数控多线切割机床高精度罗拉轴的关键技术研究.pdf

l 訇 似 数控多线切割机床高精度罗拉轴的关键技术研究 Key t echn oI ogi e s of hi gh pr eci si on r ol l er sh af t f or CNC M ul t i W EDM 金建华，林海波 J I I q J i a n h u a ． L I N Ha i b o 台州职业技术学院 机电工程学院，台州 3 1 8 0 0 0 摘要为了实现石英晶体等非金属脆硬材料的高精度多线切割的目的，对高精度数控多线切割机床罗 拉轴系统关键设计技术和装配工艺进行研究，本文设计了一种高精度多线切割机的罗拉轴系 统的结构、温控、防砂系统，以及装配工艺，并对其主轴的温控、防砂和装配性能进行实验 研究，获得了基本性能指标，对进一步研究脆硬材料切割加工技术具有重要的指导意义。 关键词多线切割机；罗拉轴；温控；防砂；装配工艺 中图分类号T H 1 2 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 2 上 一0 0 8 7 0 5 Doi 1 0． 3 9 6 9 } ／ J ． i s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 2 ． 2 i- ． 3 1 0 引言 多线切割机是用于切割石英 晶体 、硅 晶体 、 陶瓷 、稀土磁性材料等脆硬材料 的高性能 、高精 度 加工设 备 。各 种 晶片 的切割 精度 要求 精确 到 微 米 ，因为 晶片 的表 面缺 陷 、切 角、尺 寸 、表 面粗 糙 度等对 器 件 的性能 起着 决定性 的 作用 。 例 如石英 晶 片在切 割 后要达 到 的厚 度尺寸 一般 为0 ． 1 2 mm～0 ． 2] T i m， 其片 片之 间厚 薄误 差要 求 1 O m，单片 晶片的形位精度要 求包括弯 曲度 ≤6 H m，平行度 6 m等。 多线切割机 要保证切 出的晶片的精度达到 以 上 要求，其 罗拉主轴 系统的设计和制造技术是关 键 ，主要体现 在 1 罗拉 轴组件上 的超高分子 聚乙烯 罗拉 的线槽槽距尺寸精 度确定了钢线的线 间距，从而影 响被切割晶片的厚度尺寸；2 罗拉 轴组件的制造 和装配精度 ，尤其是罗拉轴组件 的 轴向窜动和径 向跳动 ，影响到罗拉轴运动的平稳 性 ，因罗拉轴 的窜动和跳动会直接影响晶片的厚 度尺寸和表面质量 ；3 罗拉轴系统在长时间的切 割过程 中因热胀冷缩而发生轴 向位移变动 ，直接 影响 了切割片的厚度和形状精度 。因此 ，需要实 时控制罗拉轴和切 割区的温升 ，保持恒温状态 。 因此 ，罗拉轴系统 的设计和制造工艺是多线切割 机床研发的技术关键 。如 图l 所示，为一种三轴结 构的多线切割机床罗拉轴的实物图。 本文研 究的是一种用于脆硬性材料切割加工 的高精度数控 多线切割机 。在研制过程 中针对 罗 拉轴 的设计和工艺技术问题进行了系统 的试验研 图1多线切割机 罗拉轴 系统 究 ，尤其是对罗拉轴结构 、罗拉轴温控 系统 、罗 拉轴润滑冷却 系统 、轴承防砂系统、罗拉轴装配 工艺等关键技术的研究中取得较好效果。 1 罗拉主轴的结构设计 高速旋 转罗拉 轴的运动精度 ，将直接影响晶 片的切割加工质量。罗拉轴径向跳动和 轴 向窜动 误 差会 直接 影 响到 晶 片的 切割 质 量 ，包括厚度尺寸、表面粗糙度 、切割面平面度 等。此外 ，除要保证主动和被动 罗拉的轴线平行 外 ，还要保证轴向位置一致 ，从而使每圈钢 线形 成 的切割面与工作台面及 晶体材料保持准确 的垂 直度 。