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数控多线硅片切割机床的传动系统设计 摘要：多线切割机是光伏等行业核心器件制造流程中的关键装备。多线切割是目前比较先进的切片加工技术，其原理是通过金属线的高速往复运动把磨料带入待切割材料中进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创新型加工方法。但多线切割机制程技术难度大，其核心技术长期被瑞士、日本等国家的极少数公司所垄断，严重制约了我国半导体照明、光伏、集成电路制造等产业的发展。本文分析了多线切割机的工作原理和结构特点，在些基础上，主要对多线切割机械设备及控制系统进行了设计。经过比照同类切割机以及查阅相关资料，确定了所设计多线切割机的主要技术参数与工艺参数，其设备设计主要内容包括：升降台工作系统设计，主辊传动系统设计，收放线轮系统设计、排线系统设计、张力系统设计。 关键词：数控多线硅片切割机；传动系统；导丝辊；绕线辊CNC multi-line wafers cutting machine drive system designAbstract: Multi-wire cutting is the key equipment in the photovoltaic industry, the core of the device manufacturing process.The multi-cutting is a more advanced slice processing technology, the principle is by high-speed reciprocating motion of metal wire into the abrasive to be cutting the material for grinding, will be cut into pieces at the same time cutting the innovative processing of hundreds or thousands of pieces of sheet approach. However, the difficulty of multi-wire cutting machine manufacturing technology, its core technology has long been monopolized by very few companies in Switzerland,Japan and other countries, has seriously hampered the development of Chinas semiconductor lighting,photovoltaic, integrated circuits manufacturing industry. This paper analyzes the works and structural characteristics of cutting and wire cutting machinery and equipment and control systems designed on this basis. Cf similar cutting machine and access to relevant information, to design multi-wire cutting the main technical parameters and process parameters, equipment design the main contents include: the design of work systems in lifts, the main roller drive system design,retractable wire wheel system design, cable system design, the design of the tension system. Key word: CNC multi-line wafer cutting machine; Transmission; Godets; Winding roller目录1.绪论61.1国内外数控多线切割机发展现状61.1.1 发展现状61.1.2多线切割机的技术发展趋势71.2数控多线硅片切割机的切割机理71.3多线切割技术的工艺流程81.4研发国产数控多线硅片切割机的意义81.5影响线切割切削能力的因素分析91.6 设计内容与本设计的重点难点101.7技术方案101.7.1研究方法101.7.2技术路线102.多线切割机总体设计方案112.1机床的总体设计112.1.1设计机床应满足的基本要求112.1.2机床的设计步骤112.1.3主要技术参数112.1.4主运动电动机功率的确定122.2多线切割机的工作原理122.3游离磨料多线切割机的三大辅材132.4砂浆的组成及回收142.5游离磨料线切割的材料去除机理142.5.1单颗磨粒滚动(压痕模型)142.5.2 多磨粒压痕效应模型152.5.3 弹性-流体动压效应模型152.5.4磨削液的作用152.5.5单晶硅各向异性的影响153.多线切割机机械系统设计173.1 本设计切割机的总体设计思路173.2工作台升降系统设计173.3导丝辊传动系统的设计173.4 收放线辊系统设计183.5排线系统设计193.6张力系统设计193.7控制系统设计193.8多电机同步控制系统204.关键零部件及其传动的设计214.1绕线辊传动装置设计214.1.1同步带传动设计介绍214.1.2具体参数计算214.2导丝辊主轴组件设计234.2.1轴设计的主要内容244.2.2轴的材料244.2.3 轴的结构设计244.2.4轴的设计计算245.影响硅片加工的重要因素346.多线切割机各个部分的作用及原理366.1导丝辊366.2切割运动系统366.3 切割系统366.4智能控制系统366.5砂浆供给系统377.总结388.致谢39参考文献40III引言随着世界经济的增长 ，能源消耗不断扩张，全球资源日益枯竭，能源危机愈演愈烈，人类已面临重大的挑战。光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差，这类现象被称为“光电伏特效应”，简称“光伏效应”。利用半导体（硅片）界面的光电伏特效应而将光能直接转变为电能，不需燃料，没有运输系统，无气体排放，是“绿色发电”。硅片切割是太阳能光伏电池制造工艺中的关键部分。该工艺用于处理单晶硅或者多晶硅的固体硅锭。线锯首先把硅锭切成方块，然后切成很薄的硅片。硅片是晶体硅光伏电池中最昂贵的部分，所以 降低这部分的制造成本对于提高太阳能对传动能源的竞争力至关重要。本文将对硅片切割工艺、制造业的挑战和新一代线锯技术如何降低切片成本做一个概述。第一台实用的光伏切片机台诞生于1980年代，它源于Charles Hauser博士前沿性的研究和工作。Charles Hauser博士是瑞士HTC切片系统的创办人，也就是现在的应用材料公司PWS精确硅片处理系统事业部的前身。这些机床使用切割线配以研磨桨来完成切割动作。今天，主流的用于硅锭和压片切割的机台的基本结构仍然源于Charles Hauser博士最初的机台，不过在处理载荷和切割速度上已有了显著的提高。现代线锯的核心是在研磨桨配合下用于完成切割动作的超细高强度切割线，最多可达1000条切割线相互平行的缠绕在导线轮上形成一个水平的切割线“网”。马达驱动导线轮使整个切割网以每秒5到25米的速度移动。切割线的速度、直线运动或来回运动都会在整个切割过程中根据硅锭的形状进行调整。在切割线运动过程中，喷嘴会持续向切割线喷射含有悬浮碳化硅颗粒的研磨浆。砖块被固定于切割台上，通常一次4块。切割台垂直通过运动的切割线切割网，使硅块被切割成硅片。切割原理看似，但是实际操作过程中有很多挑战。线锯必须精确平衡和控制切割缍直径、切割速度和总的切割面积，从而在压片不破的情况下完成切割。多线切割技术与传统加工技术相比有效率高、精度高等优点，目前被广泛应用于单（多）晶硅、石英、水晶、陶瓷、人造宝石、磁性材料、化合物、氧化物等硬脆材料的切割加工。1.绪论1.1国内外数控多线切割机发展现状1.1.1 发展现状国外多线切割切片设备生产厂家主要有瑞士的梅耶博格(Meyer burger)公司、HCT公司、日本的NCT公司、TAKATORI公司、不二越机械工业株式会社、美国应用材料公司等。从产品技术角度划分，瑞士的两家公司生产的线切割机水平最高。尤其是HCT公司，该公司自1984年成立以为来，专攻线切割机技术，如今梅耶博格公司更是后来居上，已成为世界的技术带头人。