Górna granica promienia krawędzi narzędzia do cięcia plastycznego płytki krzemowej w trybie ciągów nano

  1. Wstęp

  Zanotowano [1-11], że kruche materiały, takie jak materiał waflowy krzemowy, mogą być poddawane obróbce skrawaniem w trybie ciągliwym w pewnych warunkach tworzenia mikroukładów. Takie warunki są zdominowane przez warunki stresowe w tworzeniu się wiórówregion, który może być generowany przez określoną geometrię narzędzia i warunki skrawania, mianowicie nieodkształconą grubość wióra, jak również stosunek nieodkształconej grubości wióra do promienia krawędzi skrawającej narzędzia. Stwierdzono [12], że w cięciamateriałów kruchych, takich jak węglik wolframu i płytka krzemowa, można uzyskać tworzenie wiórów w trybie ciągliwym, o ile nieodkształcona grubość wióra jest mniejsza niż promień ostrza narzędzia, a promień ostrza narzędzia jest maływystarczająco, w którym dla cięcia w trybie ciągliwym węgliku wolframu i płytki krzemowej promień krawędzi narzędzia ustalono odpowiednio na skali mikrometrycznej i nanometrowej. Biorąc pod uwagę zastosowanie cięcia w trybie ciągliwym w przemyśle,tak jak w przemyśle wytwarzania płytek, w którym zawsze wymagane jest wysokie tempo produkcji, aby uzyskać wysoką szybkość usuwania materiału w trybie cięcia plastycznego, należy oczekiwać, że promień ostrza narzędzia będzie tak duży jak to tylko możliwe, więco ile formowanie wiórów pozostaje w trybie ciągliwym. W związku z tym istnieje potrzeba określenia górnej granicy promienia ostrza narzędzia do cięcia w stanie ciągliwym kruchego materiału. W tym badaniu przeprowadzono eksperymenty cięciaprowadzone w celu określenia górnej granicy promienia krawędzi narzędzia w trybie cięcia plastycznego pojedynczego krystalicznego materiału silikonowego. Wyniki pokazały, że górna granica promienia krawędzi narzędzia dla cięcia w trybie ciągliwym krzemu wynosi 700do 800 nm.

  Szczegóły eksperymentalne

  Maszyny, narzędzia i obrabiany przedmiot

  Eksperymenty z toczeniem czołowym płytki krzemowej zostały przeprowadzone na tokarce ultra-precyzyjnej (Toshiba ULG-100C) z rozdzielczością pozycjonowania 10 nm przy użyciu narzędzi diamentowych. Rysunek 1 pokazuje konfigurację dla ultra-precyzyjnego obracania twarząmi. Jako próbki zastosowano płytki krzemowe (111) o średnicy 100 mm, o grubości 0,5 mm i o docieranym wykończeniu. Wafle klejono na aluminiowych blankach za pomocą zmiękczonego pod wpływem ciepła kleju, a następnie odkuwano próżniowo na wrzeciono maszyny. Jakowarstwa kleju może nie być równomiernie rozłożona, przed cięciem wykonano nacięcia (wstępne przycinanie) przed rozpoczęciem eksperymentów, aby zapewnić, że powierzchnia krzemu była wyjątkowo płaska. Cięcie przeprowadzono za pomocą narzędzi diamentowych z jednym kryształemsześć różnych promieni krawędzi skrawających. Ich parametry geometrii są wymienione w Tabeli 1.

  Geometria cięcia

  Figura 2 pokazuje schematycznie ortogonalny widok formowania wiórów w trybie ciągliwego cięcia materiałów kruchych za pomocą narzędzia mającego duży ujemny kąt natarcia i krawędź skrawającą, gdzie DE jest powierzchnią natarcia narzędzia, BD jest cięciem łukowymkrawędź, BC jest powierzchnią czołową narzędzia, K jest punktem na łuku 656 Kierunek cięciaostrze BD, O jest środkiem łuku do cięcia łukowego BD, AB jest zakrzywioną płaszczyzną ścinania, γ jest kątem natarcia narzędzia, β jest średnim kątem tarcia między chipem a narzędziem, γk jest lokalnym kątem natarcia w punkcie K na krawędzi skrawającejBD, r jest promieniem ostrza narzędzia, ac jest nieodkształconą grubością wióra, ao jest grubością wióra, Fr jest wypadkową siłą narzędzia, Fc jest siłą skrawania, Ft jest siłą ciągu, Fs jest siłą ścinania na ścinaniu samolot, Fns jestnormalna siła na płaszczyźnie ścinania, Ff jest siłą tarcia na powierzchni narzędzia, a Fn jest normalną siłą na powierzchni narzędzia. Zarówno γ jak i γk mają duże wartości ujemne.

