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畢業(yè)設(shè)計(論文)
題 目：
金剛石線鋸切割機設(shè)計
學(xué)生姓名
學(xué) 號
專業(yè)班級
分院（系）
指導(dǎo)教師（職稱）
2013年 4 月
金剛石線鋸切割機設(shè)計
【摘要】 本文對金剛石線鋸切割機進行了深入的研究。在理論上探討了單晶硅各異性材料特性對電鍍金剛石線鋸切割硅晶片過程影響。分析了鋸絲沿不同的晶面、晶向鋸切對晶片的影響規(guī)律，并推薦了首選的鋸絲切入方向。研究發(fā)現(xiàn)，在確定的工藝參數(shù)下，當(dāng)鋸絲切入方向使鋸切兩邊材料的彈性模量分布關(guān)于鋸絲切入方向呈對稱性時，可有效地提高晶片面形質(zhì)量。鋸絲切入方向與被鋸切晶面內(nèi)的易開裂方向一致時，可有減少晶片表面破碎。
本課題主要對切割機導(dǎo)軌平臺、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過搜集相關(guān)文獻資料，了解本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，確定設(shè)計研究方案；完成金剛石線鋸切割機滾珠絲杠、螺母、步進電動機、螺母等相關(guān)零部件及裝配圖的設(shè)計；完成相關(guān)零部件設(shè)計說明書及其圖紙。
【關(guān)鍵詞】 金剛石；線鋸切割機；導(dǎo)軌平臺
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 英文摘要
Design of Diamond Wire Cutting Machine
【Abstract】 In this paper, diamond wire saw cutting machine has conducted in-depth research. In theory of monocrystalline silicon anisotropic material properties of electroplated diamond wire saw cutting silicon wafer process affect. Wire sawing along the crystal surface, crystal and recommend a preferred saw Siqie into the direction of the influence of sawing the wafer. The study found that, when the saw wire into the direction of the cutting material on both sides of the elastic modulus distribution symmetrical saw cut wire into the direction, which can effectively improve the quality of the wafer surface shape to determine the process parameters. The saw wire into the sawing crystal surface easy to crack the same direction, the direction, may have to reduce the wafer surface broken.
The main subject of the cutter rail platform, work holding, reel and cutting thread tension adjusting device structure design. Through the collection of relevant literature, research trends about this topic, and to determine the design of research programs; completion of the diamond wire saw cutting machine ball screws, nuts, stepper motors, nuts and other related parts and assembly drawings of design; complete the relevant parts design specification and its drawings.
【Key Words】 Diamond；Wire Saw Cutting Machine；Rail Platform
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄
目 錄
1 緒 論 1
1.1 概述 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 金剛石線鋸切割機的簡介 4
2 金剛石線鋸切割機的設(shè)計方案 5
2.1 有關(guān)首選參數(shù) 5
2.2 切割機特點 6
2.3 金剛石線鋸切割機設(shè)計方案 6
2.3.1 原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.3.2 傳動系統(tǒng)和工作臺的設(shè)計 7
2.3.3 張力調(diào)整裝置設(shè)計 8
3 金剛石線鋸切割機傳動設(shè)計 10
3.1 滾珠絲桿的選擇與計算 10
3.1.1 滾珠絲桿的定義 10
3.1.2 滾珠絲桿副間隙調(diào)整法 11
3.1.3 滾珠絲桿的循環(huán)方式 13
3.1.4 滾珠絲桿的計算 14
3.1.5 滾珠絲桿安裝方式 17
3.2步進電動機的選擇 18
3.3張緊輪設(shè)計 21
3.4繞線輪的設(shè)計 25
3.5二維夾具的設(shè)計 27
結(jié) 論 28
參考文獻 29
致 謝 30
1 緒 論
1.1 概述
脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學(xué)及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導(dǎo)體、光伏材料技術(shù)的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設(shè)備受到越來越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線鋸切割機是近十幾年來獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設(shè)備，包括使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類。根據(jù)鋸絲的運動方式和機床結(jié)構(gòu)，也可分為往復(fù)式和單向線鋸。金剛石線鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個微米，同時具備線鋸切割的特點，能夠?qū)τ泊嗖牧线M行精密、窄鋸縫切割，且可實現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無可比擬的優(yōu)點：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高等[2]。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
用金剛石線鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mesh于20世紀70年代提出W.Ebner進行了早期線鋸加工實驗,由一個主動輪鼓和一個從動滑輪組成往復(fù)式多線鋸的往復(fù)式試驗機床，金剛石鋸的兩端繞過滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機驅(qū)動輪鼓帶動鋸絲往復(fù)運動。W.Ebner用之進行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線鋸進行了硅切片實驗，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人則對金剛石線鋸的切害特性進行初步實驗研究[3]。
20世紀90年代，尤其是近幾年來，金剛石線鋸得到了快速發(fā)展，對其研究也更為深入。Li等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動磨粒沿切削表面滾動，同時壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點研究了磨粒嵌入工件時的應(yīng)力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對磨料的選擇進行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動一嵌入”模型中，磨粒的運動除滾動和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat等人則在這個模型中考慮了磨漿的作用并認為，在鋸絲帶動游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運動構(gòu)成了一個彈性流體動力學(xué)環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動力學(xué)模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動產(chǎn)生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對薄片切割過程中鋸絲的振動模型和熱應(yīng)力進行了分析，提出一個反饋控制算法，根據(jù)在線測得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對切割過程進行控制，最后提出了一種分析、改進鋸切工藝的方法。Wei等人對單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進行切割實驗，建立了一個軸向運動的鋸絲振動模型，通過振動仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應(yīng)和磨漿阻尼對鋸絲振動幅度的影響并認為，鋸絲振動受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對切片表面質(zhì)量進行了高精度測量[5]。
在得到廣泛應(yīng)用的游離磨料線切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無疑對切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開發(fā)了一種適合切割大截面硅片時使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過濾機對被微細硅切屑所污染的磨漿進行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對油基磨漿的凈化和回收進行了研究并認為，鋸絲中的鐵質(zhì)粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導(dǎo)磁體分離器先進行被磁化磨粒的分離，再進行硅粉末的分離，實現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。
國外線切割設(shè)備生產(chǎn)廠家主要有日本TAKATORI公司，不二越機械工業(yè)株式會社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產(chǎn)品技術(shù)角度劃分，瑞士的兩家公司生產(chǎn)的線切割機水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來，專攻線切割機技術(shù)，如今已成為業(yè)界的技術(shù)帶頭人。
TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導(dǎo)體材料的切割。該公司其他一些線切割設(shè)備主要用于截面尺寸較小的磁性材料、光電材料的切割。以上三種線切割機產(chǎn)品都屬于三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動形式，MWS-610SD采用材料向下運動的切割方式。這兩種線切割機線絲存線長度不超過150KM。不二越機械工業(yè)株式會社線切割機主要有FSW-150型。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動形式，可切150×150方形材料（主要針對太陽能光電硅材料切割）存線長度不超過150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線切割機MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動形式，存線長度達400KM。瑞士M&B公司在原DS260線切割機基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機型。其中DS262機型是專為太陽能級硅片切割設(shè)計的，該機型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動切割過程中能切出圓片4400片。BS800機型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備。
M&B公司線切割機主要用于200mm硅圓片和太陽能級硅片的切割加工，四軸導(dǎo)輪驅(qū)動形式，大大增強了工作臺的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線切割機主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機型主要用于太陽能級硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導(dǎo)體圓片加工生產(chǎn)，E500ED-8為200mm設(shè)備，E400E-12為300mm設(shè)備。HCT公司與M&B線切割機設(shè)備主要以四軸導(dǎo)輪驅(qū)動形式設(shè)計，這樣可以增大工作臺的面積，增大切割能力[7]。
我國半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開發(fā)的DXQ601型多線切割機，具有手動、自動功能模式。界面直接顯示線速、張力、被切材料的切割位置和進給速度、砂漿流量。其操作簡潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準確，保證切片精度。采用主軸電機變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機閉環(huán)控制。
樊瑞新和盧煥明對比線鋸切割硅片和內(nèi)圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出，線切割硅片表面粗糙度大，外表面損傷大，但損傷層的厚度要小于常規(guī)內(nèi)圓鋸切割硅片，并討論了影響線切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺往復(fù)式金剛石線鋸機床。孫建章等人設(shè)計了一臺往復(fù)自旋式電鍍金剛石線鋸數(shù)控切割機，以氣缸為驅(qū)動裝置，步進電機控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺上實現(xiàn)對非金屬硬脆材料的切割及曲線加工。高偉對固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線鋸的鋸絲制造進行了研究，進行了花崗巖的切割實驗，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。
國內(nèi)最早從事太陽能多線切割機開發(fā)的是上海日進。上海日進引進日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺多線切割樣機，樣機類似NTC MWM442D。樣機在日進內(nèi)部切割試驗結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶實際試用的時候，還是遇到了很多的問題，如成品率低、斷線率高、設(shè)備的控制精度比國外進口設(shè)備要差。
湖南宇晶在2006年左右開始研制多線切割機，主要針對水晶切割市場。經(jīng)過幾年的實驗和改進后，目前在國內(nèi)也已經(jīng)銷售出了幾十臺多線切割機，取得了長足的進步。但是該公司還沒有開發(fā)出適應(yīng)太陽能硅片切割的多線切割機。
陜西漢江機床公司展出的4620型數(shù)控多線切割機。該機經(jīng)過多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長度820mm，最大存線量800km。其解決了高精度排線導(dǎo)輪的多輥同步驅(qū)動技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線導(dǎo)輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)。
中國電子科技集團承擔(dān)的國家重大科技項目300mm多線切割機研制成功，打破了國內(nèi)生產(chǎn)線上運行的12英寸多線切割機全部為進口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機將完成商業(yè)機型的生產(chǎn)工藝驗收。國產(chǎn)切割機無論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標(biāo)各方面，與國外機相比，已縮小了差距，并接近國外水平[8]。