因此 ，在罗拉轴结构设计时要着重考虑 以 下 四点 ，如 图2 所 示 。 1 罗拉轴工艺 系统的刚性必需足够。系统要 承受几百根张力大于2 0 N钢线的抱紧和大面积切割 力的作用，因此，在设计时要考虑主轴 、轴承 、 罗拉 架等相关零部件的承载能力，不能 由于在张 力和切割力的作用下 ，使罗拉轴工艺系统产生微小 收稿日期2 0 1 1 - 0 9 2 2 作者简介金建华 ] 9 6 4一，男，浙江永嘉人，高级工程师，研究方向为机械设计及制造等。 第3 4 卷第2 期2 0 1 2 0 2 上 【 8 7 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 訇 化 1 一 前轴承套；2 一 前轴承 ；3 一 前轴承压盖；4 一 前 防砂套 ；5 一 罗拉芯 轴 ；6 一 罗拉 ；7拉紧螺栓 ；8 一 后防砂 套；9 一 中轴承压盖；l 0 一 后轴 承 座1 1 - 后轴承 ；1 2 一 后轴承压盖；1 3 一 后油封 ； 1 4 - 后支撑板 ； 1 5 一 机 架面板 ；1 6 罗拉架 1 7 一 前油封；l 8 一 主轴 图2 罗拉 轴结构图 变形 ，影响切 割精度 ，以等边三角形布置 的罗拉 轴为例 ，罗拉 在张力作用下 不考虑切割力的 受力情况，如图3 所乖。 图3 滚柱 受 力分 析 图 假定滚柱两边 的单根钢丝 的张力F F ，则其 合力为F 2 F 】 C O S 3 0 0 ， P F 4 3 F 1 滚柱所受总的压力 F 总 N X√ 3 F ，其 中， N滚柱上钢丝匝数。 如果 是 两轴 布置 结 构 ，则 滚柱 所受 总 的压 力 F 总 N2 F 1 。 2 主轴轴承的选用。主轴轴承的精度选用P 4 级 以上 ，后轴承 1 1 的选 用两对角接触轴承，并考 虑轴向间隙的可调性 ，在装配时要控制轴向窜动 不超过0 ． 0 0 5 mm；前轴承2 选用承载能力强 、方便 拆卸的滚柱轴承或角接触向心球轴承。 3 由于罗拉6 在使用过程 中会磨损需要定期 更换 ，要考虑拆装的方便性 。本设备改变国内外 一 般采用的整体主轴结构或分体式主轴结构 ，前 者刚性好，同轴度易保证 ，但更换罗拉不方便 ， 后者则相反 。本设计综合采用混合式结构，三点 式支承，主轴与罗拉芯轴采用锥度配接，前端轴 承直接安装在罗拉芯轴上 ，实现了拆装的方便性 [ 8 8 1 第3 4 卷第2 期2 0 1 2 0 2 上 和装配的可靠性。 4 罗拉1 1 与主轴1 0 的同轴度要求 。要保证装 配后的同轴度不超过0 ． 0 0 5 mm，单靠零件的加工精 度难 以保证 ，必须在结构设计上考虑装配时的可 调功能。 2 温控系统设计 为 了保证晶片的切 割质量 ，在 多线切割过程 中，必须保证罗拉轴 的轴 向位置的稳定，防止由 于 罗拉轴 在运 行过 程 中温升 变化导 致 轴 的伸长 或缩短 ，使钢线位置在切割过程 中发生改变 ，导 致晶片厚薄 不均 匀，切痕加深，表面粗糙度差等 质 量 缺 陷 。为 此 ，专 门配 置 了 制 冷 系统 辅 助 工 作 站 ，对切削砂液 、主轴轴承润 滑油系统 、压缩空 气系统进行集中制冷控制，保证油温恒 定在2 0 0 C 左右 。在切 割过程 中，经过冷却的切 削砂液喷洒 到工件和切 割线上 ，降低切削区温度，减小锯丝 的磨损 ，同时防止 罗拉及主轴受热膨胀导致 罗拉 线槽间距发生变化 ，产生切割误差；循环冷却 的 主轴轴承润滑油保证主轴 内部温升 的恒定 ，防止 主轴受热膨胀产生轴向移动。 