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磨粒线切割中的流体行为研究

林麟  
【摘要】:近几年来,随着光伏、光电产业的迅猛发展,磨粒线锯切割技术已经成为了脆性材料切片加工的主要方式。在磨粒线切割中,流体具有润滑,冷却加工区域,携带自由磨粒参与加工以及带走废屑等诸多重要作用。目前随着生产领域出现的加工材料尺寸增加、磨粒线锯直径变细、线锯切割速度提高、多线切割替代单线切割等多项挑战,使得线切过程中切割面积更大、锯缝更窄,工况更为复杂,这些对磨粒线切割中的流体行为的研究提出了全新的挑战。本课题针对于磨粒线切割的发展趋势与面临的问题,系统的探究了两种不同供液方式下的流体行为。分别研究了液流供给于锯缝处的供液方式下,液体沿锯缝的铺展行为以及锯切通道内的液体运动行为;以及在液流施加于锯丝上,由运动锯丝带入锯切区域的供液方式,液体在单线切割及多线切割情况下的液体运动行为。论文的主要工作及重要结论如下:(1)论文采用数值仿真为主,实验验证为辅的研究方法,利用CFD软件建立起了线锯在不同切割状态下的仿真物理模型,模型中充分考虑了流体的流动状态以及流体的表面张力、接触角等因素的影响。成功的仿真出了液体沿锯缝铺展行为以及锯切通道中的液体运动行为;通过高速摄像机实验记录了实际加工状态下的液体铺展行为及液体流动行为。仿真与实验之间有较好的吻合性,证实了仿真模型的正确性。(2)液体从晶圆外部沿锯缝进入到锯切弧区时,液体在锯缝中的铺展行为可分为三种不同状态:(i)液体以弧形扩散界面自上而下扩散;(ii)由于液流层包裹锯缝而形成的气室现象;(iii)液体不能进入锯缝内铺展。随着锯缝宽度、液体粘度、液体表面张力和入口速度等参数的改变,这三种铺展状态可以相互转化。导致液体在锯缝中铺展状态不同的主要原因是:在不同条件下,锯缝中液体所受的主导作用力各不相同。(3)液流直接供给于锯缝处的供液方式中,走丝速度及液体粘度、表面张力等的变化,会导致锯切通道中的液体从相对饱和、稳定的流动状态向微气泡夹带的气/液两相流的状态转变,严重时会导致锯切通道几乎没有液体而出现大面积空气层。锯切通道中产生空气夹带现象的主要原因是:在锯丝的走丝速度以及液体的物理属性等因素的影响下,液体与锯丝的接触角大于180°,使得运动锯丝将空气带入锯切区域内。(4)液流直接供给锯丝的供液方式中,常规加工参数下,无论是单线切割还是多线切割,锯切通道内锯丝与工件接触缝隙中可以较好的充满液体;但走丝速度以及液体属性的改变会引起锯切通道中非接触区液体状态的明显变化。液体粘度和表面张力的降低,有利于保证锯切通道内液体状态的相对饱和与稳定,同时可以使锯切通道内压力分布更为稳定。相比于单线切割而言,多线切割中,中间区域锯丝的锯切通道内的液体分布更为饱和,这导致排布在中间的锯切通道内动压力分布较为稳定。(5)液流直接供给锯丝的供液方式中,对于多线切割,液体在运动线网的状态可以分为四类:(i)液流在运动线网上形成出均匀而稳定的液膜。(ii)液流在运动线网上形成不均匀分布的液膜,同时液膜的状态不稳定。(iii)液流在线网上没有形成液膜,但在每根锯丝上形成了厚度较为均匀的液体层。(iv)液流在单根锯丝上会形成厚度不均匀的液体层,且锯丝的局部区域无法被完全包裹。当走丝速度和排线间距较小时,线网上容易形成均匀的液膜;反之线网上则难以形成均匀液膜。(6)对比两种不同的供液方式可以发现:在液体施加于锯丝的供液方式下,锯丝与工件接触缝隙内的液体更容易保持稳定状态,接触区域的压力分布较为稳定;但非接触区域的液体状态相对容易产生波动;在液体施加于锯缝的供液方式下,非接触区域的液体压力分布基本稳定;然而接触缝隙内容易出现不稳定的液体状态,压力分布波动较大。本论文的研究成果为深入理解线锯切割行为,优化线锯切割过程提供了理论依据,并具有较好的实际指导意义。


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