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徐公志1 胡 苗 2
（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）
摘 要 介绍了一种单晶硅专用磨床的基本布局，对加工单晶硅类零件机床内关键技术及主要部件做了重点说明。通过对单晶硅棒磨削工艺的研究、编辑磨削工艺和实现机床自动磨削等方法，证明了所采用的单晶硅磨面倒角磨床，可用于磨削单晶硅开方后的四平面和圆弧角，可以收到理想的效果。 关键词 单晶硅 四平面 磨面倒角 磨床 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。螺纹套套
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。
图1 机床布局图
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。硅棒
图2 磨面倒圆示意图
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。
图3 硅棒尺寸要求
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。
图4 硅棒端面尺寸要求
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。
螺旋焊缝钢管
（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
旋转式清堵机(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。
图5 硅棒摇摆磨圆示意图
(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。
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徐公志 等 单晶硅磨面倒圆专用磨床简介
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图6 磨圆弧示意图 (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。钙粉加工生产线
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