楊 勇 崔陳晨 解培玉 段景波

（青島高測(cè)科技股份有限公司 山東 青島 266114）

制作太陽(yáng)能電池板所用硅片的制造工序分為：拉晶、截?cái)唷㈤_(kāi)方、磨倒、切片等幾個(gè)步驟。拉晶是在拉晶爐內(nèi)通過(guò)化學(xué)沉積的方式生成圓柱體型的單晶硅棒，長(zhǎng)度最大可達(dá)6 m；截?cái)嗍侵赴牙С鰜?lái)的單晶硅棒截成長(zhǎng)度不等（100～700 mm）的小段；開(kāi)方是指把截?cái)喑龅牟煌L(zhǎng)度的單晶硅棒切成長(zhǎng)方體型；磨倒是指用磨具把開(kāi)方后長(zhǎng)方體型的單晶硅棒的四個(gè)表面進(jìn)行磨拋，以及四個(gè)棱邊進(jìn)行倒圓角的過(guò)程；切片是指把磨倒后的長(zhǎng)方體型的單晶硅棒切成0.15 mm左右厚的硅片用于最后的太陽(yáng)能電池板的制作。

晶硅是目前光伏產(chǎn)業(yè)中最重要的材料，產(chǎn)業(yè)鏈涉及到太陽(yáng)能級(jí)晶硅制備、鑄錠、切邊皮、切方、磨面、拋光、倒角、切片、電池片、組件等?，F(xiàn)有的單晶硅、多晶硅磨削需通過(guò)普通平面磨床經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、拋光后，才能獲得其平面符合要求的單晶硅、多晶硅，現(xiàn)在的磨床分為粗磨和精磨兩道工序，僅一套棒料夾持組件，粗磨需要單趟磨多次，精磨也需要單趟磨多次，才可以達(dá)到相當(dāng)高的晶硅加工精度及粗糙度要求。

1 底座有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化

底座作為機(jī)床的基礎(chǔ)零件，底座的布局也就確定了機(jī)床的整體布局。而穩(wěn)定的機(jī)座設(shè)計(jì)為磨床的高轉(zhuǎn)速、高穩(wěn)定性、高質(zhì)量、高精度、低故障率提供基礎(chǔ)條件。

由于鑄鐵具有良好的鑄造性、吸振性、切削加工性及一定的力學(xué)性能，且價(jià)格低廉，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，所以在機(jī)械零件中占有很大的比重，廣泛地用來(lái)制作各種機(jī)座、箱體等形狀復(fù)雜的零件，又由于灰鑄鐵具有良好的鑄造性、耐磨性、抗振性和切削加工性，所以選用灰鑄鐵作為底座材料，其材料屬性見(jiàn)表1。

表1 材料屬性

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。

拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案，表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)，可以說(shuō)是形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外形優(yōu)化。

根據(jù)選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速可知，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 6000 r/min，則整機(jī)振動(dòng)頻率為：

fp=6000÷ 60=100 Hz。

0.85f>fp或1.15f

被測(cè)工件固有頻率的安全范圍為：

f>117 Hz 或f<87 Hz

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載條件如下：

（1）地腳面為固定約束面；

（2）滑臺(tái)導(dǎo)軌底面受向下壓力12 000 N，考慮導(dǎo)軌比較長(zhǎng)，向下壓力選擇70 000 N；

（3）磨輪進(jìn)給導(dǎo)軌底面受向下壓力4 000 N，四組磨輪16 000 N，向下壓力選擇40 000 N；

（4）考慮計(jì)算分析速度,選擇底座對(duì)稱中心面進(jìn)行對(duì)稱分析。

分析結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 底座應(yīng)力分析圖

圖2 底座位移分析圖

結(jié)論：底座經(jīng)過(guò)有限元分析最大應(yīng)力為 6.2 MPa＜250 MPa；最大位移量為0.013 mm，位移較小滿足使用要求；一階模態(tài)頻率302.09 Hz＞117 Hz，符合使用要求。

與有限元分析同樣的輸入條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)空間選擇底座下部筋板分布空間，如圖4、圖5所示。

圖4 底座拓?fù)鋬?yōu)化空間示意圖

圖5 底座拓?fù)鋬?yōu)化分析圖

結(jié)論：底座支撐處及導(dǎo)軌下部需要重點(diǎn)加強(qiáng)。

2 進(jìn)給機(jī)座有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載條件如下：

（1）底面為固定約束面；

（2）上表面承受氣缸向下力5 000 N；

（3）導(dǎo)軌面承受磨削力100 N。

分析結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 進(jìn)給機(jī)座應(yīng)力分析圖