瑞士的Meyer Burger公司在原DS260多线切片机的基础上研制出DS261、DS262、DS264、DS265、DS267几种机型。其中DS262、DS264、DS271机型是专为太阳能级硅片切割设计的，DS262机型一次可切四根单晶硅棒，其最大生产率为一次自动切割过程中能切制出圆片4400片。DS264、DS267机型为两轴（导轮）驱动形式，最大切割面积220*220，切割长度800mm和1000mm，其中DS-264在我国使用较为广泛。HCT公司产的多线切片机主要有 E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E12四种，其中E400SD、E500S两种机制主要用于太阳能级硅片加工,最大加工到150mm。E500ED-8, E400E-12适用于半导体圆片加工生产,E500ED-8为200mm设备，E400E-12为300mm设备。HCT公同多线切片机设备主要以四轴（导轮）驱动形式设计，这样可以增大工作台的面枳,增大切割能力.HCT公司(日本外山公司)主要提供300mm晶圆片切割机MNM444B和MWM454B两种,三轴(导轮)驱动形式，存线长度达400Km. 用于太阳能电池切片的MWM442D和PV800硅片线切割机，两轴（导轮) 驱动形式，最大切割面积156*156mm。TAKATORI公司产品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-6IOSD三种，可用于100mm200mm之间半导体材料切割。该公司其一些多线切片设备主要用于尺中较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种多线切片机产品中都属于三轴 (导轮)驱动形式，MWS-610SD采用材料向下运动切割方式.这两种多线切线切割机线丝存线长度不超过150Km。不二越机械工业株式会社多线切割机主要有FSW-150型.三轴（导轮）驱动形式，可切割150x150方型材料(主要针对太阳能光电硅材料切割），存线长度不超过150Km.以上多线切片机切割厚度为0.2mm。随着中国光伏产业以令全世界震惊的迅速崛起，几大多线切割设备厂家的设备生产几大多线切割设备厂家的设备生产 能力远远不能满足中国硅片加工企业的需求.在2008年市场火热的设备交货期最少半年以上，有的甚至一年以上。于是很多相关的设备制造企业纷纷介入，比如日本的高鸟，安永专门推出了针对太阳能硅片切割的机型。国内最早从事太阳能多线切割机幵发的要数上海日进了。上海日进引进日本技术，早在2006年就推出了第一台多线切割样机，样机类似NTC MWM442D。样机在日进内部切割试验结果良好，切除的硅片质量完全合格。但是客户在实际试用的时候，还是遇到了很多的问题，比如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差。国内陆陆续续推出多线切割机样机的厂家还有上海汉虹、电子集团45所、兰州瑞德、无锡开源、大连连城、北京京联发、湖南宇晶等。从样机来看,技术原理和设计主要都是借鉴了日本NTC MWM442D机型的很多理念，样机基本都属于小型机。北京京联发尝试开发类似HCT B5机型的样机，但是在市场上没有看到试用的设备。国内目前开发的多线切割机样机都面临着类似的问题，成品率低、断线率高、控制精度差等。加上当否价格高昂，每次的损失可能动则几万元到几十万元，这也限制了设备制造企业很难获得更多的生产性试验数据来改进设备。湖南宇晶在2006年左右开始研制多线切割机，主要针对水晶切割市场。经过几年的改进的实验后，目前在国内也已经销售出了几十台多线切割机，取得了长足的进步。但是该公司还没有开发出适应太阳能硅片切割的线切割机。虽然国内很多厂家在多线切割机的开发上投入了很大的人力、物力，但是实际进展却不如人意。在2008年PV行业爆发式增长之际，不仅多线切割机交货期大大延长，连硅锭开方机也变得非常紧张。由于开方机使用的钢丝直径较粗，一般250微米到300微米，较切片常用的直径120微米的钢丝不容易发生断丝。别外，开方完成后，一般还要对硅碇打磨。因此对切割的精度要求比硅片大大降低。不过，据调查，目前,国内仍有多家企业在该领域进行着艰苦的研发。陕西汉江机床有限公司于2008年开始了数控多线硅片切割机的研制幵发，经过探索攻关，于2010年研制生产出了GK4620数控多线硅片切割机床。浙江台州双辉机械设备有限公司相关负责入也告诉记者，他们生产的多线切割机采用智能化装置，加工的硅晶片总厚度偏差在5微米以下。据称，由于性价比优于国外同类产品，目前双辉机械生产的这款多线切割机在市场上反响不错。此外，天龙光电公司、尤锡开源太阳能设备科技公司、郑州锐驰机器设备公司等企业也枳极进行了多线切割机的研发，并取得了相应成果。1.1.2 多线切割机的技术发展趋势随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。多线切割机的发展趋势可概括如下:(a)大型化。在保证加工精度的基础上，增加工辊切割面的有效面积，以便一次加工更多材料，使晶片加工的切片一致性提高，提高基片的档次，同时降低生产成本。(b)高速度。高速数控系统会使多线切割机实现高速化，走线速度的提高，有利于加快切割速度，提高切割机加工效率。另外，直线速度的增加将提高砂浆的流动性、渗透性，等效于增加砂浆配比，一方面增强切割机的研磨效果，另一方面可以减少单位切片研磨砂的消耗量，降低生产成本。(c)高精度。改善多线切割及动态、静态特性等有效措施，机器精度提高，高精度的切割机系统会使切割线无效摩擦减少，切割线径减少一方面会使加工材料损耗减少，加工晶片表面损伤层浅，粗糙度小，出片率高，另一方面会提高切片弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等核心性能指标。(d)电镀金刚石线锯切割。电镀钢线锯是把金刚石或者碳化硅颗粒用一定的技术固定到切割线上进行切割。这样做可以极大的提高切割效率,降低切割成本。并且如果采用电镀金刚石线锯切割就可以直接采用水做切割液。大大的改善了工作坏境。(e)智能化。综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，切割机加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数,实现了在线诊断和智能化故障处理，在网络化基础上实现了中央集中控制的群控加工。1.2数控多线硅片切割机的切割机理太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区,在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型及粒度、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。1.3多线切割技术的工艺流程多线切割技术是利用线网与工件的相对运动来实现对工件的切割。从一根完整的硅棒到硅片成品要经过很多道工序。下面我将分别对每道工序逬行简单的说明。(a)圆棒分段：既是把单晶整棒(一般在12米）进行简单的分段。所分晶棒的长度随多线切割机加工能力的不同也不尽相同。一般在300400mm之间。(b)圆棒开方：开方的过程由专门的开方机进行，开方既是把切好的晶棒段进行加工，使之成为硅锭的过程。(c)磨而：对开方过的晶锭四个表面进行打磨，达到要求的表面粗糙度。(d)滚圆：用磨床将硅锭的四条棱进行打磨，使其光滑平整。(e)粘胶：把待切的硅锭用特制的胶水粘在工件铁板上,方便硅锭在切割机上的装夹。(f)多线切割：既是把硅锭多线切割成硅片的过程。也是整个线切割工艺流程中最为重要的一环。(g)脱胶：把切好的硅锭连同工件板一起放在脱胶槽内，使硅片和工件板分离。便于下阶段硅片的清洗。(h)硅片清冼：清冼掉硅片上残留的砂浆液，初步剔除不合格及有缺损的硅片。硅片清冼现在有专门的硅片清洗机。(i)硅片检验：对加工好的硅片进行细致的检验。主要检验内容有：厚薄不均、线痕、硅落边缘、脏污、应力片等。1.4研发国产数控多线硅片切割机的意义光伏和半导体照明产业是我国的战略性产业之一。光伏产业属于新兴行业，由于它具有环保，低耗等多个明显优点，所以在以后的工业进程中具有很好的发展前景。根据赛迪顾问公司研究报告统计：“2007年国内光伏和集成电路产业基片需求额为212.1亿元，2008达到356.1亿元，从2009年到2012年其需求量平均每年以12%-16%的速度增长。”自从60年代起，半导体材料被广泛的应用于各类电子元件，其中硅类半导体更是因为其价格低，易于生产等优势成为半导体行业的新宠（图为全球硅晶体产量变化曲线图）。