本机采用水 、油、气一体式 结构设计 ，主要 由制冷系统 、水路 系统 、油路系统 、气体 系统和 电控 系统组 成 。如 图4 所 示 。其 中制冷 系统包括 制冷压缩机 、冷凝器 、铜盘管蒸发器 、干燥过滤 器、毛细管等主要部件 。压缩机将蒸发器 内输 出 的气态制冷剂压缩成高温高压状 态送至冷凝器 ， 这时 外部的室温空气通过风机快 速流经冷凝器表 面并带走热量 ，冷凝器 内的高温 高压气 态制冷剂 冷却 为 中压 中温 的液 态 ，液 态制 冷剂通 过 毛细 管 ，节流后降压 、降温成为易于蒸发的低温低压 气液两相制冷剂返 回到蒸发器内，蒸 发器 中的制 冷剂 在吸 收水 的热 量后 蒸发 为气 态再 回到 压缩 机 ，形成一个制冷循环 。油路系统和冷气 系统通 过换热器与制冷系统制取的冷水进行换热 。 油路系统的换 热器 采用铜盘 管换热器 ，并 内 置于机组的制冷水箱 中，与水箱中的低温水进行 换热 。冷却 后的油通过油泵送到主轴，对主轴轴 承及主轴进行直接的循环冷却 。采用温控器 ，实 时显示和设定系统的工作状 况与出口温度 。 本 系 统采用三个温控器分别单独控制水 系统 、油 系统 和冷气系统 。水箱 中的低温水通过对 油砂箱 内的 油砂液进行换热，将油砂液冷却至规定的温度。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 生 II3 似 图4水油气一体化冷却 系统图 3 轴承的润滑和主轴温升控制 由于 罗拉往 复高速运转 ，轴承 、油封 、皮带 等处 的摩擦 ，以及主电机的热传递 ，使主轴在运 行 中温升提高 ，产生轴向位移 。为 了保持主轴的 温度恒定，必须对主轴的温升进行控制。 国外 同类设备一般采用冷气直接对轴承进行 冷却 ，或采用在轴承座上设计水隔套进行冷水外 循环冷却，轴承的润滑采 用油脂润滑 ，装配时一 次性加入 。如图5 所示，经过冷却的压缩空气经罗 拉架进入轴 承座2 ，其 中一 路进入主轴 1 和轴承 3 形成的空腔内，对主轴和轴承进行冷却，然后经 过主轴 内部通道从主轴1 与轴承座2 配合间隙处排 出， 日本进 口的设备为弥补冷却 不足，在轴承压 盖4 后端部加 水冷隔层装置 对主动轴 在轴伸 出 处加装水冷套 ，最近进 口的部分型 号设备是把 轴承座设计成水隔套 ，冷水通过对轴承座 的循环 冷却 间接冷却主轴。采用冷气直接冷却或 间接水 冷却 ，及油脂润滑方式存在较 多缺点 一是对主 轴温度控制不能达到恒 定要求 ，温升变化较大； 二是压缩空气容易将轴承润滑油脂吹 向一端 ，影 响润滑效果 ；三是压缩 空气 易将水汽带入轴承内 部 ，使轴承和主轴生锈 ；四是加油脂 比较麻烦， 1 一 主 轴；2 一 轴承座 ；3 一 轴承；4 一 轴承压盖 ；5 一 进出水盖 图5冷气冷却脂润滑结构 经过认 真 的对 比试验 ，采用 了如 图6 所示 的 直接 油冷却润滑方 式 。如 图2 所示 ，油箱 内经过 冷却 后的主轴润 滑油经油泵输 送至主轴 如 图6 所示，油的压力约0 ． 3 Mp a，从后轴承压盖处进 入轴承 内腔 ，经过循环 ，从后轴承压盖处 出油 回 到油箱，经不断循环冷却 ，使主轴的温度保持在 2 0 ℃左右 ，相当于设备使用要求的环境温度 ，使 主轴基本上不产生轴向伸缩变化。 图6直接油冷却润滑结构 图7 、图8 9 别为无冷却状态下运行试验时主 轴温升变化 曲线和主轴 在直接油循环冷却状 态下 运行试验时的主轴表面温度测量数据 曲线。