多線切割機床切方機的研發(fā)

多線切割機床切方機的研發(fā)

隨著人類社會的進步和發(fā)展的需要，能源作為促進社會快速發(fā)展的重要功能而受到世界的關注。尤其是當人們普遍認為地球上有限的資源終有終結的一天時,科學家們無不把許多精力用在了尋求新能源的領域。如水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等。近年來,太陽能的應用越來越廣。對于這取之不盡,用之不竭的太陽能,讓全人類的目光都聚焦在這里,使硅片加工業(yè)也隨之興起,從而使光伏產(chǎn)品得以高速發(fā)展。然而,對于硅材料的加工要求也越來越高,超薄硅片的切割技術,打破了傳統(tǒng)鋸片加工的形式,采用多線的加工方法引領當今硅片生產(chǎn)的潮流,硅片多線切割技術是目前世界上比較先進的硅片加工技術。我國大多光伏行業(yè)生產(chǎn)廠均采用國外的多線切割機床,這緣于我國多線切割機床還處在剛剛起步階段。2011年年初,第五屆國際太陽能光伏大會在上海展覽館舉行,展會上光伏產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商眾多,而硅材料多線加工機床生產(chǎn)廠則不足10家。大連連城數(shù)控機器股份有限公司參展的具有國際先進水平的切方機(見圖1)贏得用戶的青睞,進而帶著厚厚的訂單而歸。這讓我們看到了國產(chǎn)多線切割機床的前景與未來,完全靠進口的局面已被打破。然而,就國產(chǎn)的多線切割硅片的機床而言,與瑞士和日本等先進國家的同類產(chǎn)品有著很大的差距,還有許多核心技術需要研究。多線切割硅片加工光伏產(chǎn)品及電子產(chǎn)品中的硅片是需要多種工藝而完成的。在硅錠的制造上就有所不同。單晶硅是由單晶爐拉制而成,硅錠是圓柱形,而多晶硅錠是方形體。一圓一方,要達到最終的薄片,采用多線切割機加工的工藝上也有所不同。單晶硅是先切斷,即切去頭尾,后切方,最終再切片。多晶硅是先切方,即將整個方形硅錠切成幾十塊小方,后切去頂部和底部,最終再切片。采用多線切割硅片較傳統(tǒng)鋸切有許多優(yōu)點:硅片彎曲度小,平行度好,表面粗糙度值低,厚度公差小,片間切割損耗少,切片加工出片率高,生產(chǎn)效率高,投資回報率高。因此,應用多線切割機是發(fā)展規(guī)?；a(chǎn)和提高生產(chǎn)效率的必然選擇,特別適用于太陽能光伏電池超薄基片的批量加工。多線切割機加工硅片加工工藝多線切割原理是使用鋼絲線帶動砂漿中的碳化硅微粉,對硅進行切斷的一種加工方法。在加工過程中,高速旋轉的導線輪帶動鋼線以一定的壓力壓在被加工的硅體上,同時,在切割部位噴淋一定量的砂漿,使其中的碳化硅微粉懸浮在鋼線上,在鋼線高速運動的同時,通過碳化硅顆粒對硅進行磨削,從而使硅體被切開,實現(xiàn)切斷、切方、切片等加工工藝。多線切割機加工硅片的原理如圖2所示,圖中的導線輪,收、放線輪,排線輪等均由伺服電動機同步驅動。張力輪由伺服力矩電動機驅動或氣缸及壓力傳感器驅動。圖3為單晶硅的切方加工方法。多線切割硅片在硅材料的加工中,目前國內(nèi)生產(chǎn)的多線切斷和切方機床已投放市場。而多線切片機因加工難度大,要求條件苛刻,技術含量高而落后于前者。雖然個別生產(chǎn)廠家有了樣機,但技術還不完全成熟,均處在剛剛起步階段。硅片是光伏電池和電子產(chǎn)品的重要元件,因此,對硅片的質量要求很高。多線切割硅片不是一根線在切,在導線輪上平鋪纏繞平行的上千條鋼線同時進行切割,也就是說,一次要加工上千片硅片,且每片厚度僅在0.150.3mm,加之硅材料屬于脆性材料,因此在切割過程中,某一個環(huán)節(jié)稍有問題,則導致硅片出現(xiàn)線痕、崩邊、碎片而報廢。硅是較昂貴的材料,是不允許有過多的報廢的,這就給加工帶來了難度。在硅片的加工中,影響硅片加工質量的因素很多,但主要有以下幾個方面。1.導線輪支撐的質量控制由于導線輪上的鋼線進行切割,因此對導線輪的旋轉精度要求很高,不許有振動。