于此同时集成电路也正朝着极大规模集成电路/超大规模集成电路的力向发展，对硅锭的切片加工设备的精度、加工工件的规格及切片的厚度、平行度等主要指标均提出了更高的要求。目前，世界需求量最大的硅片直很径在6寸、6.5寸、8寸。但随着电子通讯设备，汽车，工业自动控制，航天与军事等的发展，将逐渐使用直径在300mm、450mm的硅片。多线切割机是一种广泛应用于IC、IT、PV行业中，如单晶硅、蓝宝石、石英晶体、压电陶瓷、光学玻璃等硬脆性材料精密切片加工的电子专用设备，同时它更是光电信息产业核心器件-基片制造流程中的关键装备。多线切割是目前应用最广泛的切片加工技术，其原理是通过金属线的高速往复运动把磨料带入等切割材料加工区域进行研磨，将待切件同时切割为数百或数千片薄片的创新性切片工艺。在该工艺中，切割线被缠绕在一个导线辊上，可以一次性完成相当于多刀切割机数百次的切割量，而且在切片的弯曲度、翘曲度、平行度、总厚度公差等关键技术指标上均明显优于传统加工设备，多线切割机以其切割速度快、加工精度高、切割损耗低的优点，已逐渐取代了传统的内圆切割和外圆切割技术，成为硬脆性材料切片加工的主流设备。时至今日，世界各 国对于多线切割机的研制方面却一直没有大的突破，现在国内大部分生产硅片的厂商基本上都是使用外国进口的设备。同时国内对于多线切割机的设计制造技术，也只掌握在国内几个大型机械设备制造公司，这样严重制约了我国集成电路制造、光伏、半导体照明等多项战略性产业的发展。为了打破国外技术垄断，促进我国集成电路制造、半导体照明、光伏等产业相关行业产业链的形成，我国在国家中长期科学和技术发民规划纲要（2006-2020年）重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”中专门设立“300mm压片多线切割机的开发【2009ZX02011.02】”的子课题。多线切割机的成功研制和实现产业化，将攻克极大规模集成电路制造产业链中基片加工环节的核心技术，解决我国多线切割机设备长期以来一直完全依赖国外进口的局面，保证我国电子工业健康快速地发展。研究多线切割机关键技术，开发具有我国自主知识产权的高精度多线切割机产品,是突破国外技术封锁和国内集成电路等相关产业瓶颈的关键举措。1.5影响线切割切削能力的因素分析在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是:切割液的粘度，碳化硅微粉的粒型及粒度，砂浆的粘度,砂浆的流量,钢线的速度,钢线的张力,工件的进给速度等。(1)切割液（PEG)的粘度由于在整个切割过程中,碳化硅微粉是悬浮在切割液上而通过钢线进行切割的,所以切割液主要起悬浮和冷却的作用。(a)切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证由于不同的机器开发设系统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士线切割机要求切割液的粘度不低于55，而NTC要求22-25，安永则低至l8。只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉是均匀悬分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。(b)由于带着砂桨的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标，就会导致液的流动性差，不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个温度过程控制。(2)碳化硅微粉的粒型及粒度太阳能硅片的切割其实是钢线带着碳化硅微粉在切，所以微粉的粒型及粒度表面的光洁程度和切割能力的关键。激光划片机、粒型规则，切出来的硅片就会光洁度很好；粒度分布均匀，就会提高硅片的切割能力。(3)砂浆的流量钢线在高速运动中，要完成对硅料的切割，必须由砂桨泵将砂浆从储料箱中打到喷砂咀，再由喷砂咀喷到钢线上。砂浆的流量是否均匀、流量能否达到切割的要求，都对切割能力和切割效率起着很关键的作用。如果流量跟不上，就会出现切割能力严重下降，导致线痕片、断线、甚至是机器报警。（4）钢线的速度 由于线切割机可以根据用户的要求进行单向走线和双向走线，因而两种情况下对线速的要求也不同。单向走线时，钢线始终保持一个速度运行（MB和HCT可以根据切割情况在不同时间作出手动调整），这样相对来说比较容易控制。目单向走线的操作越来越少，仅限于MB和HCT机器。 双向走线时，钢线速度开始由零点沿一个方向用2-3秒的时间加速到规定速度，运行一段时间后，再沿原方向慢慢降低到零点，在零点停顿0.2秒后再慢慢地反向加速到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中，线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高，但不能低于或超过砂浆的切割能力，就可能导致砂浆流量跟不上,从而出现厚薄片甚至线痕片等。目前MB的平均线速可以达到13米/秒，HTC达10.5-11米/秒。(5)钢线的张力钢线的张力是硅片切割工艺中相当核心的要素之一，张力控制不好是产生线痕片、崩边、甚至短线的重要原因。（a）钢线的张力过小，将会导致钢线弯曲度增大，带砂能力下降，切割能力降低，从而出现线痕片等。（b）钢线张力过大，悬浮在钢线上的碳化硅微粉就会难以进入锯缝，切割效率降低，出现痕片等，并且断线的几率很大。（c）如果当切到胶条的时候，有时候会因为张力使用时间过长引起偏离零点的变化，出现崩边等情况。MB、HTC等线切割机一般的张力控制在送线的收线相差不到1，只有安永的相差7.5。(6)工件的进给速度工件的进给速度与钢线速度、砂浆的切割能力以及工件形状在进给的不同位置等有关。工件进给速度在整个切割过程中，是由以上的相关因素决定的，也是最没有定量的一个要素。但控制不好，也可能会出现线痕片等不良效果，影响切割质量和成品率。1.6 设计内容与本设计的重点难点传动系统由工作台、运丝装置和线架所组成。传动系统包括工作台系统、运丝装置传动系统和电极丝准转系统。主要设计内容如下：(1)高精度导丝辊轴系结构设计；(2)精密绕线辊(放线、收线)传动实现;(3)高精度排线导轮系统实现；(4)切割过程中张力的控制，这是保证切割表面质量的主要因素。 本设计主要是对多线切割机各执行系统的机械设计,对多线切割生产工艺的整体认识，以及对影响其切削能力因素的探究及其微观材料去除机理的学习。在设计过程中，各执行机构的机械设计，装配将是本设计的最主要内容。此外对生产工艺的整体认识及对其微观切削原理的学习也将是本设计的一个方面。设计的难点将主要集中在各机构的机械设计上，对各机构的总体控制也将是个不小的难题。此外对影响切削因素的探究也是一个不可忽视的难点。1.7技术方案 1.7.1研究方法本项目主要围绕数控磨料多线切割机床自主研发、生产制造环节中所需的关键技术问题开展共性技术研究，因此，在研究方法上加强基础理论与工艺基础研究，重点解决技术难点，注重性能试验及精度保持性等相关技术及措施研究。1.7.2技术路线根据国内外大型、精密、数控机床的发展方向，结合数控磨料多线硅片切割机床特点和布场发展的实际情况，制定如下技术路线：研究数控切割工艺进行系统设计融入信息技术推行数字制造加强关键部件的研发开展共性技术研究。2.多线切割机总体设计方案2.1机床的总体设计2.1.1设计机床应满足的基本要求机床设计是设计人员根据使用部门的要求和制造部门的情况,运用有关的科学技术知识，所进行的创造性劳动。评价机床的优劣，主要根据下述的技术一经济指标来判断,这些指标也就是设计机床的具体要求。(1)工艺可靠、可能性机床的工艺可靠性是指机床适应不同生产要求的能力，大致包括下列内容：(a)在机床上可以完成的工序种类；(b)加工零件的类型、材料和尺寸范围；(c)毛坯种类。(2)加工精度和表面光洁度机床的加工精度是指被加工零件在尺寸、形状和相互位置等方面所能达到的准确程度。(3)生产率机床的生产率是指在单位时间内机床所能加工的工件数量。(4)自动化程度为了提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度和更好的保证加工精度的稳性，机床应尽量提高自动化程度。(5)机构制造与维修 在满足使用要求的前提下，机床的结构应尽量简单，工艺性好，容易制造与装配，维修方便等。(6)操作安全方便和工作可靠性 机床应操作方便、省力、容易掌控和不易发生故障和操作错误。这样不仅减少工人的疲劳，保证工人和机床的安全，还能提高机床的生产率。(7)效率、使用期限与成本 机床的效率就是有效功率对输入功案之比，两者的差值就是摩擦损失。