试验 环境为2 0 ℃，油温1 6 ℃，采用红外测温仪在主轴 前后A、B两处 测量 如 图6 所示 。从 试验数据 看 ，后端B 处的温度 比前端A处相对高，无冷却措 施时 ，B处的温升 明显 ，达到3 0 ℃左右 ，主要原 因是主轴后端比前端 多一个油封 ，并且有一个带 轮 ，产生的摩擦热 比前端 多。采取直接油冷却润 滑措施后主轴在运行 中轴表温度基 本保持稳定 ， 并且用千分 表测量主轴前端的轴伸变化 ，主轴温 升达到稳定后运行1 小时，轴伸的变化在0 ． 0 0 5 mm 范围内。 p ～ 赠 暴 州 _一 l 一一 ～一- ／ ， 一 ／，一 ／，⋯ _／／ 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 40 4 5 5 O 55 6 O 图7无冷却状态主轴温升曲线 。 ⋯ 7～ 一 ／ ＼ 一 ／ ／。 ’ ＼ 一 ／ ’ ＼／ 一 ’ 围 0 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 60 图8直接油冷润滑主轴表面温度曲线 第3 4 卷第2 期2 0 1 2 - 0 2 上 [ 8 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 匐 化 4 罗拉轴及切割区的油砂喷淋系统 罗拉 的线槽宽度 的尺寸是确定 了丽根切割钢 丝的线距 ，其尺寸精度是保 证切割 片厚度 以及片 与片之间厚薄差的关键 ，晶片厚度形成过程如图9 所示 。罗拉的线槽 由高精度的数控车床高速切 割 加工和磨削而成，其槽距误差应控制在 0 ． 0 0 2 范 围内。 图9切割过程示意图 片厚与线距的关系如下 b w一6，而 6 d 2￡ 其 中 b 片厚，mm W 线距 ，I I l I I 1 6 线缝宽度，mm d 钢丝直径，l n l Y l e 单边切割缝隙，mm 钢丝直径d 一般 为0 ． 1 2 - 0 ． 2 0 mm，切割缝隙 ￡ 是跟切割工艺相关 的参数 ，主要与被切割材料性 质 、切割液中的金 刚砂 的粒度 、砂粒的磨损程 度 等有关，要通过试验确定 。如切 割水晶片，金刚 砂的粒度为1 0 0 0目，钢丝直径为0 ． 1 6 mm，切割缝 隙 ￡ 约为0 ． 0 1 8 - 0 ． 0 2 1 mm 左右 。 在切割过程 中，钢 丝与滚柱之 间会产生摩擦 热，使滚柱 发热产生热胀冷缩，滚 柱线槽槽距在 切割 过程 中会 发生 变化 ，影 响切 割片 的厚 度精 度。所 以，多线切割机工作时要不 断向切割 区喷 淋冷却 后 的油 砂液 ，除 不断 提供 砂液 参与切 割 外 ，还有润滑和冷却滚柱的作 用，保证滚柱在切 割过程 中温度保持恒定 。油砂的冷却是通过与冷 水机组冷水箱 中冷水的热交换得到 ，并通过调整 冷水流量控制油砂的温度。 5 轴承防砂设计 由于罗拉轴在切割过程中连续受到油砂的喷 [ g O l 第3 4 卷第2 期2 0 1 2 - 0 2 上 淋 ，如果高硬 度的微细金刚砂进入轴承内部 ，轴 承则很快磨损 。防止砂液进入轴承内部是 罗拉轴 结构设计的关键技术之一 。如果采用一般 的动 密 封装置进行密封 ，不但会产生大量的摩擦热 ，最 大的缺点是在金刚砂的研磨下，密封处会很快磨 损。 目前 ，我们采用 了迷宫密封 和气压密封相结 合的密封方式取得 了很好的效果。如图2 所示，压 缩空气从后轴承压 盖1 2 d z 进入主轴 1 8 内部 ，分别 在前轴承压盖3 与前防砂套4 、中轴承压盖9 与后防 砂套之 间的缝隙 内形成正压，经过 多重迷宫 ，压 缩空气从迷宫配合缝隙中连续吹 出，阻止砂液进 入。