单晶硅磨面倒圆专用磨床简介

徐公志 胡 苗

（1.青岛高测科技股份有限公司 山东青岛266114；2.淄博市淄川区工业和信息化局 山东淄博255100）

光伏行业是新型行业，是国家重点扶持的新能源行业，加工此类单晶硅零件的国内机床加工精度不稳定，大多采用磨面和倒圆弧角分开的工艺，加工效率低，国外加工设备昂贵，急需开发磨面倒圆专用磨床替代进口。

目前国内的磨面倒圆专用磨床基本都是进口的，国产设备还是分体的，即磨床仅磨面，滚磨仅倒圆，独立的毛刷机做表面抛光，工序分散、物料转场多、生产效率低、加工质量差且不稳定。随着国内光伏厂不堪忍受进口设备昂贵的价格及奇差的售后服务的折磨，个别光伏厂开始在国内扶持供货商，进行技术创新。

国内的设备制造商，在暴利及供不应求的环境中，在持续3~4年的时间一直抱着仿造的机型销售，这时的进口设备已经在订单迅速缩水的形势下，开展了新一轮的设备开发，把多个设备功能集成到一台设备上，并在2012年前后，把磨面倒圆专用磨床销到中国市场，一夜间国产的仿造设备便失去市场，进口设备又迅速占领了新增产能的市场，并且赶上了中国光伏迅速扩产的机遇。

目前市场上，在用的设备品牌，进口的主要有BBS、TSKK、阿诺德、冈本等；市场占有率还是以进口设备为主，占到60%，国产设备占到40%，占比较低。目前BBS机使用最稳定，性价比最高；TSKK设备是目前加工质量最好的，基本做到免检，但是价格相对贵一些，性价比稍低，使用稳定性较好。国产设备主要问题是生产稳定性差，产能低，价格虽然便宜，但是综合性价比一般，急需开发性能稳定，功能齐全的磨面倒圆专用磨床替代进口设备。

目前光伏行业是国家重点扶持的行业，而单晶硅棒四平面和倒圆专用磨床，国内制造的设备效率低，性能稳定性差。因此，单晶硅磨面倒圆专用磨床的开发，对于改变单晶硅加工现状，提高产品质量、效率，少进口设备具有重要意义。

1 机床基本布局

如图1所示，机床采用四个磨头对称布局。

磨面抛圆专用磨床为对开方后不同规格单晶、多晶硅方棒进行弧或者角、面一体抛光的设备，同时可具备粗磨、精磨、单面、单弧单独加工功能。磨面倒圆示意图，如图2所示。

整机电机全部采用西门子进口伺服电机，特别是砂轮驱动电机，同类设备都是采用普通异步三相交流电机，变频器调速，最高转速2750 r/min，砂轮线速28 m/s以下。高测设备采用最高转速6000 r/min，额定4500 r/min伺服电机，额定转速下砂轮最大线速度可以达到60m/s，砂轮极限线速度可达80m/s，能够实现高速磨削。磨面倒圆如图2所示。

2 磨削的工件

加工长度：100～750mm；

加工边距：□156.00～□168.00 mm（加工前），□156.00～□165.5 mm（加工后，连续可调）；

加工直径：Φ200～Φ237.60 mm（加工前），Φ200～Φ234.05mm（加工后，连续可调）；

设备能加工的最大方棒边距为168.00 mm。以这个尺寸计算圆棒，得到最大的直径：最大直径Φ237.60 mm；加工倒角：C0.2～C10 mm，在以上范围可调；(圆弧和平角均可满足)硅棒尺寸要求如图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与四平面垂直度≤2 mm；

端面尺寸要求，如图4所示。

加工前尺寸：边距目标值较加工前小2.0 mm，直径目标值较加工前小10.0 mm。

3 磨削性能要求

设备性能要求

（1）上料：一套上料台，自动对中心。

（2）加工长度：100～750 mm。

（3）加工边距：□156.00～□168.00 mm（加工前），□156.00～□165.5 mm（加工后，连续可调）。

（4）加工直径：Φ200～Φ237.60 mm（加工前），Φ200～Φ234.05 mm（加工后，连续可调）。

设备能加工的最大方棒边距为168.00 mm。以这个尺寸计算圆棒，得到最大的直径： Φ237.60 mm。

（5）加工倒角：C0.2～C10mm，在以上范围可调。(圆弧和平角均可满足)

