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        單晶硅磨面倒圓專用磨床簡介

        2019-12-23 10:00:14徐公志
        精密制造與自動(dòng)化 2019年4期
        關(guān)鍵詞:磨面進(jìn)口設(shè)備磨床

        徐公志 胡 苗

        (1.青島高測科技股份有限公司 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),是國家重點(diǎn)扶持的新能源行業(yè),加工此類單晶硅零件的國內(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的工藝,加工效率低,國外加工設(shè)備昂貴,急需開發(fā)磨面倒圓專用磨床替代進(jìn)口。

        目前國內(nèi)的磨面倒圓專用磨床基本都是進(jìn)口的,國產(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)場多、生產(chǎn)效率低、加工質(zhì)量差且不穩(wěn)定。隨著國內(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)別光伏廠開始在國內(nèi)扶持供貨商,進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

        國內(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,開展了新一輪的設(shè)備開發(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,把磨面倒圓專用磨床銷到中國市場,一夜間國產(chǎn)的仿造設(shè)備便失去市場,進(jìn)口設(shè)備又迅速占領(lǐng)了新增產(chǎn)能的市場,并且趕上了中國光伏迅速擴(kuò)產(chǎn)的機(jī)遇。

        目前市場上,在用的設(shè)備品牌,進(jìn)口的主要有BBS、TSKK、阿諾德、岡本等;市場占有率還是以進(jìn)口設(shè)備為主,占到60%,國產(chǎn)設(shè)備占到40%,占比較低。目前BBS機(jī)使用最穩(wěn)定,性價(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,性價(jià)比稍低,使用穩(wěn)定性較好。國產(chǎn)設(shè)備主要問題是生產(chǎn)穩(wěn)定性差,產(chǎn)能低,價(jià)格雖然便宜,但是綜合性價(jià)比一般,急需開發(fā)性能穩(wěn)定,功能齊全的磨面倒圓專用磨床替代進(jìn)口設(shè)備。

        目前光伏行業(yè)是國家重點(diǎn)扶持的行業(yè),而單晶硅棒四平面和倒圓專用磨床,國內(nèi)制造的設(shè)備效率低,性能穩(wěn)定性差。因此,單晶硅磨面倒圓專用磨床的開發(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)稱布局。

        磨面拋圓專用磨床為對(duì)開方后不同規(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)全部采用西門子進(jìn)口伺服電機(jī),特別是砂輪驅(qū)動(dòng)電機(jī),同類設(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。

        長度325±2mm,加工時(shí)間≤20 min;

        長度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)來回往復(fù)回轉(zhuǎn),加工效率相對(duì)來說較高,如圖5所示。

        (2)在設(shè)備滾圓磨削作業(yè)時(shí),通過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,通過傾斜及硅棒擺動(dòng)動(dòng)作,將接觸長度由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技術(shù),量測硅棒高度以計(jì)算硅棒高度中心,保證硅棒夾持在回轉(zhuǎn)中心上,夾持后的硅棒通過測量各面及直徑后計(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。冷卻潤滑液的在噴嘴出口的速度與噴嘴的幾何尺寸無關(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)一步說明應(yīng)對(duì)冷卻潤滑系統(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

        2019 年通過深化市場化改革、擴(kuò)大高水平開放、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、穩(wěn)投資。這些變化,都為光伏行業(yè)帶來新的挑戰(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用磨床推向市場,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)。

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