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《山东大学》 2014年
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超声振动辅助微细磨料水射流切割技术研究

张忠伟  
【摘要】:微细磨料水射流加工是一种新型特种加工技术,具有一定的应用前景,但是存在加工能力不足的问题。本研究提出引入超声振动作为另外一个动力源,来辅助微细磨料水射流的冲蚀加工。本文主要研究了超声振动辅助微细磨料水射流的冲蚀机理,分析了超声振动条件下各实验参数对被加工材料的材料去除率及切割深度、切割宽度的影响,并研制了超声振动动力工作台。 研究了超声振动辅助微细磨料水射流冲蚀单晶硅(单晶硬脆材料)、氧化铝和氮化铝陶瓷(多晶硬脆材料)时,各冲蚀参数对材料去除率的影响规律。实验发现,超声振动的引入可以提高微细磨料水射流冲蚀单晶硬脆材料及多晶硬脆材料的去除率。三种硬脆材料的去除率大致是随着磨料平均粒径、冲蚀角度、射流压力还有磨料流量的增加而增加的,对于靶距和超声振动功率则是存在一个最佳值。在相同条件下,各冲蚀参数影响材料去除率的显著程度从高到低依次为:磨料平均粒径、磨料流量、射流压力、冲蚀角度、超声振动功率和靶距。 研究了超声振动对微细磨料水射流冲蚀单晶及多晶硬脆材料影响的对比实验。结果表明,在超声振动条件下,三种硬脆材料的材料去除率均要高于无振动时的材料去除率。对超声振动条件下的冲蚀机理进行分析,材料的去除方式均是由于表面/亚表面裂纹的扩展、联结形成网状裂纹,导致材料以微小颗粒的形式从靶材母体上剥落,裂纹的长度较小,但是密度较大。超声振动可以使材料的硬度和断裂韧度具有动态特性,并通过波之间的干涉、对压力释放效应的促进作用、对微细磨料水射流气蚀的促进作用及对滞止层的削弱作用来实现材料去除率的提高。另外对于多晶硬脆材料,超声振动可以促使材料以晶间断裂的方式去除,材料主要以单晶粒呈颗粒状或以单层晶粒成片状剥落,从而提高了材料去除率。深入分析了单晶硅、氮化铝和氧化铝的正交实验,分别建立了三种材料基于最大材料去除率的超声振动辅助微细磨料水射流冲蚀工艺数学模型。 分析了超声振动动力工作台各部件在选型时应注意的问题及设计方法。重点分析了超声变幅秆的设计过程,经过仔细分析,选用指数形过渡段阶梯形复合超声变幅杆,并根据其波动方程分别计算了指数形过渡段阶梯形复合超声变幅杆的形状因数、放大系数、谐振长度及各段杆的长度。然后对设计的指数形过渡段阶梯超声变幅枉进行了ANSYS模态分析及谐响应分析。用传输矩阵法设计了多段式复合超声变幅杆。通过对比发现,多段式复合超声变幅杆更符合实际加工的需求。被加工工件是大小约为5×5mm的晶片或基板,常规的夹持方式很难实现工件在振动条件下的固定,因此设计了超声变幅杆的负压夹持机构。所设计工作台试制成功,各项指标基本达到设计要求。 研究了超声振动辅助微细磨料水射流切割单晶硅材料时,各工艺参数对单晶硅切割深度及切口宽度的影响规律。结果表明,磨料平均粒径较大、切割速度较小、射流压力较大、超声振动功率取最佳值时,得到的切割深度和切口宽度较大。靶距的影响主要表现为,随着靶距增大,切割深度存在一个最佳值,切口宽度增大。 分析了超声振动辅助微细磨料水射流切割氧化铝陶瓷的正交实验,结果表明,各工艺参数的显著程度从大到小依次为:磨料平均粒径、切割速度、射流压力、超声振动功率、靶距,并得到了切割深度的回归模型。研究了超声振动对微细磨料水射流切割单晶硅、氧化铝和氮化铝材料影响的对比实验,发现超声振动的引入提高了这三种硬脆材料的切割深度及切口宽度,并且减小了切口锥角。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TG664

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