Horní hranice poloměru okraje nástroje pro řezání křemíkové destičky z tvárné výbavy v nulové rovině

  1. Úvod

  Bylo zaznamenáno [1-11], že křehké materiály, jako je křemíkový plátový materiál, mohou být zpracovány v tvárném režimu za určitých podmínek vytváření třísek. Tyto podmínky dominují stresové podmínky ve vytváření čipůkteré mohou být generovány určitou geometrií nástrojů a podmínkami řezání, jmenovitě tloušťkou deformovaného čipu a poměrem deformované tloušťky čipu k poloměru řezné hrany nástroje. Bylo zjištěno [12], že při řezáníz křehkých materiálů, jako je karbid wolframu a křemíková destička, může být dosaženo tvoření z tvárné formy, pokud je nerozformovaná tloušťka čipu menší než poloměr řezné hrany nástroje a poloměr řezné hrany nástroje je malýV tomto případě bylo zjištěno, že pro řezání karbidu wolframu a křemíkové destičky z tvárné módy byl zjištěn poloměr okraje nástroje v měřítku mikrometru a nanometru. Vzhledem k tomu, že použití průmyslových řezů v tvárných režimech,například v průmyslu výroby oblázků, kde je vždy požadována vysoká rychlost výroby, vysoká rychlost odstraňování materiálu při řezání tvárným způsobem, by se očekával, že poloměr řezné hrany nástroje bude co možná největší, takžedlouhá, jak zůstává tvorba čipů v tvárném režimu. Proto je třeba určit horní hranici poloměru řezné hrany nástroje pro řezání křehkého materiálu tvárným způsobem. V této studii byly pokusy o řezáníprováděné k určení horní hranice poloměru okraje nástroje při řezání jednostranně krystalického křemíku v tvárném režimu. Výsledky ukázaly, že horní mez poloměru okraje nástroje pro řezání křemíku z tvárné módy je mezi 700až 800 nm.

  Experimentální detaily

  Stroje, nástroj a obrobek

  Experimenty na obracení obličeje z křemíkové desky byly prováděny na ultra-přesném soustruhu (Toshiba ULG-100C) s rozlišením polohování 10 nm pomocí diamantových nástrojů. Obrázek 1 zobrazuje nastavení pro ultra-přesné otočení obličejeních. Jako vzorky byly použity desky z křemíku (111) o průměru 100 mm, o tloušťce 0,5 mm a s lapovaným povrchem. Oplatky byly nalepeny na hliníkové polotovary za použití tepelně změkčeného lepidla a poté byly vakuově zachyceny na vřetenu stroje. Jakovrstva lepidla nemusí být rovnoměrně rozložena, před začátkem pokusů byly provedeny řezné plochy (předřezání), aby se zajistilo, že povrch křemíku je extrémně plochý. Řezání probíhalo za použití jednokrystalových diamantových nástrojůšesti různých poloměrů ostří. Jejich geometrické parametry jsou uvedeny v tabulce 1.

  Řezná geometrie

  Obr. 2 schematicky znázorňuje ortogonální pohled na tvorbu čipu v řezném klouzavém řezání křehkých materiálů s nástrojem majícím velký negativní úhel sklonu a obloukovou řeznou hranu, kde DE je čelní plocha nástroje, BD je řezání obloukuokraje, BC je plocha boku nástroje, K je bod na oblouku 656 Směr řezuostří BD, O je střed oblouku BD, AB je zakřivená smyková rovina, γ je úhel sklonu nástroje, β je střední úhel tření mezi čipem a nástrojem, γk je místní úhel sklonu v bodě K na břituBD, r je poloměr řezné hrany, ac je nedeformovaná tloušťka čipu, ao je tloušťka čipu, Fr je výsledná síla nástroje, Fc je řezná síla, Ft je tahová síla, Fs je smyková síla na střihu rovina, Fns jenormální síla na rovině střihu, Ff je třecí síla na čelu nástroje a Fn je normální síla na čelní straně nástroje. Oba γ a γk jsou ve velkých záporných hodnotách.

  Podmínky řezu

  Podmínky řezání ultra-přesného otáčení obličeje

  Na obr. 2 je schematicky znázorněna tvorba čipů při tvárném řezání křehké drážkované a otáčené tyče z hliníkové slitiny, které byly drženy sklíčidlem soustruhu s CNC. Různé diamantové řezné hrany mohou být dosaženy ovládánímlapping čas.

  Štěpky byly shromažďovány pomocí oboustranné pásky, která byla nastavena na čelní plochu hřídele diamantového nástroje. Obrobená povrchová struktura povrchu a čipové formace byly zkoumány pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) (JEOL JSM-5500).

  Obrys povrchové obrobky obrobku byl zkoumán pomocí mikroskopu atomové síly (AFM). Drsnost povrchu opracovaných křemíkových plátků byla zkoumána za použití Formtraceru (Mitutoyo CS-5000).

