王新海，張永軍，李俊濤

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

基于SolidWorks的單晶爐二次加料裝置改進設(shè)計

王新海，張永軍，李俊濤

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

研究了單晶爐二次加料裝置的原理和結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上使用三維建模設(shè)計軟件SolidWorks對其進行了三維設(shè)計。根據(jù)二次加料裝置的工作原理，分析了現(xiàn)有裝置的存在的主要問題和改進方案，以SolidWorks軟件為平臺，先建立了單個零件的三維模型，然后通過虛擬裝配得到裝配體的三維模型，并經(jīng)過圖形轉(zhuǎn)換得到了生產(chǎn)實際中應(yīng)用的二維工程圖。通過運用三維設(shè)計軟件SolidWorks，使設(shè)計在改進總體外觀造型的同時工作效率也明顯提高，具有較高的實用價值。關(guān)鍵詞：單晶爐；二次加料裝置；SolidWorks；三維設(shè)計

SolidWorks是美國SolidWorks公司開發(fā)的三維CAD產(chǎn)品，是實行數(shù)字化設(shè)計的造型軟件，在國際上得到廣泛的應(yīng)用[1～3]。同時具有開放的系統(tǒng)，添加各種插件后，可實現(xiàn)產(chǎn)品的三維建模、裝配校驗、運動仿真、有限元分析、加工仿真、數(shù)控加工及加工工藝的制定，以保證產(chǎn)品從設(shè)計、工程分析、工藝分析、加工模擬、產(chǎn)品制造過程中的數(shù)據(jù)的一致性，從而真正實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計和制造，并大幅度提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量。由于SolidWorks軟件具有功能強大，易于學(xué)習(xí)，便于掌握等特點，因此迅速得以普及，使得傳統(tǒng)的機械設(shè)計轉(zhuǎn)向三維設(shè)計。

單晶爐是直拉法制備硅單晶的關(guān)鍵技術(shù)裝備，所制備的硅單晶主要用于集成電路元件和太陽能電池[4]。面對行業(yè)需求，增大單爐投料量，提升單晶爐的單爐產(chǎn)量和效率，成為了行業(yè)的發(fā)展方向[5～6]。目前，單晶爐二次加料裝置以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用維護方面等優(yōu)點而得到廣大單晶硅生產(chǎn)廠商的使用。由于在長期的生產(chǎn)應(yīng)用過程中應(yīng)用的單晶爐二次加料裝置有著不同程度的問題，為了提高二次增料裝置的性能，在大量生產(chǎn)實踐及理論分析的基礎(chǔ)上完成了單晶爐二次加料裝置的改進設(shè)計，并運用Solid-Works進行了三維仿真，具有較高的實用價值。

1 二次加料原理

單晶爐二次加料技術(shù)是利用硅料固液轉(zhuǎn)換時石英坩堝剩余體積的變化，通過翻板隔離閥的開閉，采用二次加料裝置實現(xiàn)單晶爐的石英坩堝內(nèi)盛滿熔融硅料的技術(shù)。二次加料技術(shù)的具體步驟可描述為：化料工序結(jié)束后，關(guān)閉設(shè)在主爐室和副爐室之間的翻板隔離閥，將硅料存于打開的副爐室內(nèi)，閉合副爐室，充入保護氣體，打開翻板隔離閥，硅料落入石英坩堝內(nèi)，對加入的硅料進行化料。

2 現(xiàn)有二次加料裝置存在的問題

單晶爐二次加料裝置主要有三種類型，分別是：二次圓棒加料夾具[7]、石英加料筒[8]和金屬加料筒[9]。三種不同類型的二次加料工具都存在著不同的缺點，體現(xiàn)在：二次圓棒加料夾具只能進行棒狀料的加工，而且需要在棒狀硅料上進行打孔工序，增加了操作的繁瑣性；石英加料筒盡管具有污染小的優(yōu)點，但是將硅料放入料筒時必須小心操作，防止其在使用過程中因受力而破碎污染硅料等現(xiàn)象產(chǎn)生；金屬加料筒存在卡料和污染現(xiàn)象，由于硅料之間，硅料與裝置內(nèi)部的部件之間存在摩擦力，落料時，硅料容易卡殼，甚至硅料卡住拉桿，致使塊狀硅料不能實現(xiàn)下落，而且硅料在實現(xiàn)落料的過程中，拉桿底部錐面會被下面熔融硅料（單晶爐內(nèi)）的高溫所氧化而污染硅料，從而影響拉晶工藝或硅棒質(zhì)量等缺點。

3 總體改進

金屬加料筒盡管存在卡料和污染現(xiàn)象，但其具有其它加料工具所不具備的優(yōu)點，對原料的形狀限制較小，可以進行粉末硅料（可壓制成塊狀）、塊狀硅料和棒狀硅料（經(jīng)水爆機變?yōu)閴K狀）等不同類型硅料的二次添加，而且通過改變金屬加料筒的材質(zhì)可以減小污染程度，合理設(shè)計機械結(jié)構(gòu)也可解決卡料問題，因此，單晶爐二次加料裝置的改進是設(shè)計出合理的金屬加料桶機械結(jié)構(gòu)。

