李東亞，馮志華，胡攀登

（1.蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000；2.庫(kù)力索法半導(dǎo)體（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215000）

通過噪聲的分析評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)劃片刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李東亞1，馮志華1，胡攀登2

（1.蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215000；2.庫(kù)力索法半導(dǎo)體（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215000）

針對(duì)超高速旋轉(zhuǎn)劃片刀實(shí)際工作時(shí)存在的切削噪聲問題，用INV 3018 G型振動(dòng)與控制分析儀器對(duì)其切削晶圓的劃片刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，利用改變劃片刀工藝凹槽角度α的數(shù)值，得出不同角度對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的頻譜圖，并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖表的方法，整理分析得到角度和頻譜峰值的變化曲線圖，確定工藝凹槽角度α對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響，得出對(duì)應(yīng)的峰值最小即產(chǎn)生的噪聲較小。結(jié)果表明：不同工藝凹槽角度α對(duì)高速旋轉(zhuǎn)劃片刀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定意義。

聲學(xué)；超高速切削；工藝凹槽角度α；頻譜峰值；噪聲

隨著超高速旋轉(zhuǎn)切削[1]技術(shù)的發(fā)展和工作環(huán)境要求不斷提高的今天，安靜的工作環(huán)境是現(xiàn)代企業(yè)所追求的人性化的一方面。在分離半導(dǎo)體材料中，一個(gè)重要的工藝過程，就是如何切削半導(dǎo)體材料，目前切削半導(dǎo)體材料的常用到的是劃片刀，在切削過程中劃片刀一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速在30 000～46 000 r/m in之間，在這樣高速環(huán)境下，有非常刺耳的噪聲。人長(zhǎng)時(shí)間工作在這樣的環(huán)境下會(huì)對(duì)心里造成一定的危害。經(jīng)大量的觀察和分析，不同形狀的劃片刀能產(chǎn)生不同程度的刺耳噪聲，劃片刀側(cè)面的工藝凹槽α（見圖1所示）是產(chǎn)生刺耳噪聲的主要原因，該文以其中一款專為切割晶圓而設(shè)計(jì)的劃片刀作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出劃片刀工藝凹槽角度α的變化對(duì)頻譜峰值產(chǎn)生一定的變化趨勢(shì)，繪制出變化曲線圖找出峰值較小α角，對(duì)改變環(huán)境噪聲有一定的指導(dǎo)意義。

目前在超高速切削領(lǐng)域內(nèi)，刀具結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生的噪聲也隨之變化，劉戰(zhàn)強(qiáng)等[2]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)高速面銑刀氣動(dòng)噪聲及其頻譜進(jìn)行了分析，為低噪聲高速面銑刀設(shè)計(jì)和合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。Mote等[3]利用Lighthill的氣動(dòng)聲學(xué)理論對(duì)圓鋸片空氣動(dòng)力學(xué)噪聲進(jìn)行了研究，解釋了鋸切噪聲的方向性；但并未預(yù)測(cè)其聲壓值。李林凌等[4]通過建立噪聲模型，得出定量影響風(fēng)機(jī)噪聲的葉片形狀、轉(zhuǎn)速和葉片半徑等因素。本文采用自譜分析方法對(duì)不同α角的劃片刀進(jìn)行噪聲測(cè)試，并對(duì)其頻譜進(jìn)行分析，得出產(chǎn)生噪聲峰值的頻率，以及產(chǎn)生峰值最小的α角對(duì)應(yīng)的劃刀片。

圖1 劃片刀安裝和結(jié)構(gòu)示意圖

劃刀片采用鋁合金為主體材料，刀刃采用電鍍工藝將金剛石顆粒通過鎳電鍍到鋁合金的表層用于切削，而工藝凹槽α角為加工時(shí)的夾緊部位以及安裝刀具時(shí)用于手握的部位，工藝凹槽α在65°到85°之間變化，防止損壞刀刃部分；刀具空轉(zhuǎn)時(shí)的特征：當(dāng)選一個(gè)α角作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象時(shí)，在低于30 000 r/m in的情況下，除了機(jī)床本省、身以及外界的氣流噪聲之外，就是刀具本身由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過30 000 r/m in達(dá)到46 000 r/m in時(shí)，可以明顯感覺刀具高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，跟30 000 r/m in時(shí)的噪聲有明顯的區(qū)別；通過對(duì)不同α角的劃刀片進(jìn)行在不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)，采用INV 3018 G型振動(dòng)與控制分析儀器找出隨著α角和轉(zhuǎn)速的增大其對(duì)應(yīng)的變化趨勢(shì)，分析當(dāng)α角固定和轉(zhuǎn)速有規(guī)律的變化，測(cè)出的噪聲值是否有趨勢(shì)的變化；找出產(chǎn)生噪聲值最小的那個(gè)α角。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