采 用这种密封结构的多线切割设备已经过四 年 多的实际运行考验，至今未发生油砂进入轴承 的质量事故 。 6 主轴部件装配 主轴部件的装配分成两个阶段 ，即主轴部 件 的组装和主轴部件与罗拉支架的装配 。 1 主轴部件的组装 主轴部件组装要保证的 精度是主轴 的轴向游 隙，一般 为0 ． 0 0 5 - 0 ． O l mm左 右 ，轴 向游隙的大小要根据 晶片的精度要求和温 升而定 ，太小 了使轴承在运行 中咬死 ，太大了对 晶片的切割质量有影 响。采用选配和修配相结合 的装配方法保证 。一般轴承采用配对选用 ，轴套 根据主轴的轴肩实际尺寸修配 ，并选择其 中一 个 轴承压盖作为修配环通过配磨保证装配精度。 2 主 轴部件与 罗拉 支架 的装配 如 图1 0 所 示 ，将组装好 的主 轴组件安装到 罗拉架 l 上 ，装 配精度要求有两 点，一 是主从动罗拉的轴向位 置 精度 ，要使主从 动罗拉在轴 向的相对位置保持 一 致 ，一般要求 0 ． 0 5 mm，从而保证钢丝与罗拉 轴 线保持垂直；二是主轴与前轴承套安装孔的同轴 度 ，要求 0 ． O 0 5 mm，保证主轴轴线 与罗拉架 l 前 端前轴承套安装孔在同一轴线上。 要保证 罗拉的轴 向位置精度，必须在磨削主 轴与罗拉芯轴配合锥 面时严格控制配合后的轴向 相对位置 ，并在装配 时通过对后轴承座轴向位置 的调整予以最终控制 。同轴度的保证是通过 后轴 承座安装台阶面上 的调整螺钉的调整或 安装平面 的铲刮实现 ，通过安装在主轴上的表杆3 、百分表 2 测量罗拉架前轴承套安装孔的跳动。 7 实际验证效果 设 备经浙江某机 电产品质量检 测所检验 ，主 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 一 罗拉支架 ；2一 百分表 ；3 一 表杆 ；4 一 主轴 ；5 ． 后轴承座 图1 0主轴组件装配示意图 要技术参数如表l 所示。 表1 S J Q2 8 0 多线切割机检验数据表 序号 技术指标项 目 企标要求 检测结果 1 罗拉平行度 0 ． 0 2 mm 0 ． 0 2 mm 2 罗拉轴向跳动 0 ． o o 5 ram 0 ． 0 0 3 ram 3 罗拉径向跳动 O ． 0 l mm 0 ． 0 0 5 mm 3 0 0～ 4 0 0～ 4 钢线行线速度 4 0 0 m， ／ mi n 6 0 0 m／ rai n 5 最小厚度 0 ． 1 2 ram 0 ． 1 2 ram ≤ 6 厚度误差 士0 ． 0 0 4 ram 0． 01 0 ram 表2 为广东某电子科技有限公司使用本设备切 割 的晶片产 品的部分检验记录数据 ，图1 1 为 晶片 厚度分布柱状 图。 表2晶片检验记录 机台号 1 O 第 3 9板 时间 2 0 1 0 6 3 0 品种 2 4 - 2 7 第三层 罗拉槽距 0 ． 3 7 mm 钢丝 0 ． 1 6 ram 材料规格 8 ． 82 1 ． 