  Pokusy jsou uvedeny v tabulce 2. Vezměte prosím na vědomí, že v pořadí aby studoval pouze vliv poloměru okraje nástroje na tvorbu čipu, byl poměr podtlakové tloušťky čipu k poloměru okraje nástroje udržován jako téměř konstantní ve všech řezacích zkouškách. Suché řezání bylo provedeno za účelemsběr třísek.

  Měření

  Poloměr řezné hrany diamantového nástroje byl měřen metodou odsazení [13] pomocí mikroskopu pro atomovou sílu (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). Počáteční poloměr hrany okraje byl 23 nm. K dosažení velkého diamantového nástrojepoloměr řezného břitu byl navržen speciální proces lisování, jak je znázorněno na obr. 3.

  Výsledky a diskuse

Lom na obráběném povrchu

  SEM a AFM fotografie obrobených povrchů křemíkových destiček dosažených při řezání křemíkových plátků pomocí diamantových nástrojů s různými poloměry ostří při řezné rychlosti 150 m / min jsou znázorněny na obr. 4 a 5. Propoloměru okraje okraje diamantu 23, 202, 490, 623 a 717 nm byla provedena jedna zkouška za podmínky, že deformovaná tloušťka čipu byla menší než poloměr okraje nástroje a druhá zkouška byla provedena za podmínky, ženedeformovaná tloušťka čipu byla větší než poloměr okraje nástroje. Pro okraj okraje nástroje s kosočtvercem 807 nm byly provedeny oba testy za předpokladu, že nedeformovaná tloušťka čipu byla menší než poloměr okraje nástroje.

  Jak pozorování SEM, tak AFM ukázaly, že když poloměr řezné hrany nástroje nebyl větší než 807 nm a tloušťka deformovaného čipu byla menší než poloměr ostří nástroje, obrobené povrchy obrobku byly velmi hladké ana povrchu byly jasně zobrazeny značky krmení, jak je znázorněno na obr. 4 a 5, které ukazují, že řezání bylo prováděno v režimu tvárné. Na druhou stranu, když byla nerozformovaná tloušťka třísky větší než řezání tabulky 2podmínky657 přesných řezných testů Ne. Poloměr okraje nástroje r (nm) Rychlost řezání Posuv f (μm / rev) Hloubka řezu ao UCT ac (nm)

poloměr ostří nástroje, obrobené povrchy obrobku byly velmi drsné a zlomené,což ukázalo, že řezání bylo prováděno v křehkém režimu. Nicméně, když poloměr řezné hrany nástroje dosáhl 807 nm a dokonce i nedeformovaná tloušťka čipu byla mnohem menší než poloměr řezné hrany nástroje, obrobený obrobekpovrchy byly velmi hrubé a zlomené, což ukazuje, že řezání bylo prováděno v křehkém režimu za podmínek řezání. Bylo pravděpodobné, že poloměr řezné hrany nástroje 807 nm by měl být horní hranicí pro tvárný režimřezání křemíkových plátků. V důsledku toho, aby bylo dosaženo řezání křemíkových plátků tvárným způsobem, musí být splněny dvě podmínky: (1) poloměr okraje nástroje s kosočtvercem musí být menší než 807 nm a (2) nedeformovanýtloušťka čipu musí být menší než poloměr ostří nástroje.

  Tvorba čipů

  SEM fotografie čipů vytvořených při řezání křemíkových destiček pomocí diamantových nástrojů s různými poloměry řezné hrany při řezné rychlosti 150 m / min jsou znázorněny na obr. 6. Zkoušky byly provedeny za podmínek uvedených v sekci. 2.3.

Otáčející se drážkovaná hliníková lišta

  Bylo zjištěno, že když poloměr řezné hrany nástroje nebyl větší než 807 nm a nerozformovaná tloušťka čipu byla menší než poloměr řezné hrany nástroje, tvorba čipu byla v tvárném režimu, který lze identifikovat podlečipy, jak je znázorněno na obr. 6. Jak bylo uvedeno výše, takovéto nepřetržité štěpky byly podobné při vytváření třísek při řezání tvárných materiálů, kde tvorba čipů dominuje vykloubení. Na druhou stranu, kdyžnedeformovaná tloušťka čipu byla větší než poloměr řezné hrany nástroje, získané třísky se zdají být vytvořeny v nepravidelných tvarech, což ukazuje, že štěpky se pravděpodobně tvoří v křehkém režimu. Nicméně, když byl dosažen poloměr ostří nástroje807 nm a dokonce nedeformovaná tloušťka čipu byla mnohem menší než poloměr řezné hrany nástroje, získané štěpky ukazují, že řezání bylo prováděno v křehkém režimu za podmínek řezání. To bylo věřil, že nástroj řezánípoloměr okraje 807 nm by měl být horní hranicí pro dosažení tvárného řezání křemíkových plátků z tvárné módy, což bylo rovněž ukázáno v povrchové topografii obráběného obrobku. Proto musí být splněny dvě podmínky(1) poloměr hrany nástroje s kosočtvercem musí být menší než 807 nm a (2) nerozformovaná tloušťka třísky musí být menší než poloměr řezné hrany nástroje.