圖7 進(jìn)給機(jī)座位移分析圖

圖8 進(jìn)給機(jī)座模態(tài)分析圖

結(jié)論：進(jìn)給機(jī)座經(jīng)過(guò)有限元分析最大應(yīng)力為6.61 MPa＜250 MPa；最大位移量為0.002 mm，位移較小滿足使用要求；一階模態(tài)頻率178.2 Hz＞117 Hz，符合設(shè)計(jì)要求。

與有限元分析同樣的輸入條件，進(jìn)給機(jī)座為小型鑄造件，模型運(yùn)算量較小，考慮所有面為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間，如圖9、圖10所示。

圖9 進(jìn)給機(jī)座優(yōu)化空間示意圖

圖10 進(jìn)給機(jī)座優(yōu)化分析圖

結(jié)論：進(jìn)給機(jī)座后部及側(cè)板可進(jìn)行減薄處理。

3 頭架、尾架體殼有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載條件如下：

（1）底面為固定約束面；

（2）連接軸承徑向面受硅棒及浮動(dòng)夾頭等向下力1 000 N；

（3）連接軸承徑向面承受夾緊硅棒軸向力16000 N。

分析結(jié)果如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 頭尾架體殼應(yīng)力分析圖

圖12 頭尾架體殼位移分析圖

圖13 頭尾架體殼模態(tài)分析圖

結(jié)論：頭架體殼經(jīng)過(guò)有限元分析最大應(yīng)力為33.87 MPa＜250 MPa；最大位移量為0.013 mm，位移較小滿足使用要求；一階模態(tài)頻率823 Hz＞117 Hz，符合設(shè)計(jì)要求。

與有限元分析同樣的輸入條件，頭尾架體殼為小型鑄造件，模型運(yùn)算量較小，考慮所有面為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間，如圖14、圖15所示。

圖14 頭尾架體殼優(yōu)化空間示意圖

圖15 頭尾架體殼拓?fù)鋬?yōu)化分析圖

結(jié)論：尾架體殼下部可以進(jìn)行掏空處理。

4 滑臺(tái)體殼有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載條件如下：

（1）底面為固定約束面；

（2）導(dǎo)軌上表面承受氣缸向下力5 000 N；

（3）滑臺(tái)兩端承受相反拉力16 000 N。

分析結(jié)果如圖16、圖17、圖18所示。

圖16 滑臺(tái)體殼應(yīng)力分析圖

圖17 滑臺(tái)體殼位移分析圖

圖18 滑臺(tái)體殼模態(tài)分析圖

結(jié)論：滑臺(tái)體殼經(jīng)過(guò)有限元分析最大應(yīng)力為38 MPa＜250 MPa；最大位移量為0.026 mm，位移較小滿足使用要求；一階模態(tài)頻率305 Hz＞117 Hz，符合設(shè)計(jì)要求。

與有限元分析同樣的輸入條件，滑臺(tái)體殼為中型鑄造件，模型運(yùn)算量適中，考慮所有面為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間，如圖19、圖20所示。

圖19 滑臺(tái)體殼優(yōu)化空間示意圖

圖20 滑臺(tái)體殼優(yōu)化分析圖

結(jié)論：滑臺(tái)體殼導(dǎo)軌兩側(cè)及內(nèi)部可減薄處理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)光伏晶硅磨床的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化，為提升材料利用率，優(yōu)化材料分布空間，可采用先進(jìn)設(shè)計(jì)思想及技術(shù)等，使其在保證強(qiáng)度的同時(shí)進(jìn)行最優(yōu)化材料分布，合理化減重。設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮，可將兩個(gè)有強(qiáng)尺寸聯(lián)系的加工面用剛度比較高的結(jié)構(gòu)相連接，無(wú)關(guān)的面用弱連接相連，以確保最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2017年，公司研制的硅棒磨拋一體機(jī)成功問(wèn)世，并得到客戶的一致認(rèn)可。在市場(chǎng)端取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。磨床的成功離不開(kāi)公司項(xiàng)目組團(tuán)隊(duì)的不懈努力和持之以恒的研發(fā)精神，以不斷創(chuàng)新、優(yōu)化、創(chuàng)造價(jià)值的設(shè)計(jì)理念，積極推動(dòng)行業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展。