1.3 金剛石線鋸切割機的簡介
金剛石線鋸切割機，又稱金剛石砂線切割機床，金剛石線鋸切割機床，金剛石線鋸機，砂線切割機床，數(shù)控砂線機床，數(shù)控金剛石砂線機等。當(dāng)加工的材料不導(dǎo)電而需要采用線切割的加工方式時，電火花線切割機床失去效果，為此數(shù)控金剛石砂線切割機床便開始顯現(xiàn)其加工優(yōu)勢，該機床對導(dǎo)電和不導(dǎo)電材料只要硬度比砂線小均可加工。目前，Diamond Wire Technology部公司生產(chǎn)的金剛石線鋸最大已能切割直徑45Omm的硅錠。MEY-ERBURGER公司生產(chǎn)的DS262型線鋸能同時切割4根長520mm、截面為153mmx153mm或直徑為6mm的硅棒，一次切4400片。HCL公司的ESOOED一8型線鋸則可同時對6根長500mm、直徑3mm的硅棒進行切割，一次切出6000片。
對用電火花線切割機床難加工的石墨材料，采用金剛石砂線切割機床尤能顯示其無比的優(yōu)越性；金剛石線切割機床用于切割各種金屬非金屬復(fù)合材料、玻璃、巖石材料、寶石、單晶硅、碳化硅、多晶硅、耐火磚、陶瓷、環(huán)氧板、鐵氧體等，特別適用于切割高價值易破碎裂的各種脆性不同硬度晶體。金剛石線鋸多采用多線往復(fù)式結(jié)構(gòu)，為滿足大截面切片和提高產(chǎn)量的需求，導(dǎo)輪間距、導(dǎo)輪槽數(shù)和鋸絲長度不斷增大，提高了大尺寸硅錠的多件、多片同時切割能力。
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論
2 金剛石線鋸切割機的設(shè)計方案
本文研究的畢業(yè)設(shè)計所做的課題為金剛石線鋸切割機設(shè)計，要求設(shè)計金剛石線鋸切割機整體結(jié)構(gòu)和各個部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對其機床結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。金剛石線鋸切割機的原理分析；金剛石線鋸切割機床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
傳動系統(tǒng)和工作臺的設(shè)計；張力調(diào)整裝置設(shè)計。產(chǎn)品如圖1所示：
圖1：金剛石線鋸切割機產(chǎn)品圖
2.1 有關(guān)首選參數(shù)
使用地點：金剛石線鋸切割機裝置；
初步確定的參數(shù)：
最大切割直徑：150mm
切割微線直徑：20--100m
切割微線速度：0--3m/s
X軸移動平臺行程：120mm
Y軸移動平臺行程：100mm
氣動張力調(diào)整：0--0.6Mpa
2.2 切割機特點
金剛石線鋸切割機對金屬及非金屬貴重或超硬材料的精密切割。特別是對人工晶體，陶瓷以及半導(dǎo)體材料的精密切割。
（1）臺式小型化，最大切割直徑150毫米；
（2）X軸移動平臺由雙直線導(dǎo)軌支撐，精密絲杠/步進電機驅(qū)動，PLC控制，進給速度可無級調(diào)整在0.02微米～ 100毫米/分之間，以及切割數(shù)據(jù)管理
（3）Y軸移動平臺由雙直線導(dǎo)軌支撐、精密絲杠/步進電機驅(qū)動，PLC控制，可精確控制切割厚度的調(diào)整。Y軸移動平臺上裝有二維旋轉(zhuǎn)(水平方向360°垂直方向±15°)夾具，該夾具上安裝了由電機驅(qū)動、無級調(diào)速的可旋轉(zhuǎn)的卡料機械手，旋轉(zhuǎn)速度在0～36轉(zhuǎn)/分之間，可實現(xiàn)金剛石線與料的點接觸切割。這樣，切割阻力不隨切割深度變化而變化，使切割面形一致而實現(xiàn)被切材料的平整度、平行度能夠達到切片的技術(shù)指標(biāo)，并可替代粗磨工序。以切割白寶石（4英寸）為例，面形平面度在0.01毫米以下，效率比面接觸切割可提高一倍。旋轉(zhuǎn)點接觸切割，經(jīng)查新目前世界上還尚未發(fā)現(xiàn)有此類產(chǎn)品，實屬世界第一臺。
（4）PLC程序?qū)η懈钸M給速度、切割總長度、切割時間等進行數(shù)據(jù)調(diào)控管理；
（5）金剛石切割微線張緊采用雙回路可調(diào)氣壓裝置；
（6）金剛石切割微線纏繞系統(tǒng)采用精密絲杠推動的往復(fù)移動平臺做往復(fù)運動，并由脈寬調(diào)制電路控制的直流電機做驅(qū)動，使得滾筒運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無爬行；
（7）機身采用連體鑄造結(jié)構(gòu)，確保各部件的裝配精度；
（8）裝有泵輸送冷卻液循環(huán)裝置；
（9）金剛石切割微線可分段使用；
（10）PLC可編寫程序設(shè)置X、Y軸聯(lián)動（即所要材料的切割厚度相同，并且連續(xù)切割，切割完畢后回到原點）。
2.3 金剛石線鋸切割機設(shè)計方案
研究的畢業(yè)設(shè)計所做的課題為金剛石線鋸切割機設(shè)計，要求設(shè)計金剛石線鋸切割機整體結(jié)構(gòu)和各個部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對其機床結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。對金剛石線鋸切割機的原理分析；金剛石線鋸切割機床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；
傳動系統(tǒng)和工作臺的設(shè)計；張力調(diào)整裝置設(shè)計。機床需完成線鋸的直線往復(fù)運動。工作臺需可沿X方向和Y方向的移動。對切割機導(dǎo)軌平臺、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。實現(xiàn)金剛線與工件精確點接觸切割，使其具有工作平穩(wěn)、噪聲低、切割精度高等優(yōu)點。
2.3.1 原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