2.1.2机床的设计步骤机床的设计工作大体可以分为三个步骤：调査研究 学习有关机床设计的方针、政策、明确设计要求，收集相关资料。 方案拟定 在调查研究和科学实验的基础上，通常可以拟定出几个方案进行分析比较。每个方案所包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、电气系统、主要部件的结构草图、实验结果等。工作图设计首先绘制机床总图和部件装配图：其次绘制机床的全部零件图；然后整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写机床说明等技术文件；最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。2.1.3主要技术参数(1)高精度导丝辊传动系统 加工最大工件横截面可达10加工最大工件长度可达820mm,最大线存量500km,主驱动功率2x65kw伺服电机，直径350mm,三角齿形,槽宽0.34mm,槽深0.18mm。(2)绕线辊传动装置 钢丝直径0.12mm，一卷总长约500Km,伺服电机功率约 37kw,同步带轮传动比为1。 该机床采用工件垂直向下进给，钢丝线水平移动切割的形式。主要由工件进给机构、切割机构、收放线机构、排丝机构、张力检测和调节系统、磨料浆液系统、冷却系统、气动系统和电气控制系统组成。2.1.4主运动电动机功率的确定电动机功率是计算机床零件和决定结构尺寸的主要依据。电动机功率取得太大，则机器零件、部件的尺寸也会随之不必要的增大，不仅浪费材料，而且使电动机经常处于低负荷情况下工作。功率取得太小，则机床的技术性能达不到设计要求，而且电动机将长期处于高负荷的状态，容易烧坏电机和电器元件。机床的电动机的功率通常用计算、实测法或调査研究现有机床的方法加以确认。但现有同类型的专用机床较少，实测的方法将受到影响，而通用机床的工序多变，计算和实测条件也变化不定，因此调查研究现有机床的电动机功率有时则成为确定电动机功率选择的主要方法。经过研究市场上数控多线硅片切割机的功率，以及老师的指导，导丝辊电机和绕线辊电机分别选用丹佛斯同步伺服电机DSM264 T2646S20HF和日本三菱公司HA-LP37K1M电机，具体参数如表2.1示：表2.1 伺服电机参数2.2多线切割机的工作原理 将硅棒加工成成品压片要经过很多步工序，而多线切割硅锭则是所有加工工序中最为重要的一步。一根完整的硅棒要经过圆棒分段、开方、麻面、滚圆、粘胶、硅锭多线切割、脱胶、清洗、硅片检验等多个工序最终才能成为合格的产品。其中圆棒分段、开方、切割则是最重要的工序。多线切割机的工作原理是：将一根从放线轮引出的钢丝通过导向小滑轮和张紧机构缠绕在两个平行的主辊上，主辊上有槽。且这些槽间距一定（一般在0.3mm左右）。钢丝通过平行的线槽缠绕在主辊上，形成多重切割线网。再从主辊的另一端将使用过的钢线通过导向小轮和排线机构收集在收线轮上。钢线的传动主要由主辊电路和收放线轮电路施加的扭矩带动。钢线上的张紧力则有张紧系统控制，且一般由切割硅锭尺寸的不同张紧力也略有不同（如：6.5寸、6寸的切割力约为18N，8寸的切割张力约为21N）。工作台升降过程中，将事先装夹好的硅锭推向正在高速运动的线网上，从而使硅绽与线网产生相对运动。从而实现对硅锭的切割,最终获得所需的硅薄片。往往在实际切割加工中，为了使硅锭前后切割均匀,降低钢线成本,切割过程都是往复行。也就足说有一段钢线会对硅锭进行重复切割。2.3游离磨料多线切割机的三大辅材游离磨料多线切割机三大辅材分别是:切割液、切割砂、切割线切割液切割液的主要作用：切割液在切割过程中主要起到，冷却钢线、悬浮切割砂、润滑等作用。切割液的主要成分是聚乙二醇，属于非离子型，能溶于水及有机溶剂。对碳化硅具有高悬浮性，切割液的使用能有效的降低表面张力，提高的润滑性可减少切割过程中的摩擦力，同时它还具有湿润、冷却、坑氧化和易清洗等优点，在加工过程中使用硅片的损伤层浅、切割片薄、成品率高、易于清洗。切割液除了在硅棒加工中有很好的表现，它本身也具有无毒、无腐蚀性、无异味、不易变质、存放时间长、易运输、综合性能好等诸多优点。下面列举由河北晶龙精细化工有限公司自主研发的切割液的具体技术参数如下表示： (2)切割砂在多线切割中，所釆用的切割砂主要有人造金刚石颗粒和碳化硅颗粒两种。现阶段国内大多硅片生产厂家大都选用碳化硅做为其主要的切割砂。碳化硅具有硬度高、抗高温性能好、导热率高、高温稳定性好等特性。基于碳化硅的这些显著优点，它被广泛应用于机械零件、电子元件、石材加工等领域。从全世界碳化硅数量上看，冶金领域的碳化硅用量最大。在碳化硅的总消费量中68%用于冶金，32%用于制作磨料。随若光伏半导体产业的迅速发展，碳化硅由于其自身的高强度、高硬度等性能，也被广泛的在半导体切割中使用。由于国内在半导体多线切割用碳化硅微分的生产起步较晚，国内的半导体厂家开始大都使用进口的碳化硅，世界比较知名的碳化硅生产厂家如德国ESK、日本FLUIMI等。近几年，随着国内半导体行业的不断发展，国内一些厂家在碳化硅微分的生产中也取得了不小的迸展。如：晶华化工、安阳瑞金金属材料有限公司等。在单晶硅多线切割中，碳化硅的选用对硅片的厚度、质量也起到很重要的影啊。硅片厚度的计算公式如下：硅片厚度=槽距-（钢线直径+3.5D50值），其中，D50值是指碳化硅的粒度中值。由于国内的半导体切割碳化硅微粉大部分出口日本,则现在在国内比较通用的是日本标准。在实际的生长使用中，因为碳化硅微粉具有较强吸水性,在空气中极容易受潮团结，所以要保存在干净干燥的环境中。团结后，碳化硅颗粒分散性降低,致使砂浆的粘度降低，同时也可能在砂浆中形成假性颗粒物和团结物。应尽量避免碳化硅微粉裸露在空气中时间过长。在使用之前最好可以进行烘砂。(3)切割线现阶段行业中切割线的种类比较多,最为理想的是具有高刚度、不易断丝的合金钼丝切割线。但切割线大都为一次性使用，生产厂家在保证质量的前提下，为了降低生产成本，大都选用镀铜的高强度钢丝作为其切割线。切割线在多线切割生产中，主要是作为切削载体而存在的。现阶段在国内市场上钢线的型号主要有含碳量为80#、90#等几种。下表为含碳为80#和90#的钢线的技术参数。（圈径：取一米钢线,使其垂直自由落下,所形成封闭圆的直径即为此钢线的圈径。）2.4砂浆的组成及回收砂浆的组成其实就是上面介绍过的两种多线切割机辅材（切割砂、切割液）以一定比例搅拌混合而成的。切割进行时，通过砂浆管将砂浆用喷嘴直接喷到直接进行切割的金属切割线网上。金属切割线带着粘有切割砂的砂浆到切割槽中,从而对硅锭进行切割。砂浆的主要机能组成既是切割砂，一般常用的切割砂和金刚石两种。但这两种切割砂价格都很昂贵，大概会占到整个切片成本的25%-35%之间。一组固体碳化硅颗粒浓度变化范围在30%-60%,且平均颗粒大小5-30um，使用 砂浆的主要目的是运输切割砂进入线槽，进而到达晶体表面。砂浆的进入是通过切割线和高粘度的砂桨之间的相互作用共同完成的。通常只有一小部分的砂桨可以进入切割区域，影晌这个的很重要的一个因素是砂浆的粘度和切割的速度。一般在工业生产上，砂浆密度的确定是经过计算和长期的经验总结得来的。本次毕业设计中砂浆密度为1.630g/cm3。由于在多线切割中砂浆的使用量非常大，且砂浆的制作成本非常高。所以对砂浆的回收利用就成了一个势在必行的趋势。多线切割废砂浆中，其组成主要有：聚乙二醇35%；碳化硅微粉33%；单晶硅微粉9%；水5%和组成切割液的其他物质15%。其中聚乙二醇、碳化硅、单晶硅的市场价格都非常昂贵。现阶段国内对废砂浆的分离技术还只能停留在对切割液和切割砂的分离上，且分离成本较高。而对最值钱的单晶硅微粉却只能采取强碱反应的方式去除，根本无法进行提纯。所以多线切割废砂浆的分离提纯必将是我们需要研究解决的方向。2.5游离磨料线切割的材料去除机理多线切割技术有效切割的目的是：在保证硅片切割质量的前提下，以一个较高的处理量、以量少的砂浆用量和硅锭损失来进行的切割。由于制约切割质量的因素非常多，很多参数也会随情况的不同而发生改变,所以想要最大限度的实现切割的最优化是很难实现的。在实际的工业生产中，对切割最优化的实现主要是根据经验来操作的。从单一一个切割线槽来观察(下图),钢丝和硅锭表面之间的空间内填充着切割液和切割砂。当工作台进给时,硅锭和切割线之间相对挤压,晶体被推向切割线。切割线由于相互压力的作用发生弯曲。该弯曲的角度有切割硅锭尺寸的不同而不同。但其一般的变化范围在1-5度。钢线上的压力随着接触点的范围而变化，在钢线与硅锭接触的正下方压力达到最大值，往两侧逐渐减小。由于钢线的横向振动，也会有额外的力施加在线槽的两侧。线槽两侧的切割过程是极为重要的，它决定了最终硅片的表面质量。