  Warunki cięcia

  Warunki cięcia ultra-precyzyjnego toczenia czołowego

  Ryc. 2 Schemat tworzenia się wiórów w plastycznym cięciu łamanego i obracanego pręta ze stopu aluminium kruchych materiałów, który był trzymany za pomocą tokarki CNC. Różne diamentowe promienie krawędzi skrawających można uzyskać poprzez sterowanieczas docierania.

  Żetony zebrano za pomocą dwustronnej taśmy, która została ustawiona na powierzchni natarcia narzędzia diamentowego. Obrobiona powierzchnia obrabianego przedmiotu i formacje chipów zostały zbadane przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) (JEOL JSM-5500).

  Obróbkę powierzchni obrabianego przedmiotu badano za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM). Chropowatość powierzchni obrobionych płytek krzemowych została zbadana za pomocą Formtracera (Mitutoyo CS-5000).

  Eksperymenty są wymienione w Tabeli 2. Należy pamiętać, że w kolejności aby zbadać tylko wpływ promienia krawędzi narzędzia na formowanie wiórów, stosunek niedokładnej grubości wióra do promienia krawędzi narzędzia był utrzymywany jako prawie stały we wszystkich testach cięcia. Cięcie na sucho przeprowadzono w celuzbieranie wiórów tnących.

  Pomiary

  Promień ostrza narzędzia diamentowego mierzono metodą wcięcia [13] za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM) (SEIKO-II, SPA-500). Początkowy promień krawędzi cięcia wynosił 23 nm. Aby uzyskać duże narzędzie diamentowePromień ostrza został specjalnie zaprojektowany, jak pokazano na Rys. 3.

  Wyniki i dyskusja

Złamanie na obrabianej powierzchni

  Fotografie SEM i AFM powierzchni obrabianych płytek krzemowych uzyskane podczas cięcia płytek krzemowych za pomocą narzędzi diamentowych o różnych promieniach krawędzi skrawających przy prędkości skrawania 150 m / min pokazano na rys. 4 i 5, odpowiednio. Dlapromień krawędzi narzędzia diamentowego wynoszący 23, 202, 490, 623 i 717 nm, jedno badanie przeprowadzono pod warunkiem, że nieodkształcona grubość wióra była mniejsza niż promień krawędzi narzędzia, a drugi test został przeprowadzony pod warunkiem, żenieodkształcona grubość wióra była większa niż promień krawędzi narzędzia. W przypadku promienia krawędzi narzędzia diamentowego o długości 807 nm oba testy przeprowadzono pod warunkiem, że nieodkształcona grubość wióra była mniejsza niż promień krawędzi narzędzia.

  Zarówno obserwacje SEM, jak i AFM wykazały, że gdy promień ostrza narzędzia nie był większy niż 807 nm, a nieodkształcona grubość wióra była mniejsza niż promień ostrza narzędzia, obrabiane powierzchnie przedmiotu były bardzo gładkie iznaki posuwu były wyraźnie widoczne na powierzchniach, jak pokazano na Ryc. 4 i 5, które pokazują, że cięcie przeprowadzono w trybie ciągliwym. Z drugiej strony, gdy nieodkształcona grubość wióra była większa niż cięcie w tabeli 2warunki657 ultra-precyzyjnych testów cięcia Nr Promień krawędzi narzędzia r (nm) Prędkość cięcia Posuw f (μm / obr) Głębokość skrawania ao UCT ac (nm)

promień ostrza narzędzia, obrabiane powierzchnie przedmiotu były bardzo szorstkie i złamane,co pokazało, że cięcie zostało przeprowadzone w trybie łamliwym. Jednak gdy promień ostrza narzędzia osiągnął 807 nm, a nawet nieodkształcona grubość wióra była znacznie mniejsza niż promień ostrza narzędzia, obrabiany przedmiotPowierzchnie były bardzo szorstkie i pęknięte, co pokazuje, że cięcie odbywało się w trybie kruchym w warunkach cięcia. Prawdopodobnie promień ostrza narzędzia o długości 807 nm był górną granicą dla trybu plastycznegocięcie materiału z krzemu wafli. W rezultacie, aby uzyskać cięcie w trybie ciągliwym materiału z krzemowym waflem, należy spełnić dwa warunki: (1) promień krawędzi narzędzia diamentowego musi być mniejszy niż 807 nm i (2) nieodkształconygrubość wióra musi być mniejsza niż promień ostrza narzędzia.