8 ram 晶片厚度测量数据 1 1 6 3 1 6 6 1 6 7 l 6 5 1 6 7 1 6 5 1 6 7 1 6 6 1 6 6 l 6 8 l 6 4 l 6 6 1 6 8 1 6 7 1 6 8 l 6 8 l 6 5 1 6 4 1 6 7 1 6 5 1 6 3 1 6 7 l 6 3 l 6 4 1 6 5 1 6 7 l 6 6 1 6 6 1 6 4 l 6 5 1 6 8 1 6 3 l 6 5 l 6 6 l 6 3 1 65 1 6 7 1 65 1 6 6 1 6 5 1 6 6 1 6 5 1 66 1 6 5 1 65 l 6 4 l 6 4 1 6 6 1 6 3 1 6 5 l 6 6 l 6 4 l 6 6 1 6 5 表3晶片平行度测量数据 1a m 0 3 1 1 0 0 0 0 0 0 1 3 0 1 l 0 0 0 2 0 1 3 1 1 4 2 2 1 0 l 1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 3 4 2 0 3 2 0 1 1 0 2 1 2 2 1 2 5 3 2 0 4 l 5 2 3 3 1 0 0 0 0 1 0 3 3 1 2 4 0 1 2 2 0 2 l 1 1 l 1 0 l 1 O 2 2 1 3 1 5 4 5 4 4 5 6 4 5 5 3 5 5 4 4 2 4 3 1 5 0 1 2 1 0 1 2 l 5 2 O 2 1 2 0 2 l 1 0 1 整层厚度 MAX 1 6 8 中心厚度 1 6 5 整层厚度 MI N 1 6 3 整层厚度散差 5 整层平行度 MAX 5 8 结论 数控 多线切割机床 的关键技术之一是罗拉轴 系统 的设计和制造工艺 ，关系到 晶片的切割质量 和设备运行可靠性，以及设备寿命 。本研究采用 了混合式结构 、一体式冷却 系统设计 、主轴直接 油润滑冷却方式、切割区直接冷油砂喷淋、选配 和修配相结合的装配 方法等技术 ，使多线切割机 床的切割精度得 到控制 ，设备的使用可靠性得到 保证 。 参考文献 [ 1 1靳永吉． D x Q 一 6 0 1 型多线切割机关键技术研究[ J 】 ． 电子 工业专用设备． 2 0 0 8 ， 8 ． [ 2 】王琮． 半导体材料加工设备的新秀一 多线切割机[ J ] ． 电子工 业专用设备． 2 0 0 4 ， 8 ． [ 3 】张义 兵， 戴瑜兴， 袁 巨龙 ， 等． 多线切 割机 线张 力控 制系统 设计实现【 J 】 _ 机械工程学报． 2 0 0 9 ， 5 ． 【 4 】靳永吉． 线锯切割失效机理 的研究[ J 1 ． 电子工业专用设 备． 2 0 0 6 ， 2 4 ． [ 5 】高伟， 刘镇昌， 王霖， 等． 硬脆材料的线锯切割加工技术【 J 】 ． 工具技术． 2 0 0 1 ， 1 1 ． 【 6 】金建华， 林海 波， 蔡文辉． 高精度石英 晶体 多线切割机的研 制【 J 】 ． 组合机床与自动化加工技术． 2 0 1 0 ， 8 ． 【 7 】H u a n g H， Z h a n g H，Z h o u L ， e t a 1 ． U l t r a s o n i c v i b r a t i o n ass i s t e d e l ec t r o- di S C ha r ge IT I ac hi ni ng Of m i c r ohOl e s i n Ni t i n o l [ J 】 ． J o u r n a l o f M i c r o me c h a n i C S a n d M i c r o e n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 1 3 6 9 3 7 0 0 ． 第3 4 卷第2 期2 0 1 2 0 2 上 【 9 1 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m