的牛顿层可减小边界效应对基底形变所产生的影响 刀具的材质选为金刚石将其设为半径 的圆球并置于基底牛顿层的正上方刀具在、方向的晶向指数分别为 、在切削的过程中刀具被设定为刚体即不考虑切削过程中刀具形变对基底切削性能的影响图 超声振动辅助切削单晶硅分子动力学模型模拟过程中、方向均采用周期性边界条件以减少模拟尺度的影响 方向采用自由边界条件模拟时间步长设定为 首先对体系进行能量最小化使体系达到平衡构型随后将体系置于正则系综()条件下弛豫 使用 控温算法将体系温度控制在 最后将刀具沿 方向下压 沿 方向以/的速度在单晶硅表面切削 切削的过程中同时沿 向对刀具施加一定频率和幅度的振动使刀具的切削运动轨迹为正弦形式具体参数设置如表 所示 刀具运动轨迹如式()和式()所示:()()()()()式中:()和()分别为刀具在 和 方向上的位移为刀具沿 方向的切削速度 为对应的切削时间和 分别为刀具的振幅和振动频率表 超声振动辅助切削参数设置设置项目设置参数切削深度/切削速度/()切削长度/振动频率/振动幅度/势函数的准确性对模拟结果的可靠性有着重要的影响 势函数通常用于描述共价体系中原子间的相互作用常用于描述硅()和碳化硅()原子之间的表面重建和晶格缺陷适合于模拟纳米切割工艺 因此本文同样采用 势函数描述基底内 的相互作用而由于金刚石刀具已被设定为刚体因此不考虑刀具内部 的相互作用为了提高计算效率基底与刀具的 相互作用采用 势函数表达如式()所示:()()()()式中:()为体系能量为原子间的距离 文中结合能.弹性模量 .两个原子之间的平衡距离 .模拟过程中采用 算法进行计算每隔 步输出计算结果进行分析整个过程采用 软件进行建模、加载与计算采用 软件进行可视化处理 结果及分析.切削机制分析为了揭示超声振动辅助切削的基底去除机制将模型基底原子沿 轴中线向两侧划分成 个区域区域宽度为 每个区域采用不同颜色原子进行标记以追踪基底原子在刀具切削下的运动轨迹 图 为传统切削和振动辅助切削条件下基底原子的运动轨迹和 向位移其中振动辅助切削的振动频率和振幅分别为 和 如图 所示传统切削方式划切后的基底表面原子排列较为整齐基底被划切到的面积较小基底原子在刀具前端产生了大量的堆积堆积原子在 向有较大的位移 如图 所示超声振动辅助切削划切后的基底表面原子排列较为混乱基底被划切到的面积较大基底原子在刀具前端有一定量堆积同时在刀具两侧也产生一定的原子堆积刀具前端和侧向堆积原子的 向位移大小相近 这是由于传统切削方式中刀具的切削运动为直线运动切削路径较为单一基底原子受到刀具的摩擦和推挤作用会在刀具前端产生大量堆积当达到一定推挤高度后刀具持续的推挤作用使一部分原子规则的沿刀具侧向流向刀具两侧而另一部分原子被推挤至基底内部造成基底的损伤形成了摩擦推挤的切削机制 而在超声振动辅助切削中刀具运动是由 向的切削运动和 向的往复振动所组成刀具路径为正弦形式因此刀具沿 向摩擦和推挤基底原子的同时 向振动会将刀具前端的原子逐层的剥离至刀具两侧进而增大了基底原子的流动性增大了刀具的切削面积增加了组合机床与自动化加工技术 第 期刀具两侧的原子堆积高度减小了刀具前端堆积高度减少了前端阻碍刀具运动的原子数量形成了摩擦剥离的切削机制 当刀具振动频率越高刀具的振动轨迹越密集单位切削距离下刀具剥离原子的次数越多单次剥离基底原子层的厚度变得越薄 当振幅越大刀具可将基底原子剥离至较远的位置增大了切削面积增加了可剥离的基底原子数量()传统切削()超声振动辅助切削图 基底原子运动轨迹和 向位移.刀具受力分析传统的切削方式与超声振动辅助切削相比可被视为振动频率为 或振幅为 的振动切削 本文将刀具所受、方向的力分别定义为切削力、摩擦力、法向力 图 为振动幅度 不同振动频率条件下刀具所受切削力、摩擦力和法向力随切削距离的变化关系 如图 所示因刀具 方向的振动使刀具前端的基底原子被剥离至刀具两侧减少了阻碍刀具 向运动的基底原子数量因此超声振动辅助切削明显降低了刀具的切削力和法向力并使摩擦力在均值为 的平衡点往复振荡这与 等关于振动辅助切削可降低氮化镓切削力的结果一致 随着振动频率的逐渐增大切削力和法向力均依次降低且切削力的波动幅度也在逐渐减小这是由于振动频率越大刀具剥离原子的次数越多减少了刀具前端的堆积原子数量也使得刀具单次剥离基底原子层的厚度变薄进而减小了切削力和法向力减小了切削力的波动幅度 