多線切割機(jī)導(dǎo)輪軸套結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

張強(qiáng)，陳再良

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215137)

多線切割設(shè)備作為硬脆材料的加工設(shè)備，在硅片、藍(lán)寶石、磁性材料等加工中占據(jù)主要地位，其切割原理是將鋼線排布在帶有溝槽的導(dǎo)輪上，導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)具有固結(jié)磨料的鋼線(或附著有游離態(tài)磨料的鋼線)完成對硬脆材料的切割。導(dǎo)輪作為鋼線纏繞的模具，使用壽命有限。為了更換便捷，導(dǎo)輪目前采用角接觸關(guān)節(jié)軸承(簡稱關(guān)節(jié)軸承)連接，其結(jié)構(gòu)簡單，承載能力大，抗沖擊能力強(qiáng)，可自調(diào)心。但關(guān)節(jié)軸承在承受徑向力時(shí)，不能限制徑向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，會(huì)產(chǎn)生微小蠕動(dòng)，加劇關(guān)節(jié)軸承磨損，使導(dǎo)輪的徑向跳動(dòng)增大，影響切割良率。

關(guān)節(jié)軸承在工作中受力集中，且在擺動(dòng)下易發(fā)生磨損而導(dǎo)致軸承失效。因此，關(guān)節(jié)軸承的壽命與磨損性能直接相關(guān)[1-2]。現(xiàn)有文獻(xiàn)分析了關(guān)節(jié)軸承的磨損形式，但對改善其壽命沒有提出明確的方法。鑒于此，現(xiàn)對關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，改進(jìn)軸套結(jié)構(gòu)，以期提高導(dǎo)輪的定位精度。

1 關(guān)節(jié)軸承模型

軸承箱與導(dǎo)輪的連接如圖1所示，在軸承箱主軸前端安裝關(guān)節(jié)軸承的外球面，導(dǎo)輪兩端安裝關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)球面。在軸向預(yù)緊力作用下，關(guān)節(jié)軸承配合連接(圖2)。由于關(guān)節(jié)軸承具有自調(diào)心作用，故導(dǎo)輪裝配較為簡單。軸承箱在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)軸承保持導(dǎo)輪準(zhǔn)確定位，驅(qū)動(dòng)盤通過銷軸帶動(dòng)導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)。

關(guān)節(jié)軸承在承受徑向載荷和軸向載荷時(shí)，接觸面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力分布不均直接影響軸承襯墊的磨損、發(fā)熱量及壽命[3]。由于導(dǎo)輪通配使用，故關(guān)節(jié)軸承的配對不能保持一對一。選取3對FAG的GE120SW角接觸關(guān)節(jié)軸承試樣，用蔡司CONTURA G2三坐標(biāo)儀檢測其球面直徑，結(jié)果見表1。

1—機(jī)架；2—軸承箱；3—導(dǎo)輪；4—鎖緊絲桿； 5—關(guān)節(jié)軸承內(nèi)球面；6—關(guān)節(jié)軸承外球面

圖2 自潤滑關(guān)節(jié)軸承模型

表1 關(guān)節(jié)軸承尺寸

由表1可知，軸承內(nèi)、外球面存在初始曲率半徑差值，這使得安裝在導(dǎo)輪上的軸承內(nèi)球面與軸承箱上的外球面存在間隙(簡稱球面間隙)。球面間隙對球面接觸應(yīng)力分布、摩擦因數(shù)及摩擦生熱均有重要影響[4]。

如圖3所示，導(dǎo)輪在軸向預(yù)緊力Fa作用下安裝在多線切割設(shè)備上，承受鋼線均布的徑向載荷Fr，使其產(chǎn)生微小彎曲變形。由于關(guān)節(jié)軸承只限制了x，y，z方向的移動(dòng)自由度，沒有限制轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，關(guān)節(jié)軸承將產(chǎn)生微小的擺動(dòng)，會(huì)加劇其磨損。在徑向載荷110 kN，軸向預(yù)緊力138 kN，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速1 556 r/min下，關(guān)節(jié)軸承的平均使用壽命約2 160 h(340刀)。通過顯微鏡觀察切割330刀的關(guān)節(jié)內(nèi)球面軸承磨損形貌(圖4)，發(fā)現(xiàn)有襯墊碳化痕跡，內(nèi)球面出現(xiàn)應(yīng)力剝落，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承的定位精度及承載力急劇下降。

