硅晶片切割機主軸結構優化

梁桂轉，莊劍毅，李軍濤

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

硅晶片切割機主軸結構優化

梁桂轉，莊劍毅，李軍濤

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

硅晶片切割機用于對硅錠進行切割，硅錠屬于硬脆性材料，且切割過程是上千條鋼線一起切割，這使得鋼線的載體要承受相當大的載荷。對已有結構的硅晶片切割機進行結構優化，提高硅晶片切割機主軸的使用壽命，減少硅晶片切割機停機維修的成本，最終為企業提高經濟效益。

主軸壽命；軸承應力；結構優化

硅晶片切割機是以高速運動的鋼線為載體，以砂漿為切割刃，通過鋼線與硅錠的相對運動來實現對硅錠的切割加工，以獲得一定幾何形狀的硅晶片。硅晶片是微電子信息（IC）產業和太陽能光伏（PV）產業的重要元件，隨著新能源需求的日益增加，硅晶片的需求也日益增加，為了滿足硅晶片的市場需求，硅晶片生產企業必須提高硅晶片的生產能力，因此硅晶片切割機的加工能力也越來越受到硅晶片加工企業的重視［1］。

1　硅晶片切割機加工原理

硅晶片切割機主要由前軸承箱、后軸承箱、導輪、纏繞在導輪上的切割鋼線以及控制系統組成，切割機在工作過程中，前后軸承箱主軸支撐導輪作旋轉運動，用于切割加工的過程往往是多線切割而不是單線切割，多線切割即纏繞在導輪上的鋼線數量有上千根，由于硅錠很硬，切割過程鋼線要承受硅錠給的反作用力，最終作用在主軸上［2］。

2　項目背景

原結構硅晶片切割機主軸使用壽命短，原因是主軸使用的軸承易損壞，導致硅晶片切割機被迫停機維修，嚴重影響到了硅晶片切割機的生產效率。項目的目的是為了提高硅晶片切割機主軸的使用壽命，減少硅晶片切割機主軸的停機維修時間。

3　硅晶片切割機結構優化

3.1原結構主軸分析

原結構主軸壽命低的原因是主軸軸承容易損壞，因此，結構改進要從主軸軸承著手。原結構主軸使用的是角接觸球軸承，角接觸球軸承滾動體是球體（點接觸），主要承受軸向載荷，一般應用于壓力小，轉速高的工況下。

3.2結構優化以及計算

圓錐滾子軸承滾動體是滾子（線接觸），承受的載荷比點接觸的軸承要大，而且剛性較強，一般用在轉速相對較低，壓力大的工況下。

切割機導輪上纏繞2 000條鋼線，每根鋼線始終保持23 N左右的張力，2 000根鋼線產生46 000 N的合力作用在切割機前、后軸承箱主軸的徑向方向，因此軸承箱主軸主要承受的是徑向力且此徑向力較大，切割機最高轉速一般在2 000～3 000之間。

綜上分析，改進結構使用圓錐滾子軸承替代角接觸軸承。改進前后軸承結構簡圖如圖1所示，使用Bearinx（Bearinx是舍弗勒針對滾動軸承開發的一套計算程序，）其計算原理是：通過建立特定的軸系模型，添加特定的計算條件：軸系轉速、軸系受力、軸承預緊力、軸承潤滑條件，軸承工作溫度等，經過對軸系進行軸承接觸應力、軸的變形和剛度、固有頻率和極限轉速等計算，可以輸出軸承接觸應力值、軸系因受力而產生的變形曲線、軸系的各階固有頻率值等計算結果）對兩個軸系進行軸承接觸應力、軸系剛度的計算，計算結果如表1和圖2所示。

圖1　軸系簡圖

表1　軸承接觸應力對比

3.3計算結果分析

由計算結果表1可得，在額定工況條件下，改進結構軸承接觸應力遠遠小于原結構軸承接觸應力，原結構軸承最大接觸應力1 800 MPa，超過軸承鋼珠承受的極限應力（1 500 MPa），處于危險工作狀態，所以軸承容易損壞。

由計算結果圖2可得，在相同工況（軸向、徑向載荷）條件下，改進結構軸系前端變形0.05 mm，原結構軸系前端變形0.013 mm，改進結構軸系剛度約為原結構軸系剛度的3倍。

圖2　剛度計算結果對比

4　結束語

改進后的切割機主軸軸承接觸應力遠小于極限應力，使得軸承的使用壽命大大提高，剛性的加強也優化了機床的加工效果，最終提高了硅晶片切割機的加工效率。

［1］周世威.金剛石線鋸切割設備現狀分析［J］.超硬材料工程，2012，24（3）：49-50.

［2］歐陽橋楨.硅晶片金剛線多線切割機［J］.現代機械，2013，（1）：54-55.

Optim ization of Spindle Structure of Silicon Wafer Cutting Machine

LIANG Gui-zhuan，ZHUANG Jian-yi，LIJun-tao
（Guangzhou Hao Chi Electrical Limited by Share Ltd.，Guangdong Guangzhou 510000，China）

Silicon wafer cutting machine used for cutting silicon ingots，silicon ingot belongs to hard brittle materials，and cutting process is thousands of bar steel wire cutting together，which makes the carrier of the steel wire to carry a considerable load.This paper aimed at the existing structure of the silicon wafer cuttingmachine，structure optimization，improve the service life of the silicon wafer cutting machine spindle，reduce the cost of silicon wafer cutting machine maintenance downtime，as，eventually improve the economic benefit for the enterprise.

the spindle longevity；bearing stress；structure optimization

TG48

A

1672-545X（2016）05-0060-02

2016-02-27

梁桂轉（1986-），女，廣東廣州人，研究生，機械設計工程師，研究方向：磨床主軸設計。