由于 的振动频率较低已接近于传统切削频率 刀具的切削运动轨迹并未发生重合因此切削机制与传统切削机制一致这也使得切削力、摩擦力和法向力均与传统切削相近而当振动频率超过 时刀具切削运动轨迹已发生重叠因此有明显的超声振动辅助切削特性 图 中的切削力、摩擦力和法向力的振动频率均与刀具的振动频率密切相关其中摩擦力与刀具振动频率一致而切削力和法向力的振动频率均为刀具振动频率的 倍 如图 所示超声振动辅助切削时摩擦力在切削中线上、两点分别达到最大值和最小值在刀具振动极限位置 点为零切削力和法向力将在切削中线上 点分别达到最大值和最小值而在振动极限位置 点分别达到各自的最小值和最大值图 为振动频率为 不同振幅条件下的切削力、摩擦力和法向力随着切削距离的变化关系 如图 所示随着刀具振幅的增大刀具所受切削力和法向力均依次降低这是由于刀具较大的振幅可将基底原子剥离至刀具两侧较远的位置当刀具切削基底原子时减少了两侧堆积原子对刀具前端堆积原子流动性的影响减小了原子侧向流动的阻力进而降低了切削力和法向力 由于刀具振动频率相同刀具单次剥离基底原子层厚度相近因此不同振幅条件下的切削力波动幅度也相近切削力、摩擦力和法向力的振动频率也相同 由于振动频率较高刀具轨迹较为密集因此即使在较小振幅 条件下超声振动辅助切削的切削特性也较为明显图 不同振动频率下切削力、摩擦力、法向力随切削距离的变化关系图 不同振幅下切削力、摩擦力、法向力随切削距离的变化关系.势能分析图 为振动幅度为 不同振动频率条件下基底势能随切削距离的变化关系 如图 所示传统切削和超声振动辅助切削条件下基底势能均随切削距离的增大而增加这是由于随着切削距离增大刀具所切削的基底原子数量增多刀具对基底的摩擦和形变做功越多 由于超声振动辅助切削增加了基底 向的可切削原子数量因此超声振动辅助切削相较于传统切削方式势能增加的更为明显 的超声振动辅助切削机制与传统切削机制相近因此势能增加形式和幅度也相近而当振动频率超过 后基底势能的增幅和振幅较大可明显体现超声振动辅助切削的特性、振动频率条件下基底势能增幅相近这是由于振动频率超过 后刀具切削运动轨迹已发生重合切削所能覆盖的基底原子数量相近对基底的摩擦和形变做功也相近 超声振动辅助的切削使基底势能以波动的方式逐渐增加振荡频率随着刀具振动频率的增大而增大且振荡频率均为刀具振动频率的 倍图 为振动频率为 不同振幅条件下基底势能随切削距离的变化关系 如图 所示传统切削和超声振动辅助切削条件下基底的势能依然随划切距离的增大而增加 基底的势能随着刀具振幅的增大而明显增加这是由于较大的振幅增大了刀具的切削面积刀具沿 向可划切到更多数量的基底原子刀具对基底的摩擦和形变做功更多因此刀具振幅越大基底势能增加越明显 不同振幅条件下基底的势能均以波动的方式升高且振荡频率相同但振荡幅度随着振幅的增大而增大这是由于振幅越大刀具 向往复运动的路径越长对基底原子的做功差异越大因此势能振荡幅度越大 年 月 冉 迪等:超声振动辅助切削单晶硅的剥离去除机制图 不同振动频率下基底势能随切削距离的变化关系图 不同振幅下基底势能随切削距离的变化关系.亚表面损伤分析传统切削和超声振动辅助切削过程中刀具切削会使基底原子受到较大的相互作用力基底表面规则的晶格结构会在刀具挤压的作用下变得混乱在基底表面形成非晶态结构产生亚表面损伤影响工件的使用性能因此降低切削过程中非晶层的厚度具有重要的意义 本文将切削后的基底表面非晶原子的 向最大和最小位移差值视为非晶层厚度图 为基底表面非晶层厚度随振动频率和振幅的变化关系 如图 所示超声振动辅助切削相比于传统切削(或 )可明显降低非晶层厚度这与 等关于振动辅助切削降低基底亚表面损伤的结果一致 除 振动频率外非晶层的厚度均随着振动频率的增大而降低这是由于较大的振动频率降低了单次刀具剥离的基底原子层厚度基底被摩擦和挤压的原子运动空间更充足进而减小了基底原子的相互作用力减少了被挤入基底内部的原子数量降低了非晶层厚度 而较低振动图 非晶层厚度随振动频率和振幅的变化关系频率的切削机制与传统切削机制相同仍有较多基底表面的原子被挤压进基底内部因此非晶层厚度并未降低 图 中一定振幅的超声振动辅助切削有利于降低基底原子非晶层的厚度但未能直观体现出振幅与非晶层厚度的关系.