硅晶片切割机主轴结构优化

梁桂转，庄剑毅，李军涛

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

硅晶片切割机主轴结构优化

梁桂转，庄剑毅，李军涛

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

硅晶片切割机用于对硅锭进行切割，硅锭属于硬脆性材料，且切割过程是上千条钢线一起切割，这使得钢线的载体要承受相当大的载荷。对已有结构的硅晶片切割机进行结构优化，提高硅晶片切割机主轴的使用寿命，减少硅晶片切割机停机维修的成本，最终为企业提高经济效益。

主轴寿命；轴承应力；结构优化

硅晶片切割机是以高速运动的钢线为载体，以砂浆为切割刃，通过钢线与硅锭的相对运动来实现对硅锭的切割加工，以获得一定几何形状的硅晶片。硅晶片是微电子信息（IC）产业和太阳能光伏（PV）产业的重要元件，随着新能源需求的日益增加，硅晶片的需求也日益增加，为了满足硅晶片的市场需求，硅晶片生产企业必须提高硅晶片的生产能力，因此硅晶片切割机的加工能力也越来越受到硅晶片加工企业的重视［1］。

1　硅晶片切割机加工原理

硅晶片切割机主要由前轴承箱、后轴承箱、导轮、缠绕在导轮上的切割钢线以及控制系统组成，切割机在工作过程中，前后轴承箱主轴支撑导轮作旋转运动，用于切割加工的过程往往是多线切割而不是单线切割，多线切割即缠绕在导轮上的钢线数量有上千根，由于硅锭很硬，切割过程钢线要承受硅锭给的反作用力，最终作用在主轴上［2］。

2　项目背景

原结构硅晶片切割机主轴使用寿命短，原因是主轴使用的轴承易损坏，导致硅晶片切割机被迫停机维修，严重影响到了硅晶片切割机的生产效率。项目的目的是为了提高硅晶片切割机主轴的使用寿命，减少硅晶片切割机主轴的停机维修时间。

3　硅晶片切割机结构优化

3.1原结构主轴分析

原结构主轴寿命低的原因是主轴轴承容易损坏，因此，结构改进要从主轴轴承着手。原结构主轴使用的是角接触球轴承，角接触球轴承滚动体是球体（点接触），主要承受轴向载荷，一般应用于压力小，转速高的工况下。

3.2结构优化以及计算

圆锥滚子轴承滚动体是滚子（线接触），承受的载荷比点接触的轴承要大，而且刚性较强，一般用在转速相对较低，压力大的工况下。

切割机导轮上缠绕2 000条钢线，每根钢线始终保持23 N左右的张力，2 000根钢线产生46 000 N的合力作用在切割机前、后轴承箱主轴的径向方向，因此轴承箱主轴主要承受的是径向力且此径向力较大，切割机最高转速一般在2 000～3 000之间。

综上分析，改进结构使用圆锥滚子轴承替代角接触轴承。改进前后轴承结构简图如图1所示，使用Bearinx（Bearinx是舍弗勒针对滚动轴承开发的一套计算程序，）其计算原理是：通过建立特定的轴系模型，添加特定的计算条件：轴系转速、轴系受力、轴承预紧力、轴承润滑条件，轴承工作温度等，经过对轴系进行轴承接触应力、轴的变形和刚度、固有频率和极限转速等计算，可以输出轴承接触应力值、轴系因受力而产生的变形曲线、轴系的各阶固有频率值等计算结果）对两个轴系进行轴承接触应力、轴系刚度的计算，计算结果如表1和图2所示。

图1　轴系简图

表1　轴承接触应力对比

3.3计算结果分析

由计算结果表1可得，在额定工况条件下，改进结构轴承接触应力远远小于原结构轴承接触应力，原结构轴承最大接触应力1 800 MPa，超过轴承钢珠承受的极限应力（1 500 MPa），处于危险工作状态，所以轴承容易损坏。

由计算结果图2可得，在相同工况（轴向、径向载荷）条件下，改进结构轴系前端变形0.05 mm，原结构轴系前端变形0.013 mm，改进结构轴系刚度约为原结构轴系刚度的3倍。

图2　刚度计算结果对比

4　结束语

改进后的切割机主轴轴承接触应力远小于极限应力，使得轴承的使用寿命大大提高，刚性的加强也优化了机床的加工效果，最终提高了硅晶片切割机的加工效率。

［1］周世威.金刚石线锯切割设备现状分析［J］.超硬材料工程，2012，24（3）：49-50.

［2］欧阳桥桢.硅晶片金刚线多线切割机［J］.现代机械，2013，（1）：54-55.

Optim ization of Spindle Structure of Silicon Wafer Cutting Machine

LIANG Gui-zhuan，ZHUANG Jian-yi，LIJun-tao
（Guangzhou Hao Chi Electrical Limited by Share Ltd.，Guangdong Guangzhou 510000，China）

Silicon wafer cutting machine used for cutting silicon ingots，silicon ingot belongs to hard brittle materials，and cutting process is thousands of bar steel wire cutting together，which makes the carrier of the steel wire to carry a considerable load.This paper aimed at the existing structure of the silicon wafer cuttingmachine，structure optimization，improve the service life of the silicon wafer cutting machine spindle，reduce the cost of silicon wafer cutting machine maintenance downtime，as，eventually improve the economic benefit for the enterprise.

the spindle longevity；bearing stress；structure optimization

TG48

A

1672-545X（2016）05-0060-02

2016-02-27

梁桂转（1986-），女，广东广州人，研究生，机械设计工程师，研究方向：磨床主轴设计。