單晶硅磨面倒圓專(zhuān)用磨床簡(jiǎn)介

徐公志 胡 苗

（1.青島高測(cè)科技股份有限公司 山東青島266114；2.淄博市淄川區(qū)工業(yè)和信息化局 山東淄博255100）

光伏行業(yè)是新型行業(yè)，是國(guó)家重點(diǎn)扶持的新能源行業(yè)，加工此類(lèi)單晶硅零件的國(guó)內(nèi)機(jī)床加工精度不穩(wěn)定，大多采用磨面和倒圓弧角分開(kāi)的工藝，加工效率低，國(guó)外加工設(shè)備昂貴，急需開(kāi)發(fā)磨面倒圓專(zhuān)用磨床替代進(jìn)口。

目前國(guó)內(nèi)的磨面倒圓專(zhuān)用磨床基本都是進(jìn)口的，國(guó)產(chǎn)設(shè)備還是分體的，即磨床僅磨面，滾磨僅倒圓，獨(dú)立的毛刷機(jī)做表面拋光，工序分散、物料轉(zhuǎn)場(chǎng)多、生產(chǎn)效率低、加工質(zhì)量差且不穩(wěn)定。隨著國(guó)內(nèi)光伏廠不堪忍受進(jìn)口設(shè)備昂貴的價(jià)格及奇差的售后服務(wù)的折磨，個(gè)別光伏廠開(kāi)始在國(guó)內(nèi)扶持供貨商，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

國(guó)內(nèi)的設(shè)備制造商，在暴利及供不應(yīng)求的環(huán)境中，在持續(xù)3~4年的時(shí)間一直抱著仿造的機(jī)型銷(xiāo)售，這時(shí)的進(jìn)口設(shè)備已經(jīng)在訂單迅速縮水的形勢(shì)下，開(kāi)展了新一輪的設(shè)備開(kāi)發(fā)，把多個(gè)設(shè)備功能集成到一臺(tái)設(shè)備上，并在2012年前后，把磨面倒圓專(zhuān)用磨床銷(xiāo)到中國(guó)市場(chǎng)，一夜間國(guó)產(chǎn)的仿造設(shè)備便失去市場(chǎng)，進(jìn)口設(shè)備又迅速占領(lǐng)了新增產(chǎn)能的市場(chǎng)，并且趕上了中國(guó)光伏迅速擴(kuò)產(chǎn)的機(jī)遇。

目前市場(chǎng)上，在用的設(shè)備品牌，進(jìn)口的主要有BBS、TSKK、阿諾德、岡本等；市場(chǎng)占有率還是以進(jìn)口設(shè)備為主，占到60%，國(guó)產(chǎn)設(shè)備占到40%，占比較低。目前BBS機(jī)使用最穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比最高；TSKK設(shè)備是目前加工質(zhì)量最好的，基本做到免檢，但是價(jià)格相對(duì)貴一些，性?xún)r(jià)比稍低，使用穩(wěn)定性較好。國(guó)產(chǎn)設(shè)備主要問(wèn)題是生產(chǎn)穩(wěn)定性差，產(chǎn)能低，價(jià)格雖然便宜，但是綜合性?xún)r(jià)比一般，急需開(kāi)發(fā)性能穩(wěn)定，功能齊全的磨面倒圓專(zhuān)用磨床替代進(jìn)口設(shè)備。

目前光伏行業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)扶持的行業(yè)，而單晶硅棒四平面和倒圓專(zhuān)用磨床，國(guó)內(nèi)制造的設(shè)備效率低，性能穩(wěn)定性差。因此，單晶硅磨面倒圓專(zhuān)用磨床的開(kāi)發(fā)，對(duì)于改變單晶硅加工現(xiàn)狀，提高產(chǎn)品質(zhì)量、效率，少進(jìn)口設(shè)備具有重要意義。

1 機(jī)床基本布局

如圖1所示，機(jī)床采用四個(gè)磨頭對(duì)稱(chēng)布局。

磨面拋圓專(zhuān)用磨床為對(duì)開(kāi)方后不同規(guī)格單晶、多晶硅方棒進(jìn)行弧或者角、面一體拋光的設(shè)備，同時(shí)可具備粗磨、精磨、單面、單弧單獨(dú)加工功能。磨面倒圓示意圖，如圖2所示。