在超高速的旋轉(zhuǎn)劃片刀切削材料的過程中,噪聲可以分為空轉(zhuǎn)噪聲和切削噪聲?？辙D(zhuǎn)噪聲由氣動(dòng)噪聲和主軸噪聲組成；氣動(dòng)噪聲[5]是由刀片周圍的空氣流動(dòng)誘發(fā)的劃片刀振動(dòng)產(chǎn)生的，劃片刀周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，引起的壓力脈動(dòng)而激發(fā)的噪聲，這種周期性的壓力脈動(dòng)是由一個(gè)穩(wěn)態(tài)的基頻和一系列諧波分量疊加而成的。劃片刀的基頻可通過公式：f0=n/60（Hz），得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速的基頻，切削加工采用的轉(zhuǎn)速為30 000～50 000 r/m in。由于聲壓法原理簡(jiǎn)單、方法簡(jiǎn)便，測(cè)量?jī)x器已經(jīng)比較成熟，而且聲壓是標(biāo)量，不需要考慮方向，可以采集劃片刀不同α角度對(duì)應(yīng)的頻譜圖作為分析的依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)儀器采用INV 3018 G二十通道并行采集儀、INV信號(hào)調(diào)理器、聲級(jí)計(jì)和DASP平臺(tái)軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試原理如圖2所示。此測(cè)試系統(tǒng)可以進(jìn)行信號(hào)示波和數(shù)據(jù)采集、基本信號(hào)分析、虛擬信號(hào)發(fā)生器、INV高精度頻率計(jì)和幅值計(jì)；通過DASP軟件平臺(tái)采用自譜分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和測(cè)點(diǎn)布置

采用一臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)晶元切削機(jī)床作為測(cè)試機(jī)床，根據(jù)聲級(jí)計(jì)的使用要求和采集信號(hào)的方便性將測(cè)點(diǎn)布置在距劃片刀300 mm的軸心正前方處，測(cè)點(diǎn)布置見圖3所示，整個(gè)測(cè)試車間的噪聲來源主要是機(jī)床本身運(yùn)作的噪聲，無其他噪聲源。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

根據(jù)基頻的公式可以計(jì)算出劃片刀的旋轉(zhuǎn)頻率在500～833（Hz）之間，可以對(duì)DASP軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，選擇寬頻300～1 200（Hz）通道進(jìn)行測(cè)試，采樣頻率最高為2 560 Hz，每隔200 us采集一個(gè)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間設(shè)定為20 s。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將按照劃片刀工藝凹槽角度α從79～115°進(jìn)行分別測(cè)試，設(shè)置轉(zhuǎn)速為30 000 r/m in、36 000 r/min、40 000 r/m in、43 000 r/m in、46 000 r/m in五個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，每一個(gè)角度對(duì)應(yīng)一個(gè)劃片刀，分別在以上的轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)行空載測(cè)試，通過DASP平臺(tái)軟件進(jìn)行結(jié)果保存。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

信號(hào)的頻譜描述可以找出信號(hào)的幅值隨時(shí)間變化的特征，并可以直觀的了解信號(hào)的變化情況。但是信號(hào)的頻譜模型不能用解析函數(shù)來描述，只能通過統(tǒng)計(jì)特性和頻譜特性求得概率意義上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)劃片刀的基頻公式對(duì)應(yīng)上面的5種轉(zhuǎn)速頻率分別為500 Hz、600 Hz、667 Hz、717 Hz、767 Hz，理論上在這幾個(gè)頻率下會(huì)產(chǎn)生幅值的峰值，通過對(duì)其19種劃片刀夾持角度α分別在以上5種轉(zhuǎn)速下進(jìn)行噪聲測(cè)試，用自譜分析方法得到其中5個(gè)轉(zhuǎn)速下的頻譜圖如4（a）（b）所示，可以看出在其對(duì)應(yīng)的頻率下產(chǎn)生很明顯的峰值，達(dá)到了此次測(cè)試的要求。由于電機(jī)理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速存在一個(gè)誤差，通過頻譜圖可以得到以上5種轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的基頻為500 Hz、620 Hz、665 Hz、715 Hz、765 Hz，與理論值相差僅為3.3%，不影響測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生誤差。分別在30 000、36 000、40 000、43 000、46 000 r/m in時(shí)對(duì)劃片刀的工藝凹槽角度α從79～115°按照角度每次遞增2°的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)通過自譜分析方法得到95個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)據(jù)畫出角度與單峰值規(guī)律見下圖5所示。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可以看出劃片刀夾持角度α在79～85°產(chǎn)生的噪聲成逐漸增大的趨勢(shì)之后為減小到91°，之后一直呈現(xiàn)遞增遞減的趨勢(shì)。五種轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的噪聲單峰相對(duì)值曲線圖整體呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)；每一個(gè)曲線只是當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的相對(duì)幅值，每條曲線之間沒有大小可比性。從曲線圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以分析得出劃片刀夾持角度α在91°、95°、105°出現(xiàn)峰值出現(xiàn)最小值，也就是說這幾個(gè)角度的劃片刀產(chǎn)生的氣流噪聲為可以接受的，通過聲級(jí)計(jì)測(cè)量出的噪聲都在80 dB以下并且沒有明顯刺耳的尖叫聲。