把一根細長的鋼絲繩纏繞在排線輪上，鋼絲兩頭分別由放線機構(gòu)與收線機構(gòu)拉緊。在收放線機構(gòu)與排線輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。排線輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鋼絲往復(fù)運動。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動力。切割液由表面活性劑、碳化硅磨料和油基添加劑配制而成。切割時，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線上，切割進給機構(gòu)均勻運動，把硅棒壓向高速往復(fù)運動的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。金剛石線鋸切割機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示：
1—床身；2—X,Y工作臺；3—導(dǎo)向輪；4—金剛石切割微線；5—繞線輪；6—張緊輪；7—滾筒；8—切削液
圖2： 金剛石線鋸切割機的總體結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.2 傳動系統(tǒng)和工作臺的設(shè)計
設(shè)計的切割機床的主傳動系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動，步進電機帶動金剛石線鋸框架沿垂直燕尾形導(dǎo)軌上下滑動，工作臺運動機構(gòu)由固定在機床上的步進電機及滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組成，機床的傳動系統(tǒng)：工件安裝在工作臺上，工作臺沿縱、橫2個坐標(biāo)軸運動，可同時達到平面曲線的任意一點，實現(xiàn)切割運動軌跡的控制。X，Y坐標(biāo)工作臺用來裝夾工件，X軸和Y軸由控制箱發(fā)出進給信號，分別控制兩個步進電機，進行預(yù)定的加工。其主要由滑塊、導(dǎo)軌、絲杠運動副、齒輪傳動機構(gòu)幾部分分組成，如圖3所示：
圖3：金剛石切割機床傳動圖
2.3.3 張力調(diào)整裝置設(shè)計
在加工過程中，線鋸會因為熱伸長和損耗等導(dǎo)致線鋸張力下降。如果線鋸張力不恒定，隨著張力的減小或增大線鋸的理論位置與實際切割時位置(動態(tài)平衡位置)的偏移量不恒定。從而造成加工尺寸誤差、切割表面凸凹不平等。在沒有恒張力機構(gòu)輔助工作時，加工過程中線鋸忽緊忽松，張力隨時發(fā)生變化。因此，在金剛石線切割加工中線鋸的恒張力的控制對加工具有重要的意義。用于線切割機的自動張力調(diào)整裝置，目前從原理上可分為兩種：一種是靠彈簧的作用，以變力緊絲，該裝置包括一組導(dǎo)輪和—個彈簧緊絲裝置；另一種是由重力塊作用，以恒力緊絲。該裝置包括一組導(dǎo)輪和一個重力塊。本設(shè)計研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、靈敏可靠、體積小的張力凋整裝置，如圖4所示。
1—導(dǎo)向套；2—定位架；3—導(dǎo)軌盒；4—彈簧；5—導(dǎo)向壓桿；6—壓輪；7—輔助導(dǎo)向器；8—位置調(diào)整機構(gòu)；9—下導(dǎo)向器
圖4：自動張絲裝置的結(jié)構(gòu)圖
3 金剛石線鋸切割機傳動設(shè)計
金剛石線鋸切割機是圍繞著金剛石線鋸切割機整體結(jié)構(gòu)來進行系統(tǒng)設(shè)計的。主要的重點和難點是機床需完成線鋸的直線往復(fù)運動，工作臺需可沿X方向和Y方向的移動，對切割機導(dǎo)軌平臺、工件夾具、纏繞筒及切割線張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。而且要實現(xiàn)金剛線與工件精確點接觸切割，使其具有工作平穩(wěn)、噪聲低、切割精度高等優(yōu)點。
3.1 滾珠絲桿的選擇與計算
滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動動作變成滾動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。
3.1.1 滾珠絲桿的定義
滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。
3.1.2 滾珠絲桿副間隙調(diào)整法
滾珠絲杠副的軸向間隙是工作時滾珠與滾道面接觸點的彈性變形引起的螺母位移量，它會影響反向傳動精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的消隙方法是雙螺母加預(yù)緊力（在調(diào)整時，應(yīng)注意預(yù)緊力大小要適宜），基本能消除軸向間隙。
（1）雙螺母墊片式調(diào)隙。調(diào)整墊片厚度使兩個螺母產(chǎn)生軸向相對位移，從而消除幾何間隙和軸向間隙，并施加預(yù)緊力。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但調(diào)整不準確。
（2）雙螺母螺紋式調(diào)隙。雙螺母螺紋式調(diào)隙由鎖緊螺母、圓螺母及絲杠組成。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、調(diào)整方便，但不能精確調(diào)整。
（3）雙螺母齒差式調(diào)隙。該調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但工作精確、可靠?？蓪崿F(xiàn)定量調(diào)整，即進行精密微調(diào)，調(diào)整精度高。
3.1.3 滾珠絲桿的循環(huán)方式
