多線切片機張力控制分析

吳智洪

（上海昀豐光電技術有限公司，上海201201）

0 引言

科技和社會的發展，從客觀上推動著人們對于集成電路的需求，而其中所涉及到的切片工藝，也在這種需求的推動下不斷成熟。集成電路中涉及許多硬脆材料切片，諸如單晶硅、藍寶石、石英晶體、壓電陶瓷、磁性材料、光學玻璃等，并且其切片質量和效率直接影響著相應電子設備制成品的基片質量、器件成本等參數。因此，此類材料的切片工藝受到了越來越多的關注和重視。

1 多線切割技術的概念與結構

多線切割技術的核心原理在于通過金屬線的高速往復運動把磨料帶入到待切割材料中，按照預先設定的軌跡進行研磨，并最終將其切開。在操作過程中，多條金屬線同時與待加工材料相接觸，因此可以通過一次操作動作同時切出幾百乃至上千切片，并且在機床健康狀況良好的情況下，切片的彎曲度、翹曲度、平行度、總厚度公差等關鍵技術指標都會勝于用傳統加工設備切割出來的產品。目前，多線切割已成為行業內脆硬特征材料切割加工的首選，有明顯替代傳統內圓切割和外圓切割技術的趨勢。

從工作過程上看，通常選用鋼絲線或者金剛石線作為切割線，并且從放線輥經由一系列導向輥過渡到加工輥上，最后采用同樣的方式將切割線收卷到收線輥。在切片加工過程中，系統通過驅動加工輥轉動，帶動切割線實現高速往復運動，同時將待切割工件移動至與切割線相接觸的位置，通過切割絲的運動帶動研磨用砂漿對待切割件進行反復摩擦，最終實現切割。多線切割工藝示意圖如圖1所示，圖中的加工輥控制著一簇切割線進行運動，對下方的待加工工件施行切割操作。

圖1 多線切割工藝示意圖

在實際的線切割工作系統中，切割線除了受到加工輥以及收放線輥控制以外，還需要受到位于加工輥兩側的張力控制系統以及排線裝置約束，此外供砂系統、主軸冷卻系統、潤滑系統、工作臺進給系統等也都在整個切割工作中發揮著重要作用。在眾多的支持系統中，張力控制系統直接影響到切割產品的質量，也從一個側面影響著切割線以及相關零配件的壽命，是多線切割機床研究重點關注的因素。

2 多線切割張力控制淺析

在多線切割的工作過程中，切割線的狀態直接影響著切割的工藝和效果，其抖動幅度和頻度對于切片的平行度允差、切痕的最小寬度、角度允差等參數影響很大，也是工作斷線故障的主要成因之一。鑒于此，在實際工作過程中應當加強對切割線張力的控制，奠定有效加工基石，切實提高加工效率以及相關經濟效益。首先需要對切割線張力的形成進行深入分析。在加工過程中，切割絲由放料卷向收料卷運動，并且在運動途中經過待加工材料，現用F0表示切割線的張力，根據胡克定律，其可以表示為原料傳送時間t的函數：

式中，V1、V2分別為收料卷和放料卷運行的線速度；ε為原料的彈性模量；δ為材料的橫截面積；L為原料的初始牽引長度。

由式（1）可以看出，材料在牽引運動過程中的張力形成過程實質是一個速度差積分的過程，通過對式（1）求導可以得到式（2）：

式（2）表明，張力變化的方向與速度差相同，因此對于張力的調節可以從調節速度差的角度著手，當速度差保持為0時，張力將保持恒定。對于切割線在加工輥上的張力計算問題，可以參照瑞士科學家Euler提出的張力遞增定律進行計算。在圖2中，假設工作輥順時針轉動，在其上選取dα角度進行考證，工作輥對于切割線的彈力和摩擦力分別用d P和μd P表示，其中μ為摩擦系數。如果單位長度切割線的質量為ρ，則該段切割線對于輥軸的轉動慣量可以用d Iε表示，并且有：

式中，R為輥半徑。

圖2 切割線包繞輥張力分析模型示意圖

圖2中，β為切割線在輥上的包繞角，是輥與切割線2個切點半徑之間的夾角，仍然用ω表示輥的轉速，F表示切割線張力，在輥的不同側標注以不同角標，則在d P方向上有：

式（4）中，dα以及d F均趨于0，因此式（4）可以近似記為：

同時在μd P方向上有：

式（6）中右側可忽略，近似為0，則有：

根據式（5）以及式（7）可以進一步推導出：

對式（8）兩側進行積分運算，則：

由此可以看出，輥兩側的切割線張力與摩擦系數μ及包繞角β密切相關。

在對切割線張力進行控制的工作中，一些小型的多線切割機多采用在加工輥和收放線輥之間增加重力錘的方式，借由重力錘的位置和擺動速度來調節主電動機與放線電動機之間的速度，使其保持同步，消除速度差。但是此種方法屬于開環控制，在穩定性上存在明顯不足，目前僅在260 m／min以下速度的機床中應用。另一種可供選擇的張力控制方式采用單片機控制AD轉換器采集張力傳感器相應的反饋信號，進而做出相應的調節動作。這種閉環控制從理論上會獲得良好的效果，但多線切割時運動系統誤差、各線輥的跳動及切割時的負載效應等問題，會導致切割線張力信號帶寬較大，最高甚至超過500 Hz，大于系統帶寬，給系統控制帶來不利，因此通常僅用于絞車等張力較大且波動頻率低的場合。

目前在多線切割技術領域常見的另一類張力控制方法，是采用一個質量相對較輕的張力擺桿替代重力錘，同時采用交流伺服電動機作為張力電動機對其進行直接轉矩控制，以此種方法代替重力錘的作用。采用此種方法對張力進行控制，在切割線需要較大張力的時候獲得了良好的控制效果。與普通重力錘控制方式相比，此種控制方法張力波動幅度最高可以下降90%，張力擾動大幅度降低，有效克服了開環控制的缺點，是目前工作過程中所采用的相對主流且有效的控制方法。

3 結語

多線切割技術目前還處于不斷完善中，未來必然會發展出更為完備的加工控制工藝。唯有深入了解機械工作的原理和切實問題，有的放矢，才能提出有效的改進建議和措施，有效提高多線切片工作的效率和效益。

［1］戴瑜興，湯睿，張義兵，等.數控多線切割技術及發展趨勢［J］.電子工業專用設備，2007（11）

［2］張義兵，戴瑜興，袁巨龍，等.多線切割機線張力控制系統設計實現［J］.機械工程學報，2009（5）

［3］蔣近，戴瑜興，郜克存，等.多線切割機走線系統的張力控制［J］.機械工程學報，2011（5）