多線切割機(jī)線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝 祿，陳學(xué)森，李 歡，唐 強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

隨著第一批國產(chǎn)單線、多線切割機(jī)的問世，對我國特殊材料生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)起了巨大的推動(dòng)作用，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈隨之興起，蓬勃發(fā)展。在實(shí)際生產(chǎn)中，對硬質(zhì)材料的切割，傳統(tǒng)多線切割機(jī)的不足表現(xiàn)的尤為明顯。其主要原因在于：金剛線在整個(gè)切割過程中，一直與切割表面線接觸，致使單位面積受到的切割力不足，容易發(fā)生斷線，無法保證切割效率和切割質(zhì)量。

第一臺擺動(dòng)多線切割機(jī)的問世[1]，革命性地提高了硬脆材料加工的產(chǎn)能。其最大的特點(diǎn)是金剛線與被切割材料之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，保持金剛線與被切材料的點(diǎn)接觸。產(chǎn)生很大的切割力，切割效率和質(zhì)量都有顯著提升。由于搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高且不易維修，至今不能完全替代傳統(tǒng)多線切割機(jī)。為此設(shè)計(jì)的線網(wǎng)擺動(dòng)式多線切割機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，成本易控制，可靠性高，是理想的擺動(dòng)式多線切割機(jī)。

1 線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)示意圖，擺動(dòng)輪安裝在一對特制的交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承上，由電機(jī)和減速機(jī)帶動(dòng)擺動(dòng)輪發(fā)生擺動(dòng)，羅拉安裝在擺動(dòng)輪上，繞線后形成切割線網(wǎng)。工作時(shí)，擺動(dòng)輪以±10°的擺幅發(fā)生擺動(dòng)。帶動(dòng)線網(wǎng)做出擺動(dòng)切割的動(dòng)作。

圖1 線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)示意圖

相較于傳統(tǒng)不擺動(dòng)的多線切割機(jī)，線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)最大的改變就是切割箱體由前后兩側(cè)支撐改為單側(cè)支撐，其強(qiáng)度需要進(jìn)一步驗(yàn)證。如果擺動(dòng)座的剛度不足，發(fā)生彎曲，就無法保證羅拉兩端安裝孔的同軸度，羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)烈震動(dòng)，并且嚴(yán)重影響切割質(zhì)量和整機(jī)壽命。另外一部分的變化就在于一對大型交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承，他們的強(qiáng)度和壽命需要計(jì)算得知，須符合設(shè)計(jì)要求。

2 軸承壽命計(jì)算

壽命計(jì)算采用 GB/T6391-2003、ISO281:1990.標(biāo)準(zhǔn)[2]。

軸承的軸向基本動(dòng)負(fù)荷Cr為：

其中，bm=1.1，fc查表得 60.8[3]

i為軸承中滾動(dòng)體的列數(shù)

α為接觸角45°

Z為滾子數(shù)量106/3

Dwe為滾子的直徑φ24

Lwe為滾動(dòng)體有效長度

其中，D為軸承回轉(zhuǎn)中心徑φ870。

通過計(jì)算得到軸承的基本額定動(dòng)載荷Cr=261.89kN。

轉(zhuǎn)盤軸承采用42CrMo材料制造，滾子軸承的許用接觸應(yīng)力為3850MPa，滾動(dòng)軸承采用GCr15SiMn制造，滾子軸承的許用接觸應(yīng)力為4200MPa。

軸承最大當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷：P=10.295kN

軸承基本額定壽命L10（單位百萬轉(zhuǎn)）為：

其中，P為當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，ε為軸承壽命指數(shù)，滾子軸承：ε=10/3

LS為與使用概率S（即可靠性）對應(yīng)的疲勞壽命，a1為可靠性系數(shù)，見表1，a2為滾道硬度修正系數(shù)，a3為使用條件系數(shù)，或稱潤滑狀態(tài)系數(shù)。

表1 可靠性系數(shù)表

可靠性系數(shù)a1用于計(jì)算可靠性S＞0.9時(shí)的壽命。

ε：軸承壽命指數(shù)，滾子軸承：ε=10/3

HRC：滾道洛氏硬度（取值范圍55～60）

a3查表為0.53

LS=1×0.52×0.53×36232.24=9985.6

同理，軸承的軸向基本額定動(dòng)負(fù)荷Cα為

Cα=bmfc(iLwecosα)7/9Z3/4Dwe29/27

bm=1，fc查表得 151.5

同理得 Cα=504.48kN。

可得，交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤軸承的壽命和強(qiáng)度都符合設(shè)計(jì)要求。

3 擺動(dòng)體強(qiáng)度分析

先提取Solidworks的三維模型，保存成STEP格式，導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行模擬分析。由于倒角、螺紋等細(xì)小特征對結(jié)果影響很小，為了提高網(wǎng)格的精度和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在建立三維模型時(shí)省略了這些細(xì)小特征[4]。軸的材料為45號鋼，其材料屬性分別為密度ρ=7.85g/cm3，彈性模量E=210GPa，泊松比 μ=0.3。

以下給出了擺動(dòng)體的Mises應(yīng)力云圖和位移云圖，分別為圖2和圖3。

圖2 擺動(dòng)體的Mises應(yīng)力云圖

圖3 擺動(dòng)體的位移云圖

從圖2中我們可以看出較大的應(yīng)力均出現(xiàn)在軸輥與擺動(dòng)輪的接觸處和軸輥前端加強(qiáng)筋處，且最大的應(yīng)力為1.063MPa，滿足設(shè)計(jì)要求[5]。從圖3中可以得出，最大的變形出現(xiàn)在軸輥的最前端，且為2.245μm，變形較小，可以忽略不計(jì)，避免了軸輥在工作時(shí)發(fā)生偏心而引發(fā)斷線情況。以上兩個(gè)分析結(jié)果表明，我所研制的擺動(dòng)體無論從強(qiáng)度和變形上，都滿足設(shè)計(jì)要求，保證了設(shè)備的可靠性和切割質(zhì)量。

4 結(jié)束語

通過對線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)的軸承壽命和強(qiáng)度計(jì)算，以及擺動(dòng)體的強(qiáng)度和變形分析，驗(yàn)證了本次研制的線網(wǎng)擺動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，為我所研制擺動(dòng)式多線切割機(jī)提供了理論依據(jù)。同時(shí)，為我國研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多線切割機(jī)奠定了理論基礎(chǔ)。