硅片多线切割机主辊变形的研究分析*

殷华林，岳 伟

(常州贝斯塔德机械股份有限公司，江苏常州 213023)

0 引言

目前市场上主要还是以国外进口机器为主，国产机器只占了不到10%左右的份额。主辊作为切片机的一个关键部件，对切割的影响较大［1-2］。在实际切割过程中，其主要部件主辊的变形对切割的成品率有很大的影响，如何有效的控制主辊的变形，在降低主辊重量的同时，提高主辊的刚度，是一个重要的课题。

不同长度、不同直径的主辊，其受力也不同。主辊的受力从几吨到几十吨，对主辊的变形影响较大，分析不同机型的主辊变形及其变形对切割硅片质量的影响，对多线切割机的发展有较大意义。

1 基于静力学分析对主辊的变形研究

1．1 模型的建立

对于主辊而言，主要参数为长度、直径和重量，目前市场上主流机型的主辊长度为320～1 040 mm，直径为200～350 mm［3-4］。重量根据材质不同，范围也很大。但是主辊的工作原理，其结构基本相同，其影响切割因素主要是主辊变形对切割的影响。先选择市场上保有量最大的一款机器的主辊进行建模分析。

1．2 载荷的施加

不同的主辊其受力情况也不同，一般来说，长度越长，主辊上的切割钢线数量越多，其受力越大。切割钢丝的张力也会根据不同机型、不同的切割工艺有所调整，一般张力为10～35 N，变形分析时采用的是主辊常规使用时的受力情况，如图1、2所示。

图1 切片机主辊模型

图2 切片机主辊网格划分

这里选择的是长度520 mm，直径300 mm的主辊，通过计算其承载力约为51 kN，换算为压力后可以直接施加在模型上，如图3。

1．3 模型求解的结果

通过对模型的求解分析，可以得出主辊模型的变形分布图，如图4。

图3 施加的载荷和约束

图4 长度520 mm空心主辊的变形分析图

通过变形图可看出，主辊中部变形较大，有23 um，两端变形较小，基本接近于0 um，此模型等同于简支梁受均布载荷的情况，中部是弯矩最大的地方。

2 多线切割机主辊的变形对切割质量的影响

2．1 主辊变形对线网张力的影响分析

图5为两主辊切片机结构图，由变形图可看出，中部变形量较大，两端的变形量较小，这样钢线一圈的长度拉伸不同，张力也就不同，下面通过公式计算钢丝张力的变化。

在弹性形变范围内，正应力和线应变成正比，即:

式中:F为切割钢丝的张力;ΔL为切割钢丝的伸长量;S为切割钢丝的截面积;L为切割钢丝的原长;E为切割钢丝的弹性模量。

由于主辊受力变形引起的钢丝变形量设为ΔL，一圈钢线变形前总长度为2A+π·D，变形后总长度为2A+π·D-ΔL，钢丝的截面积 S=π·d2/4，其中 D为切割钢丝的直径。

将各参数代入式(1)中可得张力最大变化为:

设单个主辊通过有限元求解出的最大变形结果为 δ，则 ΔL=4δ式(2)可代换为:

式(3)得出了变形与张力变化的关系，通过有限元计算不同机器的主辊变形可得其张力变化关系。

而线网张力不均匀的变化对切割硅片的影响较大，切割应用中已经证明线网波动太大，硅片的A片合格率会明显降低。

图5 两主辊切片机结构

2．2 主辊变形对线网线距的影响

主辊受力产生变形后，通过图4可看出，中部变形量大，主辊的表面涂覆的槽距均匀的线槽也会产生不同的变形，中部主辊受力会变长，槽距会相应的增加，这样织出的线网线距就会产生不均匀的变化。通过实验可证明，当变形量增大到一定程度时，主辊中部切割出的硅片质量不合格率明显提高。此变形量与合格率的关系，还有待进一步的研究。

2．3 不同机型的主辊变形的对比

对市场上面常见的一些机型主辊进行了受力变形分析，主辊长度从520～1 040 mm，包括实心和空心的主辊变形也进行了对比，如图6所示。

图6 常见主辊的受力变形对比

通过分析可看出，主辊越长，其变形量相对增大;实心的主辊比空心的主辊变形有大幅降低。但从设计来说，实心主辊的大惯量对频繁加减速是个不利因素。轻量化、高刚度的主辊是将未来发展的趋势。而在设计新主辊时，过度的轻量化会导致切割时主辊变形量过大，影响切割的质量。

通过主辊变形的分析，可得出在主辊设计时，最大变形量需要控制，在保证主辊结构刚度的同时，变形一般也要控制在一定范围内，这样在切割时由于主辊产生的影响会小很多。同时，主辊的直径和长度也需要有限元分析，得出最佳的尺寸范围。

3 结语

通过静力学有限元分析主辊的变形，运用数学公式分析变形对切割时产生的不利影响，并进行目前市场上不同主流机型的主辊对比，可看出主辊的变形量对设计主辊时有一定要求，变形量最大不的大于50 um。通过变形量对张力波动的影响，可得出控制主辊的变形量能够有效控制切割的硅片合格率。通过对主辊变形的研究，对主辊的参数设计有较大的参考意义，对切片机的设计和研究有一定的指导意义。

［1］ 欧阳桥桢，胡根平．硅晶片金刚线多线切割机［J］．现代机械，2013(1):54-58．

［2］ 种宝春．多线切割机的切割运动分析［J］．电子工业专用设备，2010(39):31-35．

［3］ 殷华林，岳 伟．金刚线多线切割机主辊参数研究［J］．机械研究与应用，2014(5):4-6．

［4］ 彭思齐，戴瑜兴，蒋 近．带摆动机构的多线切割机控制系统研制［J］．机械工程学报，2011，47(19):181-186．