圖4 五種轉(zhuǎn)速下的自譜分析圖

圖5 角度—峰值變化曲線圖

2 結(jié)語(yǔ)

(1)通過噪聲測(cè)試試驗(yàn)可以看出，隨著劃片刀的工藝凹槽角度α變大的過程可以看出噪聲值呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，當(dāng)角度大到一定的數(shù)值基本上呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢(shì)，對(duì)噪聲的影響達(dá)到一定的數(shù)值而不在發(fā)生較大的變化；

(2)根據(jù)劃片刀本身的結(jié)構(gòu)及加工的工藝的限制，機(jī)床能加工出的劃片刀工藝凹槽角度α目前只能在79～115°的范圍內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以看出α在91°、95°、105°左右的噪聲值減少到最小，可以滿足工作人員接受的噪聲值，不再發(fā)出尖叫的刺耳聲；

(3)劃刀片的工藝凹槽角度α確定為一個(gè)合適的數(shù)值達(dá)到了降低噪聲的效果，但是為了提高加工制造工藝效率，也要確定合適的角度，根據(jù)加工設(shè)備和現(xiàn)有工藝的技術(shù)要求選擇105°這個(gè)角度可以進(jìn)行批量加工達(dá)到高效率的生產(chǎn)，同時(shí)這個(gè)角度對(duì)降低噪聲達(dá)到的效果最好；

(4)在30 000 r/m in以上時(shí)，劃片刀的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，對(duì)噪聲的大小會(huì)產(chǎn)生一定的影響，本文通過對(duì)劃片刀工藝凹槽角度α的改變，使其在固定的轉(zhuǎn)速下α角遞增的變化，得出的頻譜峰值也在遞減的變化，通過在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果都是在遞減的變化，在超高速下對(duì)噪聲的研究有一定的指導(dǎo)意義。

[1]白琨.超高速切削加工及其關(guān)鍵技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝，2009，9：30-65.

[2]劉戰(zhàn)強(qiáng)，吉春輝，劉魯寧，艾興.高速面銑刀氣動(dòng)噪聲及其頻譜分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(11)：163-168.

[3]Mote C D,ZHU Wen-hua.Aerodynam ic far field noise in idling circular sawblades[J].Journal of Vibration， Acoustics， Stress， and Reliability in Design,1984，106(3): 441-446.

[4]李林凌，黃其柏.風(fēng)機(jī)葉片噪聲模型研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(7)：114-118.

[5]毛義軍，祁大同，劉秋洪.基于非定常流場(chǎng)的離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，39（9）：989-993.

Structure Optim ization for a High-speed Rotating Scribing Knife Based on NoiseAnalysis and Evaluation

LI Dong-ya1,FENG Zhi-hua1,HU Pan-deng2

（1.Applied Technology College of Soochow University,Suzhou 215000,Jiangsu China; 2.Library Force Line Method Sem iconductor(Suzhou)Co.Ltd.,Suzhou 215000,Jiangsu China）

Aim ing at the cutting noise problem of the scribing knife rotating at ultra high speed,the structure of the cutting wafer scribing knife is analyzed experimentally using INV 3018 G vibration and control analysis instrument.By changing the process groove angleαof the scribing knife,the speed spectrum diagram corresponding to different anglesαis obtained.Applying statistical data chart,curves of angleαvs.the frequency spectrum peaks are plotted,with which the influence of the process groove angleαon the structure’s performance can be determ ined.It can be concluded that the angle α corresponding to the m inimum peak value will produce small noise only.This work is of some significance for the structure design of high-speed rotating scribing-knives.

acoustics;ultra high speed cutting;process groove angleα;spectrum peak;noise

TB535

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.042

1006-1355(2014)01-0188-03

2012-10-25

李東亞（1984-），男，江蘇蘇州人，本科，目前從事機(jī)床刀具產(chǎn)生噪聲的控制研究。

E-mail:lidongya@suda.edu.cn