Drsnost obráběného povrchu

 Diamantový nástroj

 Obr. 3 Schéma zapouzdření řezných hran diamantových nástrojů

Diamantová suspenze

  Drsnost povrchu obráběného obrobku byla zkoumána pomocí nástroje Formtracer. Obr. 7 znázorňuje vliv poloměru řezných hran diamantových nástrojů na drsnost povrchu Ra obráběných křemíkových destiček. Když poloměr okraje nástroje nebylvětší než 807 nm, hodnoty Ra mírně vzrostly se zvětšením poloměru okraje nástroje. To může být způsobeno zvýšením rychlosti posuvu nástroje při řezacích zkouškách, jak je patrné z obr. 4. Bylo zjištěno, že velmi dobrý povrchintegrita byla dosažena při řezání z tvárné módy, když byly splněny obě podmínky. Nicméně, když poloměr okraje nástroje dosáhl 807 nm, hodnota drsnosti povrchu Ra dramaticky vzrostla, což ukazuje, že tento poloměr okraje bylhorní hranice pro dosažení658

Obr. 4 Fotografie SEM obráběných povrchů křemíkových plátků pod různou deformovanou tloušťkou čipu s různým poloměrem s hladkým poloměrem. Hlavním důvodem je, že při těchto podmínkách bylo dosaženo řezání křehkým režimem. Žeje řezací režim významný vliv na hodnoty drsnosti povrchu Ra.

Obr. 5 AFM fotografie obrobených povrchů křemíkových destiček pod různou deformovanou tloušťkou čipu s různým poloměrem okraje nástroje

  Diskuse

  Bylo zaznamenáno [14], že klíčovým předpokladem pro tvorbu čipu s tvárným modelem při řezání křehkých materiálů jeextrémně velké tlakové napětí, které je tak velké, že šíření trhlin materiálů předcházejících defektů je promítnuto a tvorba čipů je dominována emisí dislokace. Průměrné normální tlakové napětí, σc působící nakontaktní plocha mezi řezným nástrojem a obrobkem z křemíkové desky, Ac lze vyjádřit.

Obr. 6 SEM fotografie čipů vytvořených při řezání křemíkových destiček pod různou deformovanou tloušťkou čipu s různým poloměrem okraje nástroje

Obr. 7 Vliv poloměru ostří na diamantový nástroj na drsnost povrchu obrobených křemíkových destiček

  Obrázek 8 Vztah mezi výslednou řeznou silou Fr; kontaktní plocha obrobku, Ac; střední normální tlakové napětí σc a poloměr řezné hrany nástroje, rkde rc ¼ ac = ao je řezný poměr a kAB je smykové proudění podél zakřiveného smykového povrchu AB.

  Při řezání křehkých materiálů, jako je křemík, může být dosaženo tvoření z tvárné formy, když je neroztvořená tloušťka čipu menší než poloměr okraje nástroje. Tak, pro tvárné řezání křehkých materiálů, výslednýřezná síla Fr.

  Monotónně s poloměrem řezné hrany nástroje r. Ekv. 4 ukazuje, že plocha kontaktu nástrojového obrobku Ac se monotonně zvyšuje s poloměrem řezné hrany nástroje r. Odpovídající výsledné síle řezné síly Fr,plocha kontaktu obrobku Ac, střední normální tlakové napětí σc jako u ekv. 1 zpočátku klesá postupně s poloměrem hrany nástroje r a pak rychle klesá s r, když Ac rychle roste s r.by měl být menší, tím lépe a musí existovat horní hranice poloměru okraje nástroje pro každý materiál obrobku, nad nímž není řezání v tvárném režimu. V experimentech této studie je tato horní hranice nástroje.

Uvažujme kontaktní plochu nástrojového obrobku Ac = f (r, ac R, γ), neboť u daného jediného řezného nástroje s krystalickým diamantem je poloměr rohu nástroje, R a úhel sklonu γ konstantní, poloměr řezné hrany v tvárné režim řezáníkřemíková destička byla ukázána jako 807 nm.

  4. závěr

  V této studii byl zkoumán vliv poloměru řezné hrany nástroje na formování třísek a obrobený povrch obrobku v nuceném řezání křemíkových plátků z tvárné formy. Výsledky ukazují, že existuje horní hranicehodnota pro poloměr řezné hrany nástroje, nad níž se režim vytváření čipů mění z tvárné na křehké, i když nedeformovaná tloušťka čipu zůstává menší než poloměr okraje nástroje. To může být způsobeno poklesemtlakové napětí v zóně tvorby čipů, jak je popsáno v sekci. 3.4. V důsledku změny řezného režimu z tvárné na křehké, když je poloměr okraje nástroje větší než horní hranice, obrobený povrch obrobkubude zlomena, což způsobí výrazné zvýšení obrobené drsnosti povrchu. Při řezacích zkouškách této studie bylo zjištěno, že horní hraniční hodnota pro řezání křemíkových oblátkových materiálů s jednokrystalovým diamantovým nástrojem je mezi700 až 800 nm.