滾珠絲杠副按不同的循環(huán)方式分可以分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。如圖1-1為圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對準螺紋滾道方向。外循環(huán)滾珠循環(huán)鏈較長，但軸向排列緊湊，軸向尺寸小，螺母配合外徑較大（C型較?。﹦傂暂^差，但滾珠；流暢性好，靈活、輕便。外循環(huán)的摩擦力矩較大，工藝性較好，制造成本低。
（1）與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
（2）高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
（3）微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。
（4）無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。
（5）高速進給可能
滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。
3.1.4 滾珠絲桿的計算
1計算額定動載荷
表3-1 壽命的選擇
主機類型
Th（h）
一般機床、組合機床
10000
數(shù)控機床、精密機床
15000
工程機床
5000——10000
自動控制系統(tǒng)
15000
測量系統(tǒng)
15000
航空機械
1000——2000
表3-2 滾珠絲杠副載荷、硬度和精度系數(shù)表
載荷系數(shù)
硬度系數(shù)
精度系數(shù)
載荷性質(zhì)
滾道實際硬度HRC
精度等級
≥58
1.0
C、D
1.0
沖擊小、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)
1.0-1.2
55
1.11
E、F
1.1
一般沖擊
1.2-1.5
50
1.56
G
1.25
較大沖擊、振動
1.5-2.5
45
2.4
H
1.43
查表3-1得：Lh’=15000
查表3-2得KA=1.0, KH=1.0,KF=1.2（數(shù)控機床的公差等級取C、D級），代入式得，
根據(jù)額定動載荷選擇滾珠絲杠副的相應(yīng)參數(shù)。依據(jù)Ca≥Ca‘的原則，選擇漢江機床廠C2型滾珠絲杠副，型號是2005-2.5，各種參數(shù)為動載荷Ca=9610N，公稱直徑D0=25mm，導(dǎo)程P=5mm,滾珠直徑db=3.175mm，螺旋角Ψ=3°38′。取螺母調(diào)整預(yù)緊后原螺紋升角的補償值P1=8′40〞計算螺紋滾道半徑R、偏心距e和絲杠內(nèi)徑d1公式分別為
R=0.52db=0.52×3.175=1.651mm
e=(R-db/2)sin45°=（1.651-3.175/2）×0.707=0.045mm
d1= D0+2e-2R=25+2×0.045-2×1.651=21.788mm
X軸絲桿取有效行程長度為120mm，Y軸絲桿取有效行程長度為100mm。
3驗算穩(wěn)定性。臨界載荷
Fcr=
式中E——絲杠材料彈性模量，E=206GPa
Ia——絲杠危險截面的軸慣性矩（m4），Ia=
——長度系數(shù)，=1-2
L——絲杠工作長度（m）
Ia= 3.14×（21.788×10-3m）4/64=11.056×10-9m4
將E=206×109Pa（絲杠材料為鋼）u=1、Ia=11.056×10-9m4、L=0.18m代入臨界載荷計算式，得
Fcr=3.142×206×109Pa×11.056×10-9/（1×0.18）2=693072N
則安全系數(shù)S為
S=Fcr/Fm=693072/1200=577.56
由上式可見，S＞4，所以絲杠工作安全。
驗算剛度。導(dǎo)程的每米變形量△L的計算式為
△L=±F/EA±PT/2GJc
式中 F——工作載荷（N）
E——絲杠材料彈性模量，E=206GPa
A——絲杠截面積（m2）
P——基本導(dǎo)程（m）
T——轉(zhuǎn)矩（N·m），T= FMD0tan(Ψ+ P1)/2
G——絲杠切變模量，G=83.3GPa
Jc——絲杠的極慣性矩（m4），Jc=d1/32
A=d12/4=3.14×(21.788×10-3m)2/4=3.72×10-4m2
T=FMD0tan(Ψ+P1)/2=1200×25×10-3×tan（3°38′+8′40〞）/2=0.78 N·m
Jc=d14/32=3.14×（21.788×10-3m）4/32=22.133×10-9m4
將F=1200N、E=206×109Pa、A=3.72×10-4m2、P=5mm、T=0.78N·m、G=83.3GPa、Jc=22.133×10-9m4代入導(dǎo)程的每米變形量△L的計算式，得
△L=1200N/206×109Pa×3.72×10-4m2+5×10-3×0.78N·m/2×3.14×83.3×109Pa×22.133×10-9m4=1.89×10-5
數(shù)控機床取D級精度，即在任意300mm內(nèi)導(dǎo)程公差為10um，則每米公差為3.33×10-5m，所以剛度驗算合格。
驗算效率。滾珠絲杠副的傳動效率η的計算式為
η=tanΨ/tan(Ψ+ P1)
將Ψ=3°38′， P1=8′40〞式中
Ψ——螺紋升角
P1——補償值
代入上式得η=tan3°38′/tan3°38′+8′40〞=98.4％
一般滾珠絲杠副的傳動效率η＞90％即可。
3.1.5 滾珠絲桿安裝方式
一端固定一端自由：絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低，結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛度較小，適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝。
兩端鉸支：結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛度小，適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝，對絲杠的熱伸長較敏感，適用于中等回轉(zhuǎn)速度。