導線輪上開的上千個鋼線槽尺寸要求一致性,且跳動要在0.02mm以內(nèi),此外,導線輪支撐軸承要有溫度控制裝置。因為,導線輪是高速轉動,如果運動不平穩(wěn),運動精度不穩(wěn)定,會使被加工的硅片產(chǎn)生加工缺陷而出廢品。因此,導線輪的運動精度,將決定機床的性能,它是判定機床好與壞的一個重要的指標。2.碳化硅粉砂漿無論是切斷、切方,還是切片,鋼線在切割時均離不開砂漿的參與。砂漿是由聚乙二醇和碳化硅微粉按一定比例配制而成,由于在切割過程中,砂漿是懸浮在鋼線上的,它不僅參與切割,而且還有冷卻作用。因此,砂漿的濃度和黏度對加工性能影響很大。在切割過程中,由于鋼線、碳化硅粉與硅體高速摩擦產(chǎn)生大量的熱量,如果砂漿黏度大流動性差,會導致加工散熱不好,加工硅片時會產(chǎn)生表面燒傷而成為次品,或鋼線因過于受熱而折斷。如果砂漿過稀,黏度則低,使碳化硅粉在鋼線上的浮著力減弱,降低了加工效率。也就是說,在砂漿中,為了使加工效果更好,碳化硅粉要占有一定的量,這樣才有能力進行加工。否則,砂漿的黏度再大,而碳化硅粉數(shù)量不足,加工效果也不會好。另外,碳化硅粉的粒度和形狀,也是影響硅片表面粗糙度值和切割能力的關鍵因素之一。形狀規(guī)則,切出的硅片表面質量好,粒度均勻的,可提高切割能力。再者,砂漿的流量也影響加工的效果。在切割過程中,砂漿的供給量要充足,不允許有斷漿或少漿等現(xiàn)象出現(xiàn),否則會使硅片產(chǎn)生線痕或鋼線折斷。因此,砂漿流量需要用流量計進行反饋控制。3.砂漿供給能力在加工過程中,鋼線的速度是反映加工效率的主要指標。在保證鋼線不斷的情況下,鋼線的速度應盡可能提高,但要與砂漿的供給能力相匹配,砂漿供給能力過大,會使硅片出現(xiàn)線痕或使鋼線斷線;砂漿供給能力過低,會出現(xiàn)厚薄片、線痕片,因此,鋼線的速度提高,與之相關聯(lián)的配套功能必須與之相適應,否則,單一提到鋼線速度則無意義。大連連城數(shù)控機器股份有限公司生產(chǎn)的切片機,鋼線的速度可達1014m/s,這個指標已經(jīng)達到國際同類產(chǎn)品的水平。就目前而言,切片機的鋼線的走向有單項和雙向之分,對于單線來說控制較容易,而對于往復的雙向控制就很復雜。由于導線輪換向,鋼線速度要從高到低轉換,直至到零,再由零到最大。由此可見,這個過程,是勻減、勻加、再勻速運動的過程,這就給所有的導線輪、排線輪、受線輪、放線輪的同步控制帶來了難度。4.加工過程張力的變化多線切割機之所以能夠實現(xiàn),與鋼線的張力是有直接關系的。沒有張力就無法切割,而張力過大,鋼線就會斷線。因此,在切割過程中,鋼線的張力及其變化,需進行實時有效的控制。多線切割硅片,在導線輪上纏繞著多則上千條鋼線,加工時,張力隨時在不斷地變化,只要有一股線斷線,將使整個加工失敗。斷線問題是衡量機床性能的又一個重要的指標。在加工過程中,鋼線的張力不同,對硅片的片痕、崩邊也有很大的影響。鋼線張力過大,懸浮在鋼線上的碳化硅粉就會難以進入切割部位,且由于張力過大,鋼線極易斷線。因為,硅片的切割鋼線一般直徑為0.10.18mm,如此細的鋼線,如果張力控制不穩(wěn)定就會產(chǎn)生斷線。一般情況下,張力變化控制在±1N的范圍內(nèi)。如果鋼線張力過小,鋼線彎曲度增大,鋼線帶砂能力同樣下降,而且也容易出現(xiàn)跳線現(xiàn)象,同樣也易產(chǎn)生線痕等殘次片?？梢?控制張力的變化和反饋,是多線切割的重要環(huán)節(jié)。5.進給速度多線切割機的切割進給即鋼線切入被加工工件的速度。進給速度的快慢,決定了機床的加工效率。因此,進給速度是機床制造商和用戶非?？粗氐募夹g指標。切斷、切方機進給大都在1mm/min左右,而切片機大都為0.20.4mm/min。因為,進給速度太大,鋼線與工件的壓力增大,線弓也隨之增大,而鋼線極易斷線。加工切片如圖4所示。多線粉碎機的應用前景影響硅片加工的因素是多方面的,一臺性能優(yōu)良的多線切割機除了具備上述的性能外,還應具備控制的先進性,操作維修的簡易性,