整機(jī)電機(jī)全部采用西門(mén)子進(jìn)口伺服電機(jī)，特別是砂輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同類(lèi)設(shè)備都是采用普通異步三相交流電機(jī)，變頻器調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速2750 r/min，砂輪線速28 m/s以下。高測(cè)設(shè)備采用最高轉(zhuǎn)速6000 r/min，額定4500 r/min伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速下砂輪最大線速度可以達(dá)到60m/s，砂輪極限線速度可達(dá)80m/s，能夠?qū)崿F(xiàn)高速磨削。磨面倒圓如圖2所示。

2 磨削的工件

加工長(zhǎng)度：100～750mm；

加工邊距：□156.00～□168.00 mm（加工前），□156.00～□165.5 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）；

加工直徑：Φ200～Φ237.60 mm（加工前），Φ200～Φ234.05mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）；

設(shè)備能加工的最大方棒邊距為168.00 mm。以這個(gè)尺寸計(jì)算圓棒，得到最大的直徑：最大直徑Φ237.60 mm；加工倒角：C0.2～C10 mm，在以上范圍可調(diào)；(圓弧和平角均可滿(mǎn)足)硅棒尺寸要求如圖3所示。

加工原始方棒端面平面度≤1 mm；

加工原始毛方棒端面與四平面垂直度≤2 mm；

端面尺寸要求，如圖4所示。

加工前尺寸：邊距目標(biāo)值較加工前小2.0 mm，直徑目標(biāo)值較加工前小10.0 mm。

3 磨削性能要求

設(shè)備性能要求

（1）上料：一套上料臺(tái)，自動(dòng)對(duì)中心。

（2）加工長(zhǎng)度：100～750 mm。

（3）加工邊距：□156.00～□168.00 mm（加工前），□156.00～□165.5 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）。

（4）加工直徑：Φ200～Φ237.60 mm（加工前），Φ200～Φ234.05 mm（加工后，連續(xù)可調(diào)）。

設(shè)備能加工的最大方棒邊距為168.00 mm。以這個(gè)尺寸計(jì)算圓棒，得到最大的直徑： Φ237.60 mm。

（5）加工倒角：C0.2～C10mm，在以上范圍可調(diào)。(圓弧和平角均可滿(mǎn)足)

（6）加工前尺寸：邊距目標(biāo)值較加工前小2.0 mm，直徑目標(biāo)值較加工前小10.0 mm。

（7）加工時(shí)間。

長(zhǎng)度325±2mm，加工時(shí)間≤20 min；

長(zhǎng)度750±2 mm，加工時(shí)間≤45 min。

（8）單次修刀（修正砂輪）時(shí)間≤5 min。

（9砂輪修正頻率：≥10根/次（以長(zhǎng)度325 mm方棒為準(zhǔn)）。

4 關(guān)鍵技術(shù)

(1)使用杯形砂輪兩邊同時(shí)進(jìn)行倒角磨削，硅棒只是在一定角度范圍內(nèi)來(lái)回往復(fù)回轉(zhuǎn)，加工效率相對(duì)來(lái)說(shuō)較高，如圖5所示。

(2)在設(shè)備滾圓磨削作業(yè)時(shí)，通過(guò)降低砂輪的位置增加了精磨輪與硅棒的接觸面積，提高了磨削效率，通過(guò)傾斜及硅棒擺動(dòng)動(dòng)作，將接觸長(zhǎng)度由20 mm增加至82.5 mm，磨輪需要增加偏移裝置實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)，如圖6所示。

(3)硅棒高度及直徑檢測(cè)技術(shù)，量測(cè)硅棒高度以計(jì)算硅棒高度中心，保證硅棒夾持在回轉(zhuǎn)中心上，夾持后的硅棒通過(guò)測(cè)量各面及直徑后計(jì)算出加工余量。

(4)硅棒的夾持及回轉(zhuǎn)分度控制技術(shù)，硅棒的夾持應(yīng)穩(wěn)固可靠，避免因斷電、斷氣等意外情況發(fā)生，工件在磨削完一組平面后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分度，分度精度誤差將會(huì)直接影響工件各面的垂直度。倒角時(shí)回轉(zhuǎn)控制也將影響徑向加工節(jié)拍及質(zhì)量。