等效应力分析等效应力屈服准则被广泛用于评价材料的屈服性能 图 为基底的最大等效应力随刀具振动频率和振幅的变化关系 如图 所示超声振动辅助切削相较于传统切削方式提高了切削过程中基底的等效应力且较高的等效应力位置集中在基底与刀具的接触区域 随着刀具振动频率的不断增大基底的等效应力明显增大这是由于超声振动辅助切削运动由 向的往复运动与传统切削运动所组成当刀具的振动频率升高时 向往复运动速度增大从而提高了刀具的整体运动速度刀具整体速度的提升可提高基底原子间的相互作用力进而增大了基底的等效应力 由于 的振动辅助切削与传统切削机制相近基底的等效应力也相近 图 中一定振幅的超声振动辅助切削提高了基底的等效应力但未能直观体现出振幅与基底等效应力的关系 图 为基底的等效应力分布如图 所示传统切削方式中由于刀具运动为直线运动因此基底的等效应力值较为稳定较大的等效应力区域长期集中在刀具的下前方此时刀具前端将长期受到基底的磨损 如图 所示在超声振动辅助切削中由于刀具的运动速度为正弦形式因此基底图 等效应力随刀具振动频率和振幅的变化关系的等效应力值有一定波动较大的等效应力区域交替的集中在刀具的左前端和右前端刀具的可磨损面积增大此时虽然刀具所受的等效应力较大但可交替承受来自基底的磨损也一定程度上减轻了刀具表面的磨损()传统切削()超声振动辅助切削图 基底的等效应力分布.原子去除量分析较高的原子去除量可提高机械加工效率本文将刀具切削后高于原基底表面的原子视为去除原子 图 为基底的原子去除数量随振动频率和振幅的变化关系 如图 所示超声振动辅助切削相较于传统切削增加了基底原子的去除数量提高了机械加工效率随着振动频率的增大基底的原子去除数量明显增加这是由于较大的振动频率增大了刀具路径的密集程度减少了单次剥离基底原子的数量使基底原子运动空间更充分可减少被挤压进基底内部的原子数量进而使更多的原子被剥离至刀具两侧提高了基底原子的去除数量这一点在非晶层厚度随振动频率的增大图 原子去除数量随振动频率和振幅的变化关系而减小中也有所体现此结果与 等振动辅助切削的结果一致 随着振幅的不断增大基底原子的去除数量也不断增加这是由于刀具 向往复运动路径越长刀具可剥离到的基底原子越多因此提高了基底的原子去除数量 结论本文采用分子动力学方法研究了超声振动辅助切削对单晶硅切削性能的影响揭示了超声振动辅助切削的基底去除机制得出了以下结论:()传统切削和超声振动辅助切削的基底原子去除机制不同传统切削通过摩擦推挤的方式去除基底原子而超声振动辅助切削通过摩擦剥离的方式去除基底原子(下转第 页)组合机床与自动化加工技术 第 期 .():.():.():.李文川章鑫高思源.制造/再制造企业 技术采纳的投资决策分析.计算机集成制造系统():.崔鹏浩王军强张文沛等.基于深度强化学习的流水线预测性维护决策.计算机集成制造系统():.(编辑 赵 蓉)(上接第 页)()超声振动辅助切削相较于传统切削方式降低了刀具的切削力和法向力增加了刀具对基底的做功提高了基底的势能降低了非晶层厚度减小了基底亚表面损伤增加了基底的原子的去除数量提高了机械加工效率()较高的切削振动频率增加了刀具剥离基底原子的次数降低了单次剥离原子的数量使基底原子运动空间更加充分有利于降低切削力和法向力降低非晶层厚度提高原子去除数量()较大的切削振幅增大了刀具对基底的切削面积使刀具可划切到更多的基底原子有利于降低切削力和法向力增加刀具对基底的做功提高原子去除数量()超声振动辅助切削引入了周期性的可变摩擦力增大了基底的等效应力将对刀具的刀体疲劳寿命和表面磨损产生一定影响参考文献 葛培琪陈自彬王沛志.单晶硅切片加工技术研究进展.金刚石与磨料磨具工程():.():.():.():.():.():.张瑜康仁科高尚等.湿式机械化学磨削单晶硅的软磨料砂轮及其磨削性能.机械工程学报():.夏菁菁余俊王占山等.单晶硅化学机械抛光划痕演变研究.光学学报():.贾祯李淑娟麻高领等.单晶硅的磨削辅助电火花线切割机理研究.中国机械工程():.():.:.():.():.:.():.():.张法戴厚富.金刚石磨粒在石墨烯润滑下三体抛光单晶硅的分子动力学研究.组合机床与自动化加工技术():.周玉琪戴厚富周林莉.三体抛光过程中单晶硅内纳米裂纹的演化研究.组合机床与自动化加工技术():.():.:.():.:.():.():.():.():.(编辑 赵 蓉)组合机床与自动化加工技术 第 期