国内外对游离磨料线切割过程材料去除机理的研究主要集中在磨料和切割线与工件作用模型、磨削液作用模型等方面,目前提出的去除机理模型包括:单颗磨粒滚动-压痕模型、多磨粒压痕效应模型以及弹性-流体动压效应模型等。2.5.1单颗磨粒滚动(压痕模型)在游离磨料多线切割方法切割过程中，存在于工件和切割线之间磨削液中的磨粒在工件加工区域进行滚动-压痕作用或者刮擦-压痕作用，实现材料的去除。在该模型的基础上进一步分析加工过程中单颗磨粒所爱的法向作用力和切向作用力在边界条件下所产生的应力，建立应力分析模型。研究结果表明，最大法向应力出现在磨料的压入点位置，而最大剪应力出现在接触点表面下方。该模型可以在一定程度上预测一定的加工条件下材料的去除率，有助于确定优化磨料的几何参数从而更利于线切割的加工。2.5.2 多磨粒压痕效应模型为了进一步了解游离磨粒线切割过程材料的去除机理，研究者们考虑到多磨粒对工件压痕和接触效应的影响，仿真分柝了游离磨粒多磨粒压痕效应。该模拟分析假定磨粒具有一个相当锐利的圆锥形刃尖，在工件加工表面上产生一个0.2tma的压痕，并认为游离磨料线切割过程中材料的接触效应主要受压痕载荷、压痕间距两个参数影响。研究结果发现，在一定的压入深度条件下，磨粒滚动压痕载荷与磨粒间距成正比例关系，并且:磨料压痕间距减小,或压痕载荷增大,滚动压痕深度会提高,从而使材料去除量增加；磨料压痕间距减小，卸载后工件表面的弹性恢复率提高，加工表面的横向裂纹扩展加剧，材料去除率提高；磨料压痕间距减小，加工表面的凹坑数目增加，磨粒与工件表面间的摩擦减少，切割效率提高。2.5.3 弹性-流体动压效应模型研究者还应用有限元方法对游离磨料线切割晶片过程中流体动压效应进行分析，给出切割区流体动压力和膜厚分布曲线图。研究结果表明，加工区域具有切割线进口油膜压力大于出口油膜压力、线接触处油膜中间薄两边厚的分布特点,并指出油膜厚度随走丝速度和磨削液粘度増大而增加,随切割线弓角增大而减小;油膜压力随走丝速度和磨削液粘度增大而减小,随切割线弓角增大而增大。磨粒悬浮于磨削液中,材料去除是靠油膜压力和切割线运动共同促使磨粒在加工表面滚压-嵌入作用实现的。在油膜厚度适中和走丝速度尽可能高的条件下,控制切割线弓角在40-60度，增大切割线张紧力，提高磨削液粘度，并使用较粗磨料将有利于提高材料去除率。山东大学桑波等人通过自柔顺系数法建立油膜厚度方程，运用有限差分法求解雷诺方程，并对游离磨料线切割切片过程中的流体动压效应进行分析。研究结果表明，膜厚随切割线弓角和切割张紧力的增加而减小;流体动压力随走丝速度、切割线弓角以及切割线张紧力的增加而增加,随切割区长度、切割线直径的增加而减小。此外,葛培琪等人建立了游离磨料线切割过程中流体动压效应的数学模型，并结合有限差分法对其进行数值分析,得到了游离磨料线切割硅片的流体动压力分布和膜厚。研究结果表明：当磨料尺寸较小时,切割线与工件间的膜厚将大于磨粒尺寸,磨粒将悬浮于磨削液中。因些，磨削液中的磨料与晶体的碰撞将是材料去除的主要因素。2.5.4磨削液的作用对于游离磨料线切割加工来说，磨削液是一个非常重要的影响因素。磨削液通常由乙二醇基溶液或者矿物油基溶液与SiC磨料按照一定的浓度配比而成。相对于水基溶液来说，乙二醇基溶液比较淸洁，适合于集成电路产业。在游离磨料多线切割加工过程中,溶液作为SiC磨料的载体，其功能是基于线的高速运动将磨粒带到切割区域，并通过磨粒的滚动压痕作用实现材料的去除。由于进入切割区域的磨粒数目受到磨削液粘度及其行为的影响，因而对切割效率产生一定的影响。日本研究则通过调整拍摄游离多线切割加工过程中的磨削液作用的全过程，发现切割线上的油膜对切割效率和压片表面质量有着重要影响。相同的加工工艺参数条件下，改变磨削液喷射角度，存在两种运载磨料类型：一种是无油膜运载，另一种是有水平油膜运载。实验结果表明，与无膜相比，有水平油膜存在时能运载更多的磨粒进入切割区域，从而提高切割效率和表面质量。2.5.5单晶硅各向异性的影响单晶硅切割过程中，其各种异性所体现出来的力学性能对压片最终的表面质量及相关特性有着重要影响。如果切割线进给方向与晶体解理方向垂直，则切割线的运动方向与解理方向一致，此时，硅片破碎可能加剧，压片表面质量变差、成品率低。我们通过对单晶硅的三种晶面(111)、(110)、和(100)对称点上所进行任意方向进给切割的实验研究发现，单晶硅晶面(100)和(110)对称点上的任意方向都可以进给，但在它们晶面的解理点仅存在四个最佳进给方向，而晶面(111)解理点却存在六个最佳进给方向（如图示）合理控制切割线纵向两边去除率相等的方法能有效地解决硅片破碎的可能，并能获得较好的压片表面质量。研究人员通过改进单晶硅的装夹方向来避免晶体的晶向和线痕的方向相互平行，从而减小压片在切割和后续加工中出现崩裂现象的可能性。研究发现线痕方向和晶体晶向的夹角大小在30-80度范围内都能大大减少裂纹的产生、有效地避免崩裂现象的发生，而夹角为45度时效果最好。3.多线切割机机械系统设计3.1 本设计切割机的总体设计思路本设计多线切割机设备系统主要组成部分，分为五大类：分别是：工作台升降系统、主辊传动系统、收放线轮系统、排线系统、张力系统。下面的章节将对母个系统分别进行设计说明。3.2工作台升降系统设计本设计切割机工作台工作原理是：多线切割机的工作台通过电动机带动丝杠传动，通过丝杠上套有的小滑套带动下连接支座和内套筒做上下运动，从而带动与滑套相连接的工作台做上下运动，进而达到使工作台上下进给的目的。因为多线切削机的切割是靠工件和线网的相对运动来完成的，所以在整个机械设计中，工作台升降系统承担了加工过程中主运动的角色。是整个切割过程中非常重要的一环。因为工作台升降系统的运动平稳度将会直接影响到加工硅片的加工精度和表面光洁度。所以在经过多方比较以及借鉴前人经验，选用传动稳定性好的丝杠传动来作为工作台的升降传动方式。下面我将对工作台升降系统的主要组成和功能做较为于详细的说明。我把整个系统分为三个部分来依次说明。这三个部分分别是：丝杠传动部分、内套筒部分、外套筒部分。(1)丝杠传动部分丝杠传动部分是整个工作台传动的灵魂所在，在不仅是整个系统的动力源，也是保证工作台能灵活升降的主要制约因素。丝杠被固定在外套筒上，丝杠的有丝端通过丝杠上的滑套和内套筒相连接。丝杠的轴端从外套筒伸出，将被接上一个联轴器与选定电机相连接。此选定电机即是整个工作台升降系统的动力源。同时我们不难看出，所选丝杠的导程是制约工件进给最大位移的主要因素。此丝杠传动机构为一外购组件，现阶段国内有专门的厂商生产此类产品。(2)内套筒部分内套筒部分即为工作台升降系统的移动部分，不难看出移动部分的工作是基于第一部分丝杠传动部分形成的。丝杠上的滑套通过丝杠的旋转传动而沿着丝杆做上下运动，而下连接支座通过螺钉与丝杠滑套相固定。因此，该当滑套运动时就可以带动内套筒的移动了。而内套筒上固定着工作台，从而实现了工作台的上下进给。(3)外套简部分外套简部分是工作台的固定部分，它是不运动的。其主要作用是保证整个机构的稳定性。轴承和轴承盖起到了稳定丝杠的作用，使得丝杠在旋转过程中始终保持稳定竖直。而支承座和支撑架的连接固定则保证了整个机构的稳定。3.3导丝辊传动系统的设计主辊的设计是整个设计中最为重要也是最为困难的部分。因为主辊是整个多线切割过程的核心所在。主辊上的线网是切割活动的直接执行者和载体。所以保证主辊的稳定性，设计精度是保证切片质量，提高生产效率的最主要因素。我把主辊的设计分为两个部分来于说明，它们分别是：主辊的驱动系统设计、主辊的机械结构设计。(1)主辊的驱动系统设计主辊驱动的主要任务是将两根主轴带动旋转起来，同时最重要的是要保证这两根主轴的主动角速度大致相同，既是要保证两轴之间的同步性。但由于电机和传动中的摩擦等多个因素的影响，用一般的电动机带动两个主轴的设计思路在保证两轴同步性上达不到要求。由于伺服电机的基本概念是准确、精确、快速定位。伺服电机的构造与普通电机是有区別的，带编码器反馈闭环控制,能满足快速响应和精确定位。所以本设计在主轴驱动设计中,决定采用两个伺服电机通过联轴器带动两个主辊同时运动的方式来迸行。(2)主辊的机械机构设计在阅读大量文献和在指导老师的帮助下，我发现现有的导丝辊机械机构设计都比较复杂，在满足设计要求的情况下我决定用直接传动的设计方法。导丝辊由伺服电机驱动，当电机转动时，通过联轴器传递动力。轴的左右两端分别由轴承支撑，中间由轴肩、定距环和键定位，端部用密封圈密封，用端盖固定。由钢线在工作中是缠绕在由复合材料制作而成的切线承载主辊上的，旋转的主轴将帶动绕着钢丝定向移动起到切割硅锭的作用。但由于钢丝的作用是双向的，在切割过程中它不仅对硅锭起到了磨削作用，同时也对主辊进行了磨削。从而造成了主辊的磨损，虽然在主辊设计上，己经尽可能的提高了它的耐磨性。但是由于钢线的磨削能力很强，一旦主辊损坏会直接影响到多线切割的能力及成品硅片的质量。