（6）加工前尺寸：边距目标值较加工前小2.0 mm，直径目标值较加工前小10.0 mm。

（7）加工时间。

长度325±2mm，加工时间≤20 min；

长度750±2 mm，加工时间≤45 min。

（8）单次修刀（修正砂轮）时间≤5 min。

（9砂轮修正频率：≥10根/次（以长度325 mm方棒为准）。

4 关键技术

(1)使用杯形砂轮两边同时进行倒角磨削，硅棒只是在一定角度范围内来回往复回转，加工效率相对来说较高，如图5所示。

(2)在设备滚圆磨削作业时，通过降低砂轮的位置增加了精磨轮与硅棒的接触面积，提高了磨削效率，通过倾斜及硅棒摆动动作，将接触长度由20 mm增加至82.5 mm，磨轮需要增加偏移装置实现上下调节，如图6所示。

(3)硅棒高度及直径检测技术，量测硅棒高度以计算硅棒高度中心，保证硅棒夹持在回转中心上，夹持后的硅棒通过测量各面及直径后计算出加工余量。

(4)硅棒的夹持及回转分度控制技术，硅棒的夹持应稳固可靠，避免因断电、断气等意外情况发生，工件在磨削完一组平面后进行旋转分度，分度精度误差将会直接影响工件各面的垂直度。倒角时回转控制也将影响径向加工节拍及质量。

(5)砂轮进给精度控制技术，由于砂轮磨削的特性决定了进给量要稳定、灵敏，应避免进给导轨的爬行现象的发生（爬行是机械振动中自激振动的一种形式。每一个爬行周期都分两个阶段：一个是能量的贮存，另一个是能量达到临界值时的立即释放。爬行是机床滑动导轨中常见的不正常的运动状态。程度较轻时爬行表现为肉眼所不能察觉的振动，显著时表现为较大距离的跳动。爬行会显著降低工件的加工精度）。对丝杠定位精度补偿及正反向间隙消除，以避免磨削退刀时的点切现象。

(6)高精密高刚度磨削主轴技术，硅棒磨削的砂轮法向力高于切向力，对砂轮主轴刚度要求较高，砂轮主轴的径向跳动将会影响砂轮运转轨迹，从而影响磨削表面质量，同样砂轮主轴的轴向窜动将会造成砂轮的进给不稳，影响主轴使用寿命及磨削表面质量。

(7)砂轮的平衡、修整及补偿技术，砂轮在磨削时的线速度较高，由于砂轮本身质量的不平衡，

会引起砂轮在磨削时的颤动，加剧砂轮的磨损及产生磨削振纹等。经过一定量硅棒的加工，砂轮的磨削力会降低，导致磨削效率低，工件加工质量下降，为避免此情况的发生，需对砂轮进行修整，以及修正后的补偿，以保证磨削硅棒的尺寸。

(8)丝杠导轨润滑技术，磨削进给量一般较小，为了保证进给的可靠性及灵敏性，丝杠及导轨均带有一定的预压量。如润滑不充分将会导致滚动体与滚道之间的磨损加剧，丝杠及导轨精度很快丧失，从而影响工件的加工。

(9)磨削冷却技术，砂轮磨削时产生大量的热量，冷却不充分将会导致砂轮使用寿命降低，硅棒表面存在裂纹等现象。冷却润滑液的在喷嘴出口的速度与喷嘴的几何尺寸无关，只取决于泵的压力。在一定的泵压力下、根据体积守恒和能量守恒原理可算出液流的出口速度。为了有良好的清洗砂轮作用，应使液流出口速度高于砂轮圆周速度。否则，不仅清洗作用减弱，而且由于冷却润滑液与砂轮接触时，要靠砂轮带动液流加速，产生了对砂轮的制动作用。由于砂轮速度提高，由清洗砂轮液流产生的制动力及摩擦力引起的功率损耗随之加大，进一步说明应对冷却润滑系统重视。

(10)磨削粗磨、精磨、光磨工艺技术，磨削加工一般分为粗磨、精磨、光磨三个阶段，合理的分配加工余量，不仅能保证工件的加工质量，同时也提高了加工节拍。

5 结语

2019 年通过深化市场化改革、扩大高水平开放、创新和完善宏观调控、大力度减税降负、坚持创新引领发展等措施，以实现稳增长、稳投资。这些变化，都为光伏行业带来新的挑战和机遇。

磨床正向着高精度、高转速、复合化发展， 此单晶硅磨面倒圆专用磨床推向市场，实现为整个光伏行业节本降耗、提高产能做贡献。