圖3 關(guān)節(jié)軸承導(dǎo)輪受力示意圖

圖4 自潤滑關(guān)節(jié)軸承內(nèi)球面磨損形貌(40×)

通過導(dǎo)輪徑向跳動(dòng)表征其定位精度的變化，定位精度越低，徑向跳動(dòng)越大。抽取7臺MeyerBurger DS271試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。每臺設(shè)備導(dǎo)輪單次平均使用壽命約120刀，初次安裝的導(dǎo)輪徑向跳動(dòng)平均約80 μm，隨著使用刀次的增加，徑向跳動(dòng)逐漸增大，切割良率逐漸變差。

表2 裝有關(guān)節(jié)軸承試驗(yàn)機(jī)不同切割刀次下的徑向跳動(dòng)和切割良率

2 錐形軸套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錐形軸套連接具有結(jié)構(gòu)簡單，拆裝性好且不傷結(jié)合面等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程裝配領(lǐng)域。為了解決關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外球面間的相對擺動(dòng)以及導(dǎo)輪裝配中的自動(dòng)定心問題，設(shè)計(jì)了錐形軸套結(jié)構(gòu)(圖5a)，安裝時(shí)，錐形軸套導(dǎo)正導(dǎo)輪，使其與軸承箱同軸。另外，為了提高定位精度的同時(shí)增強(qiáng)定位剛度，設(shè)計(jì)了錐面和凸緣端面雙面定位的錐形結(jié)構(gòu)(圖5b)。這種雙面定位方式存在過定位，極大提高了導(dǎo)輪與軸承箱體間的連接剛度和抗扭能力[5]，使錐面的過盈量得到控制，避免了錐面因接觸應(yīng)力過大而發(fā)生塑性變形，也降低了導(dǎo)輪更換時(shí)對錐面的損害。

圖5 錐形軸套模型及裝配圖

如圖6所示，對圓錐軸施加一定的軸向預(yù)緊力Fa使其壓入圓錐孔內(nèi)，錐形結(jié)合面上便產(chǎn)生一定的徑向壓力。在一定轉(zhuǎn)矩下，結(jié)合面上產(chǎn)生摩擦阻力矩以傳遞扭矩。導(dǎo)輪承受鋼線均布的徑向載荷Fr，使其產(chǎn)生微小彎曲變形。由于錐形軸套結(jié)構(gòu)限制了其他轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，從而使得導(dǎo)輪與軸套在錐形連接方式下可近似視為一個(gè)剛體，錐面之間不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，可減少錐形軸套的磨損。

圖6 錐形軸套導(dǎo)輪受力示意圖

2.1 傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)的最小結(jié)合力

文獻(xiàn)[6]針對錐面過盈連接零件提出了一種通過控制軸向預(yù)緊力來控制裝配過盈量的方法，錐面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩時(shí)過盈配合面間的最小結(jié)合應(yīng)力為

(1)

式中：d1為最小圓錐直徑，m；d2為最大圓錐直徑，m；L為圓錐結(jié)合面長度，m；α為圓錐半錐角，rad；μ為結(jié)合面間的摩擦因數(shù)；T為扭矩，N·m。

2.2 最小軸向預(yù)緊力

錐形軸套受力分析如圖7所示，圖中p為配合面間的結(jié)合力；px，py分別為p在x，y方向上的分力。

圖7 錐形軸套受力分析

最小軸向預(yù)緊力為

(2)

px=psinα。

(3)

由此可得

Famin=πpmintanαL(sinα+μcosα)(Ltanα+d1)。

(4)

2.3 最大結(jié)合力

通過Abaqus軟件對設(shè)計(jì)錐形軸套進(jìn)行有限元分析，采用掃掠形式的六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成9 006個(gè)網(wǎng)格單元，11 130個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖8所示。錐軸安裝在軸承箱主軸上，對其施加邊界約束，大端面和內(nèi)圓柱面固定。對錐孔端面施加軸向應(yīng)力3.5 MPa，徑向應(yīng)力1.75 MPa。運(yùn)行分析步后，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力在錐軸的大端A點(diǎn)(圖9)。