所以在实际生产中对主辊的更换是很频繁的，一般生产中为了提高生产效率、降低不必要的损失，主辊的更换时间大约为200小时左右。因此在主辊的设计是也要考虑到主辊更换的方便性。上二图为比较具有代表性的主辊实物图。3.4 收放线辊系统设计收放线轮系统主要是起收线和放线的作用，如果从整体布局来看切割线的话其实只有一根，而收放线轮就是切割的起点和终点。因此收放线轮系统必须包含两个轮系，分别是收线轮系和放线轮轮系。每个轮系都分别通过单独电机带动，同步控制。切割线往往都是从放线轮出来经过主辊切割工件再回到收线轮上，依次不断进行。详细装配见图纸。 收放线轮的机械结构比较简单，它是通过同步带传动的伺服电机的动力来转动的。主要部件就是轴、轴承、线轮和同步带。线轮通过定位销和轴肩定位。轴通过轴另一端的键与联轴器相连。当电机旋转时带同步带，同步带再带动主轴，因为线轮被轮固定在轴上，所以当轴转动时，也就实现了线轮的转动。收放线辊要求线轮易更换，且方便管理。本机构的设计中在收线辊中开有凹槽，所以不用拆卸零件，只需从凹槽切割钢线即可，既能达到线轮的装夹要不，又利于线轮的更换。图3.4为收放线轮轴的零件图：图3.4 收放线轮轴零件图3.5排线系统设计在多线切割中，第一刀的切割线用量都是非常大的。那么在收放线轮上的钢线储量也是非常的多。一般的为了节省空间，便于操作，钢线都是整齐的一层一层排列在线轮上的。那么在放线轮上钢线的绕出点也是在不断发生变化的，如果钢线的引出角度不能有效的跟随钢线绕出点的不同而改变，那么在整个切割过程中张力的变化将非常频繁且幅值较大。在调整切割时极易造成断线，即使没有断线也会对所加工硅片的质量产生不小的影响。同时虽然收线轮没有放线轮要求那么高，但是如果不能及时调节，也会造成断线。且钢线会在同一位置不断积压，不利于换线的进行。所以设计排线系统是十分必要的。它可以将钢线同步输出与输入，降低线网张力变化，使钢线整齐的排列在收线轮上，减少断线。排线机构按照一定的方向往复的把钢线排列在线轮的排线区域内。丝杠驱动电机带动着丝杠进行旋转，而丝杠滑套与连接板相固定，同时导杆也被定在连接板上，导杆前段固定着小滑轮。当丝杆旋转时，滑套带动连接板做前后往复运动。连接板则通过导杆带着小滑轮，实现对钢线的排列。 切割线只有始终保持在张紧状态下才能进行切割运动，线的张力一般控制在20-30N之间，走丝速度在500-1000m/min，为保证切片的平行度，切割线必须往复运动，慢速进给，每分钟大可往复15次。线速越高刚切片的质量越好。由此可见，收放线轮的位置，导向小滑轮的布置以及走线的方式都对切割质量会产生影响。所以对排线系统的设计与布置，也是设计中很重要的一环。3.6张力系统设计张力的大小是影响多线切割效率及切割质量的一个非常重要的因素。如何有效的给线网施加额定张力，且能有效的调节张力浮动。是张力系统设计的一个重要方面。对于多线切割机张力系统的设计前人已经做过很深入的研究。具体来说可以分为机械式张力控制和电动式控制两种。机械式张力控制的原理是：在放线轮和收线轮之间加一个张力锤，张力锤可以在垂直的滑槽内上下自由滑动，通过张力锤自身的重力施加张力，并且在切割机直线过程中，有张力锤的位置、速度来调节主电动机与放线电机之间的速度同步。这各张力调节不足在于，由于是机械式调节，所以对于施加在线网上张力的控制精度不高。不能完全的达到线网上张力的恒定。 电动式张力控制的原理是：在机械式张力控制的基础上用一个质量相对较轻的张力摆杆代替张力锤，用一个交流伺服电机作为张力电机对其进行直接转矩控制来代替重力锤的施加张力作用。改进后线网上每一次张力的变化都有张力电机进行调节。极大地提高了对线网张力控制的精度。 本设计采用电动式张力控制方式来设计。3.7控制系统设计多线切割机的控制系统是由9个伺服电机组成的多电机伺服控制系统。经过查阅资料以及和同类产品相对比，最终选用欧姆龙CJIW-MCH71多轴运动控制器作为其主控制器。驱动器选用R88DWT20H，伺服电机用R88D-W1K815T。伺服系统和主控制器之间的通信采用SERCOS总线来实现。图3.7为多线切割机控制系统原理框图。图3.7 多线切割机控制系统原理框图软件功能主要包括主电机的同步运动，主电机和收放线轮电机的同步运动，收放线轮电机与排线电机的同步运动。3.8多电机同步控制系统多线切割机是由9个伺服电机组成的多电机系统，其中包括两个主轴电机，两个收放线轮电机，两个排线电机两个张紧轮电机和一个工作台电机。 两个主电机通过电机直接连接着负载驱动两个加工主辊工作，两个主辊之间的同步运动通过带轮带动实现，主电机是多电机进行切割线的收线和放线，实时跟随主电机保持速度同步；排线电机跟随收放线轮电机运动，使切割线均匀的绕在收放线轮上；工作台电机根据待切割材料的硬度、几何形状和尺寸等因素来确定每个时刻工作台的位置和速度。 通过以上分析可知，多电机同步控制系统的实观关键在于以下两点：一是必须保证两个加工主辊之间的速度同步，否则钢丝容断裂，不能完成切割。二是收放线电机实时跟随主电机的运动，在运动过程中，随着放线轮的钢线逐步转移到收线轮上，收放线轮径不断发生变化，将导致收放线轮的转动惯量、线速度等发生变化，必须实时调整收放线电机跟随主电机的速度，并使其保持不变。4.关键零部件及其传动的设计4.1绕线辊传动装置设计4.1.1同步带传动设计介绍 同步带传动是由同步带与两个或者多个同步带轮组成的啮合传动，其同步运动和动力通过带齿与轮齿相啮合传递。 同步带传动具有齿轮传动、链传动的各种优点。传动比精确，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸震，噪音小，传动比范围大，传动效率高，传递功率从几瓦到数百瓦，结构紧凑，通用于多轴传动，张紧力小，不需要润滑，无污染，应用广泛。同步带传动是以带齿与轮齿依次啮合来传递动力。因此，在同步带传递扭矩时，带将受到拉力作用。带齿承受剪切力，而带齿的工作表面在进入和退出与轮齿啮合的过程中将被磨损。因此同步带轮的主要失效形式有如下三种：(1)同步带的承载绳的疲劳断裂；(2)带齿的剪切破裂；带齿工作表面磨损，失去原来的形状。 根据实验分析，当同步带绕与带轮，在所包圆弧内，带齿与带轮的啮合齿数Zm大于6时，带轮的剪切强度将大于带的抗拉强度。同时，随着粘附于带齿工作表面上的尼龙包布层的变化使带齿的耐磨性有了很大提高。因此在同步带正常工作条件下，同步带的主要失效形式是带在变拉力作用下的疲劳断裂。所以同步带传动根据带的抗拉强度作为设计准则来进行设计的。4.1.2具体参数计算 由机械设计手册中查的梯形齿同步带传动设计计算方法，由GB/T11362-2008得设计内容和步骤。 已知伺服电机额定功率37KW，额定转速1500r/min。设计功率Pd （4.1）-工况系数，见表4.1 -传递功率，kw按普通使用查表得=1.8 =1.837=66.6kw（2）带型节距根据P和，选取具体带型对应的节距。-小带轮转速，r/min查得为XH型。(3)小带轮齿数由表选择，带速V和安装尺寸允许时，尽可能选取较大值查得=26，此处选取=30(4)小带轮节径 =212mm （4.2）(5)大带轮节径及齿数由于传动比为1，所以大带轮和小带轮的相同。(6)带速v由 （4.3）得v=16.6m/s （7）初定中心距由 （4.4）暂定为700mm（8）带的节线长度及其齿数 （4.5）选取接近的值及其齿数，计算后查表得=2133.6mm 代号840 =96（9）实际中心距 （4.6）确实中心距a=740(10)基准额定功率 、m-由表4.4选取 （4.7）得=60kw(11)带轮啮合齿数 -去括号的整数部分 （4.8）得=15（12）啮合齿数系数时， 时， （4.9）（13）带宽 按表4.4选取 （4.10）所以取127mm（14）作用在轴上的力 （4.11）计算得=N 速度同步带速度为：选用XH型同步带， ，零件图如下图4.1.2：图4.1.2 同步带零件图4.2导丝辊主轴组件设计 主轴的机构设计应满足使用要求和结构要求，并能保证主轴组件具有较好的工作性能。主轴结构尺寸的影响因素比较复杂，目前尚难于用计算法确定出。通常根据使用要求和结构要求进行同型号同规格机床的类比分析，先初步选定尺寸，然后通过结构设计确定下来，最后在进行必要的验算或者试验，如不能满足要求可重新修改尺寸，直到满意为止。 4.2.1轴设计的主要内容 轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力设计计算两个方面的内容。 轴的结构设计是根据轴上的零件安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件工作的可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的机构设计是轴设计中的重要内容。