  Tworzenie się wiórów

  Fotografie SEM zrębków uformowane w trakcie cięcia płytek krzemowych za pomocą narzędzi diamentowych o różnych promieniach krawędzi skrawających przy prędkości skrawania 150 m / min pokazano na rys. 6. Badania przeprowadzono w warunkach wymienionych w rozdz. 2.3.

Obrotowy rowkowany pręt ze stopu Al

  Stwierdzono, że gdy promień ostrza narzędzia nie był większy niż 807 nm, a nieodkształcona grubość wióra była mniejsza niż promień ostrza narzędzia, to tworzenie się wiórów odbywało się w trybie plastycznym, który można zidentyfikować zgodnie zwióry, jak pokazano na fig. 6. Jak wspomniano wcześniej, takie ciągłe wióry są podobne do tworzenia wiórów podczas cięcia materiałów plastycznych, gdzie tworzenie wiórów jest zdominowane przez dyslokację. Z drugiej strony, kiedynieodkształcona grubość wióra była większa niż promień ostrza narzędzia, uzyskane wióry wydają się być uformowane w nieregularne kształty, co pokazuje, że chipy prawdopodobnie powstały w trybie łamliwym. Jednak gdy osiągnięty zostanie promień ostrza narzędzia807 nm, a nawet nieodkształcona grubość wióra była znacznie mniejsza niż promień ostrza narzędzia, a uzyskane wióry pokazują, że cięcie odbywało się w trybie kruchym w warunkach cięcia. Uważano, że cięcie narzędziaPromień krawędzi 807 nm powinien być górną granicą dla uzyskania cięcia w trybie ciągliwym materiału z krzemowym waflem, co pokazano również w topografii powierzchni obrabianego przedmiotu. Dlatego należy uzyskać dwa warunki dla uzyskaniacięcie w trybie ciągliwym materiału z krzemowym waflem: (1) promień krawędzi narzędzia diamentowego musi być mniejszy niż 807 nm, a (2) nieodkształcona grubość wióra musi być mniejsza niż promień ostrza narzędzia.

Chropowatość obrabianej powierzchni

 Narzędzie diamentowe

 Rys. 3 Schemat ideowy docierania dla krawędzi skrawającej narzędzia diamentowego

Szlam diamentowy

  Chropowatość powierzchni przedmiotu obrabianego została zbadana przy użyciu Formtracera. Rysunek 7 pokazuje wpływ promienia krawędzi tnącej narzędzia diamentowego na chropowatość powierzchni Ra wartości obrabianych płytek krzemowych. Gdy promień krawędzi narzędzia nie byłwiększa niż 807 nm, wartości Ra tylko nieznacznie wzrosły wraz ze wzrostem promienia krawędzi narzędzia. Może to wynikać ze zwiększenia prędkości posuwu narzędzia w testach cięcia, co widać na Rys. 4. Stwierdzono, że bardzo dobra powierzchniaintegralność uzyskano przy cięciu w trybie ciągliwym, gdy spełnione były dwa warunki. Jednak gdy promień krawędzi narzędzia osiągnął 807 nm, chropowatość powierzchni Ra gwałtownie wzrosła, pokazując, że ten promień krawędzi byłgórna granica osiągnięcia658

Ryc. 4 Fotografie SEM z obrabianych powierzchni krzemowych w płytkach o różnej nieodkształconej grubości wióra o różnym promieniu zaokrąglonym na gładkiej powierzchni. Głównym powodem jest to, że w tych warunkach osiągnięto cięcie w trybie kruchym. Żejest tryb cięcia ma znaczący wpływ na wartości chropowatości powierzchni Ra.