(5)砂輪進(jìn)給精度控制技術(shù)，由于砂輪磨削的特性決定了進(jìn)給量要穩(wěn)定、靈敏，應(yīng)避免進(jìn)給導(dǎo)軌的爬行現(xiàn)象的發(fā)生（爬行是機(jī)械振動(dòng)中自激振動(dòng)的一種形式。每一個(gè)爬行周期都分兩個(gè)階段：一個(gè)是能量的貯存，另一個(gè)是能量達(dá)到臨界值時(shí)的立即釋放。爬行是機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌中常見(jiàn)的不正常的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。程度較輕時(shí)爬行表現(xiàn)為肉眼所不能察覺(jué)的振動(dòng)，顯著時(shí)表現(xiàn)為較大距離的跳動(dòng)。爬行會(huì)顯著降低工件的加工精度）。對(duì)絲杠定位精度補(bǔ)償及正反向間隙消除，以避免磨削退刀時(shí)的點(diǎn)切現(xiàn)象。

(6)高精密高剛度磨削主軸技術(shù)，硅棒磨削的砂輪法向力高于切向力，對(duì)砂輪主軸剛度要求較高，砂輪主軸的徑向跳動(dòng)將會(huì)影響砂輪運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，從而影響磨削表面質(zhì)量，同樣砂輪主軸的軸向竄動(dòng)將會(huì)造成砂輪的進(jìn)給不穩(wěn)，影響主軸使用壽命及磨削表面質(zhì)量。

(7)砂輪的平衡、修整及補(bǔ)償技術(shù)，砂輪在磨削時(shí)的線速度較高，由于砂輪本身質(zhì)量的不平衡，

會(huì)引起砂輪在磨削時(shí)的顫動(dòng)，加劇砂輪的磨損及產(chǎn)生磨削振紋等。經(jīng)過(guò)一定量硅棒的加工，砂輪的磨削力會(huì)降低，導(dǎo)致磨削效率低，工件加工質(zhì)量下降，為避免此情況的發(fā)生，需對(duì)砂輪進(jìn)行修整，以及修正后的補(bǔ)償，以保證磨削硅棒的尺寸。

(8)絲杠導(dǎo)軌潤(rùn)滑技術(shù)，磨削進(jìn)給量一般較小，為了保證進(jìn)給的可靠性及靈敏性，絲杠及導(dǎo)軌均帶有一定的預(yù)壓量。如潤(rùn)滑不充分將會(huì)導(dǎo)致滾動(dòng)體與滾道之間的磨損加劇，絲杠及導(dǎo)軌精度很快喪失，從而影響工件的加工。

(9)磨削冷卻技術(shù)，砂輪磨削時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，冷卻不充分將會(huì)導(dǎo)致砂輪使用壽命降低，硅棒表面存在裂紋等現(xiàn)象。冷卻潤(rùn)滑液的在噴嘴出口的速度與噴嘴的幾何尺寸無(wú)關(guān)，只取決于泵的壓力。在一定的泵壓力下、根據(jù)體積守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速度。為了有良好的清洗砂輪作用，應(yīng)使液流出口速度高于砂輪圓周速度。否則，不僅清洗作用減弱，而且由于冷卻潤(rùn)滑液與砂輪接觸時(shí)，要靠砂輪帶動(dòng)液流加速，產(chǎn)生了對(duì)砂輪的制動(dòng)作用。由于砂輪速度提高，由清洗砂輪液流產(chǎn)生的制動(dòng)力及摩擦力引起的功率損耗隨之加大，進(jìn)一步說(shuō)明應(yīng)對(duì)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)重視。

(10)磨削粗磨、精磨、光磨工藝技術(shù)，磨削加工一般分為粗磨、精磨、光磨三個(gè)階段，合理的分配加工余量，不僅能保證工件的加工質(zhì)量，同時(shí)也提高了加工節(jié)拍。

5 結(jié)語(yǔ)

2019 年通過(guò)深化市場(chǎng)化改革、擴(kuò)大高水平開(kāi)放、創(chuàng)新和完善宏觀調(diào)控、大力度減稅降負(fù)、堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展等措施，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)增長(zhǎng)、穩(wěn)投資。這些變化，都為光伏行業(yè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

磨床正向著高精度、高轉(zhuǎn)速、復(fù)合化發(fā)展， 此單晶硅磨面倒圓專(zhuān)用磨床推向市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)為整個(gè)光伏行業(yè)節(jié)本降耗、提高產(chǎn)能做貢獻(xiàn)。