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或者塑性变形，而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。 4.2.2轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。 由于碳钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或者化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造的轴比较广泛，其中以45钢最为常见。 合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或者低温条件下工作的轴，常采用合金钢。表4.1为轴常用材料及其主要力学性能。4.2.3 轴的结构设计 轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴上被支撑的部分为轴颈。安装轮毂的部分分称作轴头：连接轴颈和轴头的部分称作轴身。 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或者周向的相对运动，轴上零件了有流动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。(1)零件的轴向定位 本设计中，轴上零件的轴向定位是以轴肩、定距环、挡油环、轴承、轴承端盖和螺母等来保证的。为了方便零件的装拆，将轴做成阶梯形，它的直径从轴端各中间增大。定位轴肩的高度h=(0.07-0.1)d，d为与零件配合处的轴的直径。(2)零件的周向定位用键定位，限制轴上零件与轴发生相对转动。轴承内圈在圆周方向上的固定是靠内圈与轴之间的配合实现的。 轴的结构应满足以下几个方面：对装配在轴上的零件，应进行可靠的轴向固定和周向固定；便于轴的加工和轴上零件的拆装；有利于提高轴的强度和刚度，以及节省材料，减轻重量。 4.2.4轴的设计计算 （1)选择轴的材料导丝辊传动功率较大，无其他特殊要求，根据设计手册中轴的常用材料选用表4.1选用合金钢40Cr。 （2）初步伺服电机的功率为63379W，额定转速2000r/min，总效率。 （4.12）式中：-扭转切应力，MPa；T-轴所受的扭矩，；-轴的抗扭截面系数，；n-轴的转速，r/min；P-轴的传递功率，kW；d-计算处轴的截面直径，mm；-许用扭转切应力，MPa。由公式4.12可以得轴的直径34.729.8mm（3）初步设计轴的尺寸如图4.2.4-1示图4.2.4-1 轴形状设计图轴2处为导丝辊的放置处，轴1、4处为轴承放置处，轴5为端盖放置处，轴6为联轴器放置处。轴 1为轴承和定距环放置处，初步定为直径85mm，长度104mm。轴2段为导丝辊放置处，由给定参数820mm和定位要求，初步定为直径110mm，长度826mm。轴3段为轴肩，起定位作用，由轴肩高度一般为配合处直径的0.1-0.07倍，初定为直径132mm，长度26mm。轴4段为轴承放置处，初定直径100mm，长度108mm。轴5段为端盖处，尺寸长度要求不是太严格，初步定为直径75mm，长度100mm。轴6段和联轴器相联接，由联轴器的标准定为直径60mm，长度107mm。详细尺寸见下图4.1.4-2示：4.1.4-2 轴详细尺寸图（4）对轴进行强度校核计算 (1)主轴的受力分析由伺服电机和主轴直接连接，轴上的功率为=61.5KW额定转速=2000r/min,转矩为=302600 (4.13) (4.14)由于辊子质量很大不能忽略,辊子重力4705N做出弯距图和扭距图如图4.2.4-3示:图4.2.4-3 轴的弯、扭矩图由上图分析计算: (4.15) (4.16)所以 =2367N =2338N (4.17) (4.18)所以 =2768N =2734N分析见下图4.2.4-4：图4.2.4-4 轴的弯矩、扭矩图校核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面做弯扭合成强度校核计算。按第三强度理论，计算应力： (4.19)式中的弯曲应力为对称循环应力时取0.3,当为脉动循环变应力时取0.6,当为对称循环变应力时取1.对于直径为d的圆轴,弯曲应力为,扭转切应力,将和带入公式,则轴的弯扭合成强度条件为 (4.20)-轴的计算应力,MPa;M-轴所受的弯矩, ;T-轴所受的扭矩, ;W-轴的抗弯截面系数, ;-对称循环变应力时轴的许用弯曲应力,由表4.1选取.由材料力学知,此轴的抗弯、抗扭截面系数计算公式 （4.21） （4.22）带入公式4.20得：前面已选择材料为40Cr，由表4.1查得的=70MPa。因此，故安全。（4）精准校核轴的疲劳强度a.判断危险截面（图4.2.4-5）图4.2.4-5 危险截划分图截面VI、 VII、 C、D只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及其过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直接是按轴的扭转强度较为宽裕确定的，所以轴的截面VI、VII、C、D均无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响看来，截面II和IV处过盈配合所引起的应力集中最严重；从受载的情况来看，截面B上的应力最大。截面II的应力集中影响考核截面IV的相近，但截面II不受扭矩的作用，同时轴径也较大，故不需要做强度校核。截面B上虽然受应力最大，但应力集中不大（过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端），而且这里轴的直径最大，故截面B也不必校核。截面V显然更不必校核。因为键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因而该轴只需校核IV左右两侧即可。b.截面IV左侧抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面IV左侧的弯矩M为:截面IV上的扭矩T为302600截面上的弯曲应力为: (4.23)截面上和扭转切应力: (4.24)轴的材料为40Cr，由表4.1查得 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按表4.3查取.因 ,经查表得: 由图4.11可查的材料的敏感系数: 故有应力集中系数为: (4.25) (4.26)由附图得尺寸系数;由附图得扭转尺寸系数.按磨削加工,由图得表面质量系数:轴未经过表面强化处理，,得综合系数: (4.27) (4.28)取40Cr特征系数于是，计算安全系数 （4.29） （4.30） （4.31）故可知其安全。c.截面IV右侧：抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面IV左侧的弯矩M为:截面上的扭矩T为302600截面上的弯曲应力为： （4.32）截面上的扭转切应力为： （4.33）截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按表4.3查取。因 ，经查表得 由图可查得材料的敏感系数： 故有效应力集中系数为： （4.34） （4.35）由图尺寸系数；由图扭转尺寸系数按磨削加工，由图得表面质量系数：轴未经过表面强化处理，得综合系数 （4.36）取40Cr特征系数： 所以轴在截面IV右侧的安全系数为： （4.37） （4.38） （4.39）故可知其安全。(5)对轴承的校核初步选定的轴承为深沟球轴承6317。由于径向载荷远远大于轴向载荷（），所以在校核轴承时，只考虑径向载荷。(1)初步计算当量动载荷P由公式 （4.40）查下表，取由机械设计课本第十三章知： (2)根据公式 （4.41）(3)进行载荷计算按照轴承设计手册查深沟球轴承6317的参数。 选用基本额定动载荷(4)计算寿命所以满足预期要求。（6）轴上键的校核联轴器连接处轴半径较小而且键也较小，所以校核此处的键就可以。按平键的强度计算公式： （4.42）式中：T-传递转矩，；K-键与轮毂键槽的接触高度，mm；l-键的工作长度，mm；d-轴的直径，mm；-键轴轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa. 合格，符合要求。5.影响硅片加工的重要因素 太阳能硅片的线切割机理就是机器导轮在高速运转中带动钢线，从而由钢线将聚乙二醇和碳化硅微粉混合的砂浆送到切割区，在钢线的高速运转中与压在线网上的工件连续发生摩擦完成切割的过程。 