微磨料水射流抛光硅片的实验研究

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第9期 李志荣 等：微磨料水射流抛光硅片的实验研究 ·49·图2为磨料水射流抛光的工艺流程图。

- 睡 料 耵 帅 - 舢 - 珈 1五 l- ～ ～ 图 2 磨料水射流抛光工艺流程图1.2 实验的制备过程实验中，磨料选为8O目的石榴石，磨粒粒径选为0.15～0.2 mm，在抛光试验中，射流喷嘴与靶件成-定夹角和速度运动，硅片固定不动。抛光后的表面质量采用 TR200型粗糙度仪测试。

2 正交试验设计2.1 正交试验因素及水平评定影响工件表面抛光的工艺参数有很多 ，为了得到微磨料水射流参数对硅片抛光表面效果的影响，仅对射流压力、喷射角度、磨粒浓度和靶距4个主要工艺参数进行抛光实验研究 。

射流压力直接决定着工件表面磨削力的大校针对此次试验，经预先测试 ，压力在 2～5 MPa去除材料最佳 ，此次实验选取射 流压力参数为 2，3，4，5 MPa。

喷射角度又叫入射角或攻角，它决定着加工后硅片表面平整度，夹角变化范围为 0。～90。。此次试验选择的喷射角度参数分为30。，45。，60。，90。。

磨粒浓度是磨粒在抛光液中占的比例的多少 ，此次试验磨粒的直径在0.5-2 mm之间，试验时射流中磨粒和抛光液的质量比定为 1：2，1：3，1：4，1：5。

靶距是指喷嘴凶与硅片表面之间的直线距离，经测试靶距为4-16 mm时抛光效果最佳 ，此次实验选用靶距参数为4，8，12，16 mm。

2.2 正交试验表的建立由此，得出微磨料水射流抛光硅片实验应考虑的4个影响因素，即射流压力、喷射角度、磨粒浓度和靶距。为了分析方便，把影响抛光的这四个因素定义为 A、B、C、D，每个因素的变化考虑 3个水平。抛光实验因素水平表如表1所示。

表 1 磨料水射流抛光实验正交因素水平表射流压力/MPa喷射角度/(。)磨料浓度 靶距/mm囚糸 A B C D由此，为得到抛光原型时较好的工艺组合，采用正交实验 方法 进行 实验 ，选 用 L (4 )表。根据L (4 )的正交试验表 ，建立的磨料水射流抛光实验的正交表如表 2所示。

为清楚地考察各个因素之间的相互影响关系，实验时，将抛光前与抛光后 的硅片表面用 TR200型粗糙度测量仪分别测量 ，并分组记录。实验结果如表 2所示。

表2 磨料水射流抛光实验正交试验结果· 50· 机床与液压 第41卷3 试验结果分析实验结果如表3所示：记 .是对应于表 1中第- 列中 1”水平的4个试验结果之和， 为其除以4后得到的平均数，即 k ：M /4；定义极差 尺为 ，、、 k 、k 中最大的-个数减去最小的-个数之差。

表 3 磨料水射流抛光实验结果分析表指标 射 力 喷 度 磨 度 误 计3.1 极差分析因素的主次关系。极数差 的大小反映出因素对实验结果影响的大小 ，即 R越大对应列因素影响越大。第 1列和第 4列的极差数分别为 0.I12 5和0.155，比第 2列 和第 3列 的 0.1和 0.06大很多，表明 A、D因素对实验结果的影响是主要的，由极差大小顺序而排出因素的主次顺序 为主-次 ：D、A；B、C，即靶距 、射流压力、喷射角度、磨粒浓度。

较优的水平组合。根据 .、k 、k 、 值 的大小，因素水平搭配与所要求的指标有关。若要求指标越大越好，则应选取指标大的水平；若希望指标越小越好，应选取指标小的水平；若要求的指标适中为好，则取指标适中的水平。

直观分析。根据每个因素做出-副直观图，可以清晰地看出影响最明显的因素，并较快地分析出因素指标的最优组合，如图3所示。

0.70.65娄0.60.55司Ⅱ0.50A4 A3 A2 Al B1 B2 B3 B4 C4 C3 C2 CI Dl D2 D3 D4水平图 3 直观分析 图在该实验中，经分析得每个因素各个水平的最大值所对应的水平组合是最优组合，综合平均转化最高，最优水平组合为A4B2C4D2，即：射流压力为5 MPa，喷射角度为45。，磨粒浓度为1：5，靶距为8 fnrn。

3.2 射流压力对表面粗糙度的影响在喷射角度为45。、磨粒浓度为1：5、靶距s8 Hm等条件下，分别在压力为2，3，4，5 MPa下进行了抛光试验。压力变化对表面粗糙度的影响如图4所示。

由图4可见：表面粗糙度随着射流压力的增加而减小，但当压力超过5 MPa后随着射流压力增大，粗糙度逐渐趋于平稳。原因是：在- 定的范 围内，由于压力 的增大 ，射流给磨粒提供足够的能量使冲击力显著增强 ，但每增加-点压力，其能耗相应增加。

根据试验结果 ，并考虑压力过高导致喷嘴的磨损加剧，因此工作压力为5 MPa是较为合理的。

图4 射流压力对表面粗糙度的影响3.3 磨粒浓度对表面粗糙度的影响在 喷射 角度 为 45。、 0.7靶距5：8 film、压力P5呈0.5MPa等条件下，不同磨粒 萎0.4浓度对表面粗糙度的影响蓄u.j如图 5所示。 0.1由图 5可见 ：磨粒浓 0度增加，表面粗糙度先减0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6磨粒浓度后增、最终趋于稳定。因 图5 磨粒浓度对表面为磨粒浓度的增加 ，颗粒 粗糙度的影响之间重复冲撞效应增强，导致部分颗粒未能发挥作用，甚至减弱了其中部分颗粒的能量。因此，磨粒浓度选为0.2最为合理。

3.4 喷射角度对表面粗糙度的影响在磨 粒浓 度为 1：5、 。·压力P5 MPa、靶距s8呈o.5mm等条件下，分析不同 彝0.4喷射角度下表面粗糙度的蓄 0.3，变化，如图6所示。 悄0.1如图 6所示 ：喷射角 0度递增，表面粗糙度呈现先降低后又上升趋势。其原因是喷射角度增加 ，工件表面上单位时间单位面图6 喷射角度对表面粗糙度的影响积上被粒子打击和冲蚀的次数减少。根据试验结果可知，45。的喷射角度是比较合适的。

3.5 靶距对表面粗糙度的影响在喷射角度45。、压力 P：5 MPa、磨粒浓度 1：5呈0等条件下，分析不同的靶 0距下表面粗糙度的变化，萏：如图7所示。 0由图 7可见：随着靶距的增加 ，表面粗糙度- 靶距/mnl开始大幅度下降，但随后 图7 对妻面粗呈先升后降最后趋于平稳 糙度的影响(下转第82页)