一端固定一端較支：絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度，結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，軸向剛度大，適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲桿安裝，推力球軸承應(yīng)安裝在離熱源（步進電動機）較遠的一端。
兩端固定，絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)。就夠復(fù)雜。兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力，軸向剛度最大，適用于對剛度和位移精度要求高和較長的滾珠絲杠安裝。
金剛石切割機要求的精度高，因此絲杠的固定方式選擇為兩端固定的方式。如圖5所示的是滾珠絲杠的固定方式。1代表移動平臺，2代表平臺與螺母連接的部分，3代表支撐的軸承，4代表滾珠絲杠，5代表螺母。
圖5：滾珠絲杠的固定方式
3.2步進電動機的選擇
步進電動機是一種將電脈沖信號變?yōu)橄鄳?yīng)的直線位移或角位移的數(shù)字/模擬變換器。一般電動機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而步進電動機則是每當(dāng)電動機繞組接收一個脈沖時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的角度，該角度稱為步距角。低頻運行時，明顯可見電動機轉(zhuǎn)動軸式一步一步轉(zhuǎn)動的。
步進電動機的角位移量和輸入脈沖的個數(shù)嚴格成正比。在時間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機繞組的相序，既可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。
步進電動機的運行方式有3種:
單拍通電方式在高速時易失步，且單一繞組吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易振蕩，因此目前很少使用。
雙拍通電方式運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩較單拍通電方式要大，但發(fā)熱也大。
單雙拍通電方式不僅運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)換頻率也可提高一倍，每拍轉(zhuǎn)過的角度為單拍和雙拍的一半，實際使用中采用這用方案的最多。
步進電動機的種類和特點
1．反應(yīng)式步進電動機。反應(yīng)式步進電動機的特點為步距角小，運行頻率高、具有通電自鎖能力，但功耗較大。
2．永磁式步進電動機。永磁式步進電動機的特點為功耗較小，在斷電的情況下仍有定位轉(zhuǎn)矩，但步距角一般較大，需供給正負脈沖電源，起動和運行頻率也較低。該類電機的轉(zhuǎn)矩較小，常用于自動化儀表作為執(zhí)行元件。
3．混合式步進電動機?；旌鲜讲竭M電動機又稱永磁感應(yīng)子式步進電動機，它充分利用反應(yīng)式和永磁式兩種電機的特點，具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩大、步距角小、運行頻率高、功耗低及自鎖功能等方面特點。
因為切割機要求無爬行現(xiàn)象，精度要求高，因此我選擇步進電動機的步距角為θ=0.9°/1.8°，相數(shù)p=4，通電方式為4相8拍，通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角θ的計算公式為
θ=360°/pzk
式中p——步進電動機的相數(shù)
z——轉(zhuǎn)子的齒數(shù)
k——狀態(tài)系數(shù)。單、雙拍時，k=1;單雙拍時，k=2
直線運動工作臺的移動速度v=60fδ=18mm/分，將δ=0.001代入得，f=300HZ
因為步進電動機的轉(zhuǎn)角與脈沖頻率數(shù)成正比，步進電動機的轉(zhuǎn)速nm
也可用下面的公式計算；
nm=60fθ/360=fθ/6=300×0.9/6=45r/min
因此選擇BYH型步進電動機。
3.3張緊輪設(shè)計
張緊輪是機械傳動中的張緊裝置，當(dāng)傳動的中心距不能調(diào)節(jié)時，可以采用張緊輪將線張緊。張緊輪一般布置在松邊的內(nèi)側(cè)，從而使帶只受單向彎曲；同時，為保證小包角不致減小過多，張緊輪應(yīng)盡量靠近大輪安裝。如圖6所示：
圖6：張緊輪
假定在張緊形態(tài)下，5000N于張緊輪中央，張緊輪直徑48mm，材料的許用切應(yīng)力=100MPa，許用擠壓應(yīng)力MPa現(xiàn)計算彎曲應(yīng)力：
1.由平衡方程容易求出
張緊輪剪切面上的切應(yīng)力為
2. 校核張緊輪的擠壓強度
則擠壓應(yīng)力為
故拉張緊輪也滿足擠壓強度要求。
3.4繞線輪的設(shè)計
金剛石線鋸切割機把一根細長的鋼絲繩纏繞在排線輪上，鋼絲兩頭分別由放線機構(gòu)與收線機構(gòu)拉緊。在收放線機構(gòu)與繞線輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。繞線輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鋼絲往復(fù)運動。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動力。切割液由表面活性劑、碳化硅磨料和油基添加劑配制而成。切割時，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線上，切割進給機構(gòu)均勻運動，把硅棒壓向高速往復(fù)運動的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。
本次設(shè)計的繞線輪如圖7所示：
圖7：繞線輪
（1）計算支承反力，受力如圖8所示：
圖8繞線輪受力圖
=1348.5(N)
=1348.5(N)
（2）彎矩
（3）轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)矩
（4）校核
許用應(yīng)力 用插入法查得：