在整个切割过程中，对硅片的质量以及成品率起主要作用的是切割液的粘度、碳化硅微粉的粒型、砂浆的粘度、砂浆的流量、钢线的速度、钢线的张力以及工件的进给速度等。 在硅材料的加工中，目前国内生产的多线切断和切方机床已投放市场。而多线切片机因加工难度大，要求条件苛刻，技术含量高而落后于前者。虽然个别生产厂家有了样机，但技术还不完全成熟，均处在刚刚起步阶段。硅片是光伏电池和电子产品的重要元件，因此，对硅片的质量要求很高。多线切割硅片不是一根线在切，在导线轮上平铺缠绕平行的上千条钢线同时进行切割，也就是说，一次要加工上千片硅片，且每片厚度仅在0.15-0.3mm，加之硅材料属于脆性材料，因此在切割过程中，某一个环节稍有问题，则导致硅片出现线痕、崩边、碎片而报废。硅是较昂贵的材料，是不允许有过多的报废的，这就给加工带来了难度。在硅片的加工中，影响硅片加工质量的因素很多，但主要有以下几个方面。(1)切割液（PEG）的粘度 无论是切断、切方，还是切片，钢线在切割时均离不开砂浆的参与。砂浆是由聚乙二醇和碳化硅微粉按一定比例配制而成，由于在切割过程中，砂浆是悬浮在钢线上的，它不仅参与切割，而且还有冷却作用。因此，砂浆的浓度和黏度对加工性能影响很大。在切割过程中，由于钢线、碳化硅粉与硅体高速摩擦产生大量的热量，如果砂浆黏度大，流动性差，会导致加工散热不好，加工硅片时会产生表面烧伤而成为次品，或钢线因过于受热而折断。如果砂浆过稀，黏度则低，使碳化硅粉在钢线上的浮着国减弱，降低了加工效率。也就是说，在砂浆中，为了使加工效果更好，碳化硅粉要占有一定的量，这样才有能力进行加工。否则，砂浆的黏度再大，而碳化硅粉数量不足加工效果也不会好。切割液的粘度是碳化硅微粉悬浮的重要保证。由于不同的机器开发设计的系统思维不同，因而对砂浆的粘度也不同，即要求切割液的粘度也有不同。例如瑞士切割机要求切割液的粘度不低于55，而NTC要求22-25，安永则低至18.只有符合机器要求的切割标准的粘度，才能在切割的过程中保证碳化硅微粉是均匀悬分布以及砂浆稳定地通过砂浆管道随钢线进入切割区。 由于带着砂桨的钢线在切割硅料的过程中，会因为摩擦发生高温，所以切割液的粘度又对冷却起着重要作用。如果粘度不达标，就会导致液的流动性差，不能将温度降下来而造成灼伤片或者出现断线，因此切割液的粘度又确保了整个温度过程控制。 另外，碳化硅微粉的粒型及粒度也是影响硅片表面粗糙度值和切割能力的关键因素之一。形状规则，切出的硅片表面质量好，粒度均匀的，可提高切割能力。再者，砂浆的流量也影响加工的效果。在切割过程中，砂浆的供给量要充足，不允许有断浆或少浆等现象出现，否则会使硅片产生线痕或钢线折断。因此，砂浆流量需要用流量计进行反馈控制。(2)导线轮的影响 由于导线轮上的钢线进行切割，因此对导线轮的旋转精度要求很高，不许有振动。导线轮上开的上千个钢线槽尺寸要求一致性，且跳动要在0.02mm以内，此外，导线轮支撑轴承要有温度控制装置。因为，导线轮是调整转动。如果运动不平稳，运转精度不稳定，会使被加工的硅片产生加工缺陷而出废品。因此，导线轮的运动精度，将决定机床的性能，它是判定机床好与坏的一个重要指标。(3)钢线的速度 由于线切割机可以根据用户的要求进行单向走线和双向走线，因而两种情况下对线速的要求也不同。单向走线时，钢线始终保持一个速度运行（MB和HCT可以根据切割情况在不同时间作出手动调整），这样相对来说比较容易控制。目单向走线的操作越来越少，仅限于MB和HCT机器。 双向走线时，钢线速度开始由零点沿一个方向用2-3秒的时间加速到规定速度，运行一段时间后，再沿原方向慢慢降低到零点，在零点停顿0.2秒后再慢慢地反向加速到规定的速度，再沿反方向慢慢降低到零点的周期切割过程。在双向切割的过程中，线切割机的切割能力在一定范围内随着钢线的速度提高而提高，但不能低于或超过砂浆的切割能力，就可能导致砂浆流量跟不上,从而出现厚薄片甚至线痕片等。 大连连城数控机器股份有限公司生产的切片机，钢线的速度可达10-14m/s，这个指标已经达到国际同类产品的水平。就目前而言，切片机的钢线的走向有单项和双向之分，对于单线来说控制较容易，而对于往复的双向控制就很复杂。由于导线轮换向，钢丝速度要从高到低转换，直至到零，再由零到最大。由此可见，这个过程，是匀减、匀加、再匀速运动的过程，这就给所有的导轮、排线轮、受线轮、放线轮的同步控制带来了难度。(4)多线切割机之所以能够实现，与钢线的张力是有直接关系的。没有张力就无法切割，而张力过大，钢线就会断线。因此，在切割过程中，钢线的张力及其变化，需进行实时有效的控制。多线切割硅片，在导线轮上缠绕着多则上千条钢线，加工时，张力随时在不断地变化，只要有一股线断线，将使整个加工失败。断线问题是衡量机床性能的又一个重要指标。在加工过程中，钢线的张力不同，对硅片的片痕、崩边也有很大的影响。 钢线张力过大，悬浮在钢线上在碳化硅粉就会难以进入切割部位，且由于张力过大，钢线极易断线。因为，硅片的切割钢线一般直径为0.1-0.18mm，如此细的钢线，如果张力控制不稳定就会产生断线。一般情况下，张力变化控制在正负1N范围内。如果钢线张力过，钢线弯曲度增大，钢线带砂能力同样下降，而且也容易出现跳线现象，同样也易产生线痕等残次片。可见，控制张力的变化和反馈，是多线切割的重要环节。MB、NTC等线切割机一般的张力控制在送线的收线相差不到1，只有安永的相差7.5。(5)进给速度的影响 多线切割机的切割进给即钢线切入被加工工件的速度。进给速度的快慢，决定了机床的加工效率。因此，进给速度是机床制造商和用户非常看重的技术指标。切断、切方机进给大都在1mm/min左右，而切片机大都为0.2-0.4mm/min。因为，进给速度太大，钢线与工件的压力增大，线弓也随之增大，而钢线极易断线。(6)砂浆的流量 钢线在调整运动中，要完成对硅料的切割，必须由砂浆从储料箱中打到喷砂咀，再由喷砂咀喷到钢线上。砂浆的流量是否均匀、流量能否达到切割的要求，都对切割能力和切割效率起着很关键作用。如果流量跟不上，就会出现切割能力严重下降，导致线痕片、断线、甚至是机器报警。(7)砂浆的粘度 线切割机对硅片切割能力的强弱，与砂浆的粘度有着不可分割的关系。而砂浆的粘度又取决于硅片激光划片机切割液的粘度、硅片切割液与碳化硅微粉的适配性、硅片切割液与碳化硅微粉的配比比例、砂浆密度等。只有达到机器要求标准的砂浆粘度（如NTC机器要求250左右）才能在切割过程中，提高切割效率，提高成品率。6.多线切割机各个部分的作用及原理6.1导丝辊 导丝辊是控制的关键部件，导丝辊是用分子材料的精密滚轮，在其表面刻有等同于线宽、深的螺旋槽，切割时将线绕在导丝辊上。要求其材料耐磨性好、刚度高，在切割张紧时不能变形；片厚的控制取决于槽间宽度，槽间宽度误差应小于3um，可见材料要求和加工精度都非常的高。有个别厂家在设计槽间宽度时，考虑到切割线的磨损作了类似刀具补偿的调节方法，槽间宽度从入口到出口依次减小，以保证片厚的离散性小。根据切割材料直径不同和设备制造厂家的技术考虑，导丝辊有2、3、4轮不等，安装方法2轮平行，等边三角形或者梯形，2-4轴驱动，槽轮间距190-400mm，绕线的长度一般在200-400km，线径在0.008-0.20mm。绕线方式也有自动排线绕线和脱线绕线之分，自动绕线的速度大约为25r/min。6.2切割运动系统 除导丝辊之外该系统依次有绕线滑轮、辅助拉杆滑轮、供线轮、卷线轮、回收轮、供给侧张力滑轮、回收侧张力滑轮、供给侧载荷传感器滑轮、回收侧载荷传感器滑轮、固定滑轮、绕线载荷传感器滑轮等。这么多的轮系其作用不外乎放线、排线、张紧、检测、收线的作用，还有相应的驱动电机、传感器。 切割线只有始终保持在张紧的状态下才能运动切割，线的张力一般控制在2.5-3.0kg，走线速度500-1000m/min，为保证切片的平行度切割线必须往复行走慢速进给，每分钟最大可往复15次。线速度高可以减小切片的翘曲。6.3 切割系统 切割系统包括工作台上下垂直运动、定向偏转系统（包括水平和垂直旋转角度）、切割线摇动系统、切入量的控制系统等。 工作台因不同的切割要求有单台面与双台面，双台面几乎是单台面工作效率的一倍，但切片效果不如单台面。早期的工作台面都是自下而上运动，运行中发现切割中片子容易倒，碎片残留难以消除。半导体材料在单晶生长中有晶向，IC制作中有晶向要求，所以晶向的x、y方向调整是必不可少的。 为了提高切片质量及工作效率，有的机型附加了切线摇头装置（实际上是几个导线轮整体摆动一定的角度），这样可以减少切割进给的接触线长，有效地减少加工阻力，提高工作效率，工作台速度0.1-999.9mm/h。切入量控制通过调节切割线偏差传感器来控制工作台返回初始位置的偏差量（设定偏差量为2-5mm）。6.4智能控制系统 多线切割机的控制系统采用工控计算机作为中心控制机，彩色人机界面和操作键能够完成所有操作以及切割、绕