NTC442多線切割設(shè)備的設(shè)計(jì)改造

謝燕琴

(江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 33700)

0 引 言

綠色制造和綠色加工是現(xiàn)在世界各個(gè)國家重點(diǎn)突破的難題。為了平衡環(huán)境和能源問題，太陽能的開發(fā)是越來越被各個(gè)國家重視。硅片是制造晶硅太陽能電池的核心材料，其品質(zhì)的好壞將直接影響到后續(xù)電池片的制造工藝、制造成本及光電轉(zhuǎn)化效率[1]。未來太陽能電池，尤其時(shí)高效太陽能電池對(duì)硅片的表面完整性要求越來越高，更高的尺寸精度和更好的表面質(zhì)量將是未來太陽能硅片的發(fā)展趨勢(shì)[2]。近幾十年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者一直對(duì)硅片的制造方法和工藝不斷研究和改進(jìn)，硅片的品質(zhì)不斷提升，但成本高。本文將對(duì)已有的設(shè)備NTC442多線切割設(shè)備進(jìn)行改造，改變切削了模式，改造了切割室，設(shè)計(jì)了主軸、匹配了軸承。

1 游離砂漿切割模式與金剛線切割模式

NTC442多線切割設(shè)備是加工太陽能硅片的主流設(shè)備，NTC442多線切割設(shè)備的工作模式是采用了游離砂漿切割技術(shù)。游離砂漿切割屬于“三體(即磨粒、硅棒、工件)”加工。在切割過程中，切割線施加在磨粒上的力帶動(dòng)磨粒沿切削表面做滾動(dòng)，同時(shí)切割線壓擠磨粒嵌入到切削表面，形成表面裂紋，從而達(dá)到切割的作用[3]，如圖1。

圖1 游離砂漿切削

游離砂漿切割的平均切削速度是0.39 mm/min，損傷層達(dá)到11～15 μm，切口損耗120～150 μm，硅片最小厚度160 μm，切出的表面粗糙，沒有硅片的切割方向鋸痕，SiC摩擦硅片距離較短，易產(chǎn)生隨機(jī)的凹凸坑。

金剛線切割(如圖2)是太陽能硅片加工的另一種模式，以金剛線上固結(jié)金剛石進(jìn)行高速切削加工來實(shí)現(xiàn)硅棒材料的切除，平均切削速度可達(dá)到1.3 mm/min，約為游離砂漿切割速度的4倍，損傷層6～8 μm，切口損耗80～120 μm，硅片最小厚度120 μm，切出的表面光滑[4]。

對(duì)于太陽能硅片加工單位要重新購買金剛線切割機(jī)大概需要200-300萬/臺(tái)，而將NTC442多線切割設(shè)備的游離砂漿切割模式改造成金剛線切割模式只需4萬元/臺(tái)，為了減少投資，降低成本，解決現(xiàn)有狀況，各單位NTC442多線切割設(shè)備的改造迫在眉睫。

圖2 金剛線切削

2 NTC442多線切割設(shè)備的改造

NTC442多線切割設(shè)備的游離砂漿切削模式改造成金剛實(shí)線切割模式，要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改造：①切割室的改造，兩軸變?nèi)S——增加中心主輥；②軸承的設(shè)計(jì)；③工作臺(tái)的設(shè)計(jì)；④切削液的選擇；⑤接地報(bào)警；⑥過線滑輪等等，前兩方面的改造是關(guān)鍵。

2.1 切割室的改造

NTC442多線切割設(shè)備的線網(wǎng)支撐面是通過兩根主輥(也稱為主槽輪，中心距離為600 mm)支撐鋼線達(dá)到切割的目的，如圖3。由于兩主輥的中心距離較遠(yuǎn)，鋼線線速較快，而鋼線的直徑只有120 μm，穩(wěn)定性差，在主輥之間易產(chǎn)生晃動(dòng)，切削的硅片品質(zhì)難以控制。因此，需要在兩根主輥之間增加中心主輥，如圖4。建立的三維模型如圖4所示。

圖3 改造前的切割式 圖4 改造后的切割式

2.2 中心主輥的設(shè)計(jì)

在加工過程中，中心主輥起到支撐線網(wǎng)和提供一定的切入角的作用，受力主要是金剛石線對(duì)它的壓力(壓力是均勻分布，且有一定的斜度，即有徑向力和軸向力)，還受到金剛石線的摩擦力，以及軸承對(duì)其的支撐力。每根金剛石線的張緊力要達(dá)到13 N，槽輪上最多可以均勻繞1 500圈金剛石線(切片的數(shù)量最多1 500片)，所以選擇的材料為38CrMoAl，設(shè)計(jì)的尺寸如圖5。

圖5 中心主輥的尺寸

2.3 軸承的選擇

金剛線在切片的時(shí)候，要求切片精度高，速度快。另外，在水平面上，金剛線繞線成一定斜度，要承受軸向力。在鉛垂面上，中心主輥略高于左右主輥(大約高2 mm)，承受一定的徑向壓力。綜上所述，在選擇軸承時(shí)候，后端用來定位并保證一定的加工靈敏度，選擇三個(gè)單列的角接觸軸承，型號(hào)為SKF7208C，前端用來承受較大的力，選擇兩個(gè)圓柱滾柱軸承，型號(hào)為SKF NU208E，安裝后的效果，如圖6。

圖6 軸承安裝圖

3 結(jié) 論

NTC442多線切割設(shè)備的游離切削模式改造成金剛石線的切削模式。改造后的設(shè)備，不僅提高了硅片的質(zhì)量、精度以及企業(yè)生產(chǎn)效率，還節(jié)約了原材料和能源消耗，很大程度地提高經(jīng)濟(jì)效益，更好地滿足了企業(yè)需求，為企業(yè)贏得了效益。