許用應(yīng)力值
應(yīng)力校正系數(shù)
當(dāng)量彎矩
設(shè)計的直徑
；
（5）疲勞強度校核
初步分析、兩個截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截面為例進行安全系數(shù)校核。
材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，，
對稱循環(huán)疲勞極限
脈動循環(huán)疲勞極限
等效系數(shù)
截面上的應(yīng)力彎矩
彎曲應(yīng)力幅
彎曲平均應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力
如果一個截面上有多種產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，則分別求出其有效應(yīng)力集中系數(shù)，從而取最大值。
3.5二維夾具的設(shè)計
夾具是機械制造過程中用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢測的裝置。 機械制造過程中用來固定加工對象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢測的裝置。又稱卡具。從廣義上說，在工藝過程中的任何工序，用來迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，都可稱為夾具。例如焊接夾具、檢驗夾具、裝配夾具、機床夾具等。其中機床夾具最為常見，常簡稱為夾具。
在機床上加工工件時，為使工件的表面能達到圖紙規(guī)定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的相互位置精度等技術(shù)要求 ，加工前必須將工件裝好（定位）、夾牢（夾緊）。夾具通常由定位元件（確定工件在夾具中的正確位置）、夾緊裝置 、對刀引導(dǎo)元件(確定刀具與工件的相對位置或?qū)б毒叻较?、分度裝置（使工件在一次安裝中能完成數(shù)個工位的加工，有回轉(zhuǎn)分度裝置和直線移動分度裝置兩類）、連接元件以及夾具體（夾具底座）等組成。 本次設(shè)計的二維夾具體如圖8所示：
圖8：二維夾具體
夾緊力按下式計算：
查手冊，取Q=125N
L=100
r’=6.22
=30o
=5.513mm
=1o26’
=6098.9N
所以，算得的夾緊力為6098N。
線鋸切割時的切削力為：
在計算切削力時，必須考慮安全系數(shù)。
安全系數(shù)
根據(jù)《機械加工工藝手冊》查得：
式中： —基本安全系數(shù)；取1.2
—加工性質(zhì)系數(shù)；取1.1
—刀具鈍化系數(shù)；取1.1
—切削特點（連續(xù)切削）；取1.0
—夾緊力穩(wěn)定性；取1.1
—手動夾緊手柄位置；取1.0
—僅有力矩使工件與支承面接觸情況；取1.0
則
=1.2×1.1×1.1×1.0×1.1×1.0×1.0×3218.6
=5140.7N
因為切割削力小于夾緊力，所以該夾緊裝置安全可靠。
結(jié) 論
通過這次金剛石線鋸切割機設(shè)計，我認識到了單純的理論知識學(xué)習(xí)和 實際設(shè)計之間的差距。 通過這次畢業(yè)設(shè)計既鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際應(yīng)用問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計 規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力的水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且使我的毅力，意志力以及耐力都得到了不同程度的提高。這些都是我希望得到的 也是畢業(yè)設(shè)計的目的所在。雖然畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容繁多，過程繁瑣，但我的收獲也是非常的多。各種設(shè)計方案的適用條件，各種零部件的選用標(biāo)準，我都是隨著設(shè)計的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會應(yīng)用的。從畢業(yè)設(shè)計中學(xué)來的這些寶貴的知識和經(jīng)驗，必然會讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強的溝通力和理解力。
本次設(shè)計參考了許多資料，吸取了其優(yōu)點，并在考慮我國實際的基礎(chǔ)上完成了自走式割灌機的設(shè)計，表達了自己的設(shè)計思想，完成了設(shè)計任務(wù)。但是由于缺乏生產(chǎn)和設(shè)計經(jīng)驗，問題一定很多，這些都需要老師改正，使之更合乎生產(chǎn)實際。
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
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致 謝
本畢業(yè)設(shè)計的完成是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，在整個過程中同時也得到了其他老師的指導(dǎo)和大力支持。在此我向老師們表示崇高的敬意和衷心的感謝！感謝他們對我在學(xué)習(xí)上的耐心指導(dǎo)、以及做人做事方面的悉心教誨，使我在解決問題的方法策略和為人處事上都有了很大提高。同時祝愿他們工作順利，身體健康！
在這個設(shè)計過程中，我得到了很多同學(xué)、朋友及老師的支持和幫助，他們給予了極大的幫助和支持。在此我對他們表示衷心的感謝，同時我也感謝我的家人，是他們的理解和默默支持使我的畢業(yè)設(shè)計能得以順利按時的完成。最后，借此機會謹向所有關(guān)心、支持和幫助我的老師、同學(xué)、家人、朋友以及所有默默支持我的人致以最衷心的感謝。謹以此文獻給所有關(guān)心和幫助我的人。