Ryc. 5 Fotografie AFM obrabianych powierzchni płytek krzemowych pod różną nieodkształconą grubością wióra o różnym promieniu krawędzi narzędzia

  Dyskusja

  [14] Podano [14], że kluczowym warunkiem tworzenia się wiórów w sposób ciągły podczas cięcia kruchych materiałów jestekstremalnie duże naprężenie ściskające, które jest tak duże, że przesiewanie pęknięć materiałów istniejących wcześniej defektów jest przesiewane, a tworzenie się wiórów jest zdominowane przez emisję dyslokacji. Średnie normalne naprężenie ściskające, σc działające napowierzchnia kontaktu między narzędziem tnącym a przedmiotem obrabianym z płytek krzemowych, Ac może być wyrażona.

Rys. 6 Fotografie SEM wiórów powstających przy cięciu wafli krzemowych o różnej nieodkształconej grubości wióra o różnym promieniu zaokrąglenia narzędzia

Rys. 7 Wpływ diamentowego promienia ostrza narzędzia na chropowatość powierzchni uzyskanych płytek krzemowych

  Rys. 8 Związek między wypadkową siłą cięcia Fr; powierzchnia kontaktu narzędzia z przedmiotem, Ac; oznacza normalne naprężenie ściskające σc i promień ostrza narzędzia, rgdzie rc ¼ ac = ao jest współczynnikiem skrawania, a kAB jest naprężeniem przepływu ścinającego wzdłuż zakrzywionej powierzchni ścinania AB.

  Przy cięciu kruchych materiałów, takich jak krzem, tworzenie wiórów w trybie ciągliwym można uzyskać, gdy nie utworzona grubość wióra jest mniejsza niż promień krawędzi narzędzia. Tak więc, w przypadku ciągliwego cięcia kruchych materiałów, wypadkowasiła cięcia Fr.

  Monotonicznie z promieniem ostrza narzędzia r. Eq. 4 wskazuje, że powierzchnia kontaktu narzędzia-przedmiotu obrabianego Ac wzrasta monotonnie wraz z promieniem ostrza narzędzia r. Odpowiada uzyskanej sile cięcia Fr, jak również narzędziapowierzchnia kontaktu obrabianego przedmiotu Ac, średnie normalne naprężenie ściskające σc jak w równaniu. 1 początkowo zmniejsza się stopniowo wraz z promieniem krawędzi narzędzia r, a następnie szybko maleje wraz z r, ponieważ wartość Ac rośnie gwałtownie wraz z r.powinien on być tym mniejszy, im lepiej i musi być górna granica promienia krawędzi narzędzia dla każdego materiału obrabianego, powyżej którego cięcie nie jest w stanie ciągliwym. W doświadczeniach niniejszego badania, to górne ograniczenie narzędzia.

Rozważmy obszar kontaktu narzędzia z przedmiotem obrabianym Ac = f (r, ac R, γ), ponieważ dla danego narzędzia tnącego z jednym diamentem krystalicznym promień narożnika narzędzia, R i kąt natarcia γ są stałe, promień ostrza w rurze plastycznej cięcie w trybieWafel krzemowy pokazano jako 807 nm.

  4. Konkluzje

  W niniejszym opracowaniu zbadano wpływ promienia ostrza narzędzia na powstawanie wiórów i obrabianą powierzchnię przedmiotu w procesie cięcia plastycznego materiału krzemowego w trybie nanoselekcyjnym. Wyniki pokazują, że istnieje górna granicawartość promienia ostrza narzędzia, powyżej której tryb tworzenia się wióra zmienia się z plastycznego na kruchy, mimo że nieodkształcona grubość wióra pozostaje mniejsza niż promień krawędzi narzędzia. Może to być spowodowane spadkiemnaprężenie ściskające w strefie formowania wiórów, jak omówiono w rozdz. 3.4. W wyniku zmiany trybu cięcia z plastycznego na kruche, gdy promień krawędzi narzędzia jest większy niż górna wartość, obrabiana powierzchnia obrabianego przedmiotubędzie pęknięty, powodując znaczny wzrost chropowatości powierzchni obrabianej. W testach cięcia tego badania ustalono, że górna wartość graniczna dla cięcia materiału waflowego krzemu za pomocą narzędzia z pojedynczym kryształem diamentowym znajduje się pomiędzy700 do 800 nm.