磨粒加工
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-20
磨粒加工的實例教程
磨粒加工SPH工件溝槽的形成
單顆磨粒加工單晶碳化硅對橫向裂紋的模擬
基于FEM-SPH耦合算法的磨粒仿真研究
1.工程背景
隨著半導體行業的蓬勃發展，單晶碳化硅作為典型的第三代半導體材料被廣泛應用于集成電路生產、光學襯底材料制備等加工過程中，晶片表面質量的好壞直接決定了半導體器件的使用性能及工作壽命[1-2]，這也就對以單晶碳化硅為代表的光學材料的加工質量提出了更高的要求，其中在研磨拋光過程中產生的表面/亞表面損傷缺陷（見圖1-1亞表面損傷示意圖）是影響晶片性能的重要因素，而對損傷層（SSD）中的裂紋產生、擴展表征與控制更是不容忽視。通常，通過研磨拋光單晶碳化硅晶片實驗來觀測裂紋是行之有效的手段，但裂紋產生、擴展是一個復雜的動態過程，通過實驗后觀測的手段顯然與晶片表面裂紋擴展的真實情況相差甚遠，其次單晶碳化硅屬于典型的硬脆材料，其在加工過程中的裂紋產生、擴展往往在微秒間完成，這也是難以用實驗的手段對裂紋擴展進行觀測的另一原因。因此本文采用ANSYS/LSDYNA軟件建立了單顆磨粒劃擦單晶碳化硅模型，通過仿*真手段來分析單晶碳化硅在研磨加工過程中的裂紋產生及擴展情況。
2.研磨加工模型分析及模型簡化
2.1研磨原理
固結磨磨料研磨加工系統主要由研磨盤、載物盤、研磨液供給系統組成。研磨時，向下壓力P使緊貼上盤面作自轉運動的工件與下盤面接觸作公轉，依靠相對運動實現磨粒對工件的研磨加工[3]。研磨加工系統及示意圖如圖2.1所示。本文所采用的圖案磨盤為課題組自行設計的雙圖案排布磨盤，在實驗中表現出比傳統圖案磨盤更高的效率和加工精度，其微粉金剛石磨粒通過釬焊技術排布在磨盤上，釬焊效果圖如圖2.2所示。此外因研磨相對磨削具備更低的轉速，在加工過程中的散熱及振動很小，故忽略加工系統的振動及研磨液對磨粒加工的熱作用。
展開 本帖以典型的材料大變形問題磨粒切削加工引起的加工損傷為案例講解損傷歷史變量的定義與輸出步驟。
在我們沒有更好的文獻參考時，官方仿真軟件的幫助文檔是一個最佳的選擇。以下提供在LSDYNA中具體查閱歷史變量定義的鏈接如下，
History Variables for Certain Material Models — Welcome to the LS-DYNA support site.
基于此，必須首先定義目標歷史變量如圖1所示。具體通過，在關鍵字 *DATABASE_EXTENT_BINARY中定義NEIPH 或 NEIPS 實現。這里NEIPH 或 NEIPS 只能填入具體的數字加以定義材料具體哪些的歷史變量。
圖1
具體以此為例：為輸出磨粒切削加工引起的工件損傷，首先找到對應的工件材料編號110（工件為K9玻璃，采用JH-2本構），可知損傷因定義為2如圖1所示，故在NEIPH輸入數字2即可，若為了查看其他材料歷史變量，對應輸出1-4即可實現。
圖2
完成定義后，完成模型建模輸出為k文件，在LSPP中進行損傷云圖的輸出。圖3為定義的損傷在后處理中的查看方式，圖4為輸出的損傷云圖，紅色粒子表示損傷。
圖3
圖4
以上，基于此案例，可在LSDYNA軟件中定義并輸出所給材料的歷史變量。
展開 粒子拋擲效果及損傷分布與相關文獻中基本一致，驗證了FE耦合SPH算法的合理性，可用于磨粒精密加工領域。
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本帖以典型的材料大變形問題磨粒切削加工引起的加工損傷為案例講解損傷歷史變量的定義與輸出步驟。
在我們沒有更好的文獻參考時，官方仿真軟件的幫助文檔是一個最佳的選擇。
本帖主要給出金剛石磨粒在加工過程中形成的SPH磨屑狀態分布云圖方法。
除去磨削力信號、力表面形貌、亞表面工件損傷云圖等直接表征加工好壞的評價指標，通過加工形成的磨屑狀態也能夠反映刀具的與加工參數的好壞，從而對加工參數進行指導。諸如加工合金類通常出現的卷尺狀切屑與加工鑄鐵等硬脆材料出現的團簇狀磨屑等。下圖給出金剛石工具加工藍寶石的磨屑狀態云圖。
粒子拋擲效果及損傷分布與相關文獻中基本一致，驗證了FE耦合SPH算法的合理性，可用于磨粒精密加工領域。
國內目前最多使用固結磨料多線切割法來加工， 將金剛石磨料固結在金屬絲上，隨鋸絲運動實現磨粒的鋸切加工。目前國內外正在 研究激光切割、冷分離和電火花切片等技術。
研磨主要是為了去除晶片切割后表面的缺陷，并達到預定厚度，同時將晶片的 翹曲、彎曲、總厚度變化、表面粗糙度降至最小。目前主要用單面減薄技術以及雙 面研磨，使用的磨料通常為碳化硼或金剛石。
固結磨料線鋸切片技術是指將金剛石磨料固結在金屬絲上，隨鋸絲運動實現磨粒的鋸切加工，如圖 1( a) 。
鋸切區域磨粒分布均勻，具有效率高、污染小等優勢。
激光切割技術則是通過激光處理在內部形成改性層從碳化硅晶體上剝離出晶片，該技術處于研究階段，如圖 1( b) 。
冷分離技術具有材料利用率高，節能環保的優點，如圖 1( c) 。
除上述方法外，還有形狀自適應磨削、激光拋光、化學拋光和磨粒流加工。
△電拋光醫療植入物
形狀自適應磨削
形狀自適應磨削 (SAG) 是一種用于自由曲面加工難加工材料（如陶瓷和硬金屬）的新工藝。盡管加工設備的設備剛度較低，但工具的半彈性可以實現具有高表面光潔度的延性模式磨削。
單顆磨粒加工單晶碳化硅對橫向裂紋的模擬
磨粒加工SPH工件溝槽的形成
圖4-3最大等效應力
4.4材料去除狀態分析
球形磨粒在研磨加工硬脆工件時，一般是以脆性斷裂的形式去除材料。圖4-4分別給出了在相應時刻的塑性應變、等效應力圖。可以看出磨粒正前方45°范圍內所受應力最為嚴重，也就意味著工件在這一范圍內最容易產生損傷堆積，同時磨粒以粉末狀飛濺去除與實際加工單晶碳化硅工件相一致，也初步驗證了仿真結果的正確性。
此外因研磨相對磨削具備更低的轉速，在加工過程中的散熱及振動很小，故忽略加工系統的振動及研磨液對磨粒加工的熱作用。
2.2模型簡化
為了使仿真模型更加準確反映實際磨粒加工導致的損傷及裂紋擴展情況，做出如下三點模型簡化，最終模型簡化示意如圖2.3所示。
（1）研磨過程簡化成單顆磨粒對工件的變切深刻劃過程，磨粒設為圓錐狀，工件設為長方體。