圖8 錐形軸套網(wǎng)格劃分

圖9 錐形軸套應(yīng)力云圖

為保證連接件不超過材料的彈性范圍，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，錐軸A點(diǎn)處的當(dāng)量應(yīng)力[6]小于許用應(yīng)力。

錐軸A點(diǎn)處的最大結(jié)合應(yīng)力pmax和最大壓入力Famax分別為

(5)

Famax=πpmaxtanαL(sinα+μcosα)(Ltanα+d1)，

(6)

式中：db為錐軸內(nèi)孔直徑，m；[σz]為錐軸材料的許用應(yīng)力，Pa。

2.4 錐形軸套設(shè)計(jì)參數(shù)

多線切割機(jī)導(dǎo)輪運(yùn)行時(shí)需傳遞的最大扭矩為600 N·m，導(dǎo)輪軸套安裝的幾何尺寸需滿足錐形軸套配合后的高度38 mm。此時(shí)d1=139.6 mm，d2=149.7 mm，db=120 mm，L=28.5 mm，選用20 rad的錐角，外錐套軸向壓入位移為0.2 mm，錐形軸套選用GCr15鋼,其在淬火回火后屈服強(qiáng)度為1 665 MPa[6]，將其作為錐軸材料的許用應(yīng)力。

根據(jù)(1)，(4)式可得，pmin=3.73 MPa，F(xiàn)amin=8.8 kN。根據(jù)(5)，(6)式可得，pmax=313.04 MPa，F(xiàn)amax=738.5 kN。

由此可知，錐形軸套的最小結(jié)合應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料塑性變形時(shí)的最大結(jié)合應(yīng)力。此錐形軸套的設(shè)計(jì)參數(shù)滿足使用要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取MeyerBurger DS271作為試驗(yàn)機(jī)，在5 MPa軸向壓力下將裝有錐形軸套的導(dǎo)輪安裝在試驗(yàn)機(jī)上，導(dǎo)輪的徑向跳動(dòng)為20 μm，相比關(guān)節(jié)軸承初次安裝后導(dǎo)輪80 μm的徑向跳動(dòng)，錐形軸套導(dǎo)輪的徑向跳動(dòng)明顯降低。

在試驗(yàn)機(jī)上切割156 mm×156 mm多晶硅錠，裝載量800 mm，使用φ70 μm金剛線，用0.8 L冷卻液配比300 L純水進(jìn)行冷卻。切割主體臺速1.4 mm/min，鋼線張力12 N，切割時(shí)間140 min。切割70刀后，硅片產(chǎn)品的良率與同時(shí)期使用關(guān)節(jié)軸承的試驗(yàn)機(jī)切割產(chǎn)品的良率進(jìn)行比對(表3)可知，A品率提高0.8%。

表3 裝有2種結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)機(jī)切割良率對比

使用錐形軸套的試驗(yàn)機(jī)切割260刀后拆卸導(dǎo)輪檢查錐形軸套外觀(圖10)，未發(fā)現(xiàn)軸套表面有磨損現(xiàn)象，在軸套內(nèi)表面選取A點(diǎn)放大觀察可知，其表面為機(jī)械磨削的加工痕跡，與關(guān)節(jié)軸承襯墊碳化，表面應(yīng)力剝落相比，其表面質(zhì)量得到極大改善。

圖10 錐形軸套內(nèi)表面形貌(40×)

4 結(jié)束語

經(jīng)試驗(yàn)證明，使用錐形軸套結(jié)構(gòu)的導(dǎo)輪徑向跳動(dòng)明顯降低，錐形軸套對產(chǎn)品良率的提升有顯著影響。軸套表面沒有產(chǎn)生明顯磨損現(xiàn)象，說明軸套間沒有產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，因此減少了磨損，延長了使用壽命。通過軸套的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，多線切割設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本得以降低，提升了硅片的良率，降低了硅片的加工成本。