金屬加料筒的結(jié)構(gòu)一般由圓筒部分、擋板部分、提拉部分和開關(guān)部分組成。圓筒部分主要用來貯存硅料；擋板部分和開關(guān)部分主要是控制圓筒中硅料的下落；提拉部分主要是將加料裝置與單晶爐機構(gòu)連接起來，同時也是開關(guān)部分的動力提供者。為了解決卡料和污染現(xiàn)象，在設(shè)計二次加料裝置時，采用硅餅替代金屬底蓋的“無金屬底蓋”設(shè)計思路，以此來減少二次加料裝置底部金屬在高溫環(huán)境下氧化反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)而污染熔融硅料，設(shè)計了拉桿外置，且圓筒由三片弧形筒組成的二次加料結(jié)構(gòu)解決卡料缺點。

4 三維建模

4.1 零件建模

利用SolidWorks三維軟件進行零部件建模時，首先選擇出合理的基準面，在草圖環(huán)境中繪制出能生成基本特征的二位草圖；接著利用拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描等常用特征完成零部件基本特征的建模和其它附加特征的三維造型；最后利用圓角、倒角等命令完成對整個對象的三維建模。單晶爐二次加料裝置的主要零部件三維設(shè)計如圖1所示，其它零部件的設(shè)計同樣使用SolidWorks完成三維設(shè)計。

圖1 單晶爐二次加料裝置零部件造型設(shè)計

4.2 裝配體

在完成單個零部件的三維設(shè)計后，在SolidWorks的模擬裝配環(huán)境下，將建好的零部件模型在Solid-Works的模擬裝配功能下進行裝配，依據(jù)設(shè)計方案和裝配關(guān)系把零件模型裝配到一起，并添加相應(yīng)裝配約束(如同軸、平行、重合等)進行模擬裝配。如在此過程中發(fā)現(xiàn)零部件之間有干擾和碰撞時，可及時地修改相關(guān)零件的結(jié)構(gòu)或尺寸，修改后重新生成，在裝配中的零件也隨之改變。在完成單晶爐二次加料裝置裝配工作時，按照零部件由主到次的順序，空間上由內(nèi)到外的順序進行裝配，完成裝配的設(shè)計見圖2所示，圖3為其爆炸圖,便于看清其裝配結(jié)構(gòu)。

圖2 單晶爐二次加料裝置三維模型

圖3 單晶爐二次加料裝置三維模型爆炸圖

4.3 二維工程圖紙的生成

在實際生產(chǎn)加工中，還是以二維工程圖為主。SolidWorks軟件的三維設(shè)計模塊可以生成二維圖紙，這樣對于指導(dǎo)生產(chǎn)加工有現(xiàn)實意義。圖4為單晶爐二次加料裝置內(nèi)筒的三維設(shè)計模塊轉(zhuǎn)換為二維圖紙應(yīng)用。

圖4 外筒二維圖紙

5 結(jié)束語

基于SolidWorks軟件對單晶爐二次加料裝置的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，此種方法可以有效快速地實現(xiàn)對各個零部件的三維建模，能直觀地看到各個零部件裝配后的效果，在指導(dǎo)加工生產(chǎn)過程中也起到了很好的作用。SolidWorks軟件的應(yīng)用為零件的設(shè)計和加工帶來了便利，簡化了設(shè)計方法，縮短了設(shè)計周期，為企業(yè)的發(fā)展做出了很大的貢獻，為設(shè)計、編程、加工提供了很多便利。

[1]葉修梓，陳超祥.SolidWorks高級教程二次開發(fā)與API[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[2]葛正浩，梁金生，蔡小霞.SolidWorks2008典型機械零件設(shè)計實訓(xùn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]谷德橋.SolidWorks2011中文版機械設(shè)計從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4]曹建偉.直拉式單晶硅生長爐的關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)博士論文，2007.

[5]阮曉東.單晶硅電池技術(shù)與市場的博弈[J].太陽能，2012（24）:48-51.

[6]張文毓.單晶硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟綜合分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)2010（6）:15-17.

[7]袁為進.用于單晶爐的二次加料圓棒夾具[P].中國專利：200920049166.7,2009-10-16.

[8]梁永生.一種增加直拉硅單晶裝料量的方法及裝置[P].中國，200910310766.9,2009-12-02.

[9]王煜輝.用于直拉法單晶爐的二次投料裝置[P].中國專利：201120442393.3,2011-11-10.

Im provementof Secondary Casing w ith Monocrystal Furnace based on SolidWorks

WANGXin-hai，ZHANG Yong-jun，LIJun-tao
(Shaanxi Institute of Technology，Xi'an 710300，China)

This paper studies the principle and structure of the secondary casing device of themonocrystal furnace.Based on this,SolidWorks was used.According to the working principle of the secondary casing device,the main problemswhich existing units and the improvement schemewas analyzed,based on SolidWorks software platform,the first step establishes themodel of the individual parts,and then the 3D model of the assembly is obtained through the virtual assembly,and through graphic conversion obtained the 2D engineering drawing application in practical production.By using the three-dimensional design software of SolidWorks,the design work in improving the overall appearance of the same efficiency has improvedmarkedly,with high practicalvalue.

monocrystal furnace；secondary casing device；SolidWorks；three-dimensional design

TH128

B

1672-545X（2014）04-0025-02

2014-01-08

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2013年科研基金（編號：Gfy13-02）

王新海（1984—），男，碩士，助教，從事精密加工與機械設(shè)計方面的研究工作。