硅片多線切割機主輥變形的研究分析*

殷華林，岳 偉

(常州貝斯塔德機械股份有限公司，江蘇常州 213023)

0 引言

目前市場上主要還是以國外進(jìn)口機器為主，國產(chǎn)機器只占了不到10%左右的份額。主輥作為切片機的一個關(guān)鍵部件，對切割的影響較大［1-2］。在實際切割過程中，其主要部件主輥的變形對切割的成品率有很大的影響，如何有效的控制主輥的變形，在降低主輥重量的同時，提高主輥的剛度，是一個重要的課題。

不同長度、不同直徑的主輥，其受力也不同。主輥的受力從幾噸到幾十噸，對主輥的變形影響較大，分析不同機型的主輥變形及其變形對切割硅片質(zhì)量的影響，對多線切割機的發(fā)展有較大意義。

1 基于靜力學(xué)分析對主輥的變形研究

1．1 模型的建立

對于主輥而言，主要參數(shù)為長度、直徑和重量，目前市場上主流機型的主輥長度為320～1 040 mm，直徑為200～350 mm［3-4］。重量根據(jù)材質(zhì)不同，范圍也很大。但是主輥的工作原理，其結(jié)構(gòu)基本相同，其影響切割因素主要是主輥變形對切割的影響。先選擇市場上保有量最大的一款機器的主輥進(jìn)行建模分析。

1．2 載荷的施加

不同的主輥其受力情況也不同，一般來說，長度越長，主輥上的切割鋼線數(shù)量越多，其受力越大。切割鋼絲的張力也會根據(jù)不同機型、不同的切割工藝有所調(diào)整，一般張力為10～35 N，變形分析時采用的是主輥常規(guī)使用時的受力情況，如圖1、2所示。

圖1 切片機主輥模型

圖2 切片機主輥網(wǎng)格劃分

這里選擇的是長度520 mm，直徑300 mm的主輥，通過計算其承載力約為51 kN，換算為壓力后可以直接施加在模型上，如圖3。

1．3 模型求解的結(jié)果

通過對模型的求解分析，可以得出主輥模型的變形分布圖，如圖4。

圖3 施加的載荷和約束

圖4 長度520 mm空心主輥的變形分析圖

通過變形圖可看出，主輥中部變形較大，有23 um，兩端變形較小，基本接近于0 um，此模型等同于簡支梁受均布載荷的情況，中部是彎矩最大的地方。

2 多線切割機主輥的變形對切割質(zhì)量的影響

2．1 主輥變形對線網(wǎng)張力的影響分析

圖5為兩主輥切片機結(jié)構(gòu)圖，由變形圖可看出，中部變形量較大，兩端的變形量較小，這樣鋼線一圈的長度拉伸不同，張力也就不同，下面通過公式計算鋼絲張力的變化。

在彈性形變范圍內(nèi)，正應(yīng)力和線應(yīng)變成正比，即:

式中:F為切割鋼絲的張力;ΔL為切割鋼絲的伸長量;S為切割鋼絲的截面積;L為切割鋼絲的原長;E為切割鋼絲的彈性模量。

由于主輥受力變形引起的鋼絲變形量設(shè)為ΔL，一圈鋼線變形前總長度為2A+π·D，變形后總長度為2A+π·D-ΔL，鋼絲的截面積 S=π·d2/4，其中 D為切割鋼絲的直徑。

將各參數(shù)代入式(1)中可得張力最大變化為:

設(shè)單個主輥通過有限元求解出的最大變形結(jié)果為 δ，則 ΔL=4δ式(2)可代換為:

式(3)得出了變形與張力變化的關(guān)系，通過有限元計算不同機器的主輥變形可得其張力變化關(guān)系。

而線網(wǎng)張力不均勻的變化對切割硅片的影響較大，切割應(yīng)用中已經(jīng)證明線網(wǎng)波動太大，硅片的A片合格率會明顯降低。

圖5 兩主輥切片機結(jié)構(gòu)

2．2 主輥變形對線網(wǎng)線距的影響

主輥受力產(chǎn)生變形后，通過圖4可看出，中部變形量大，主輥的表面涂覆的槽距均勻的線槽也會產(chǎn)生不同的變形，中部主輥受力會變長，槽距會相應(yīng)的增加，這樣織出的線網(wǎng)線距就會產(chǎn)生不均勻的變化。通過實驗可證明，當(dāng)變形量增大到一定程度時，主輥中部切割出的硅片質(zhì)量不合格率明顯提高。此變形量與合格率的關(guān)系，還有待進(jìn)一步的研究。

2．3 不同機型的主輥變形的對比

對市場上面常見的一些機型主輥進(jìn)行了受力變形分析，主輥長度從520～1 040 mm，包括實心和空心的主輥變形也進(jìn)行了對比，如圖6所示。

圖6 常見主輥的受力變形對比

通過分析可看出，主輥越長，其變形量相對增大;實心的主輥比空心的主輥變形有大幅降低。但從設(shè)計來說，實心主輥的大慣量對頻繁加減速是個不利因素。輕量化、高剛度的主輥是將未來發(fā)展的趨勢。而在設(shè)計新主輥時，過度的輕量化會導(dǎo)致切割時主輥變形量過大，影響切割的質(zhì)量。

通過主輥變形的分析，可得出在主輥設(shè)計時，最大變形量需要控制，在保證主輥結(jié)構(gòu)剛度的同時，變形一般也要控制在一定范圍內(nèi)，這樣在切割時由于主輥產(chǎn)生的影響會小很多。同時，主輥的直徑和長度也需要有限元分析，得出最佳的尺寸范圍。

3 結(jié)語

通過靜力學(xué)有限元分析主輥的變形，運用數(shù)學(xué)公式分析變形對切割時產(chǎn)生的不利影響，并進(jìn)行目前市場上不同主流機型的主輥對比，可看出主輥的變形量對設(shè)計主輥時有一定要求，變形量最大不的大于50 um。通過變形量對張力波動的影響，可得出控制主輥的變形量能夠有效控制切割的硅片合格率。通過對主輥變形的研究，對主輥的參數(shù)設(shè)計有較大的參考意義，對切片機的設(shè)計和研究有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 歐陽橋楨，胡根平．硅晶片金剛線多線切割機［J］．現(xiàn)代機械，2013(1):54-58．

［2］ 種寶春．多線切割機的切割運動分析［J］．電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(39):31-35．

［3］ 殷華林，岳 偉．金剛線多線切割機主輥參數(shù)研究［J］．機械研究與應(yīng)用，2014(5):4-6．

［4］ 彭思齊，戴瑜興，蔣 近．帶擺動機構(gòu)的多線切割機控制系統(tǒng)研制［J］．機械工程學(xué)報，2011，47(19):181-186．