光伏高端设备硅片锯床导轮部件制造工艺

1 国家职业资格全国统一鉴定钳工技师论文（国家职业资格一级）论文题目 光伏高端设备硅片锯床导轮部件制造工艺姓 名 项 鹰身份证号 32040519820620221X 准考证号所在省市 江苏省常州市所在单位常州万泰天平仪器有限公司2 光伏高端设备硅片锯床导轮部件制造工艺项 鹰常州万泰天平仪器有限公司摘 要1839 年法国科学家发现液体的光生伏特效应 简称光伏现象 。 从此人类社会进入光伏时代。1941 年奥尔在硅上发现光伏效应。1955 年西部电工开始出售硅光伏技术商业专利。从此光伏进入商业化发展。1958 ，中国研制出了首块硅单晶。2001 年国家推出“光明工程计划”， 旨在通过光伏发电解决偏远山区用电问题。天合光能、阿特斯、英利、尚德四家光伏企业先后成立。2007 年中国成为生产太阳能电池最多的国家。中国太阳能电池产量不断上升的背后，中国人口红利或将消失。已经无法与发展中国家竞争，而发达国家依靠设备、技术、工艺等生产方式的不同，成本低于中国，而国内老板无法承受高端设备如（硅片锯床） 的价格， 因此高端光伏设备的国产化的生产变成迫在眉睫的需要。要想制造高端的设备就要有高端的通用机床， 如果放在 2001 年，常州的数控机床还很少，而且大多比较低级，但十年的发展后，常州已经完全具备了生产中低端数控机床的能力， 而且在市场上也比较普3 级， 高端包括数控在内的通用机床在常州也较为齐全。 这就为生产高端光伏设备创造了条件。2011 年底，因开发研究的需要，常州机械制造工艺圈朋友的邀请我参与高端光伏设备国产化制造工艺研究， 并主持其中硅片锯床导轮部件的工艺研究。关 键 字1. 导轮部件 专指硅片锯床导轮部件， 而区别与其它导轮或导轮部件。2. 轴瓦附图 1 角接触关节轴承3. 聚四氟乙烯布 聚四氟乙烯线与芳纶纤维线织成的布， 正面聚四氟乙烯材料外露较多， 反面芳纶纤维材料外露较多， 由于工作使用要求是聚四乙烯的摩擦作用， 芳纶纤维仅起连接作用， 所以下文称为聚四氟乙烯布。目 录一、分析工作原理二、零件加工工艺1. 中支套加工2. 端法兰加工3. 主辊筒加工4. 隔水套外管加工5. 轴瓦加工4 6. 轴瓦贴聚四氟乙烯布7. 其余零件为常规工艺略去说明三、组装及后续加工1. 隔水套组件组装及后续工艺2. 导轮部件组装工艺3. 加工两端 Φ 125 的内孔与 6XΦ 12 的孔4. 加工 ZG1/4 螺纹5. 装入外圈角接触关节轴瓦6. 精车导轮外圆7. 导轮动平衡试验8. 导轮外圈表面涂覆聚胺脂材料 委外加工 。9. 导轮外圈开 V 型槽，槽深 0.1mm用于切硅钢片钢丝。四、结论正 文一、工作原理见附图 2 这是一个导轮部件，以两端轴瓦作为传动力的输入与输出， 在内孔有一个 ф 12 孔作精定位并传递扭力， 作旋转运动。见附图 3 钢丝在上下四个导轮中间回绕矩形柱体， 又作旋转运动，同时在上面如线切割滚丝筒般滚动，通过排列有续的钢丝回旋滚动运动。实现切割硅片运动。二、零件加工工艺5 1. 零件名称中支套。作用起对隔水部分的支撑作用同时又在端法兰中配合定位，保证隔水套一定程度的旋转运动平衡状态。加工难点①材质 0Cr18Ni9 其又强度和韧性之高是奥氏体不锈钢中最难切削的材料之一。根据材料相对加工性等级属第七等级，难切削程度仅次于钛合金。 ②材料规格是 ф 50X4，但采购怎么找都只能买到 ф 51X5，由于零件总长是 420 长，内孔扩大1mm的难度变的非常大。经过考虑有两种方案加工①立钻扩孔②车床车至 ф 42mm。两个方案都有较高难度立钻受本身机床切削刚性影响，钻孔直径较大，材质又难加工，直径 42 的钻孔，普通材料每转进给量需小于 0.03mm, 而 0Cr18Ni9 单刀进给量是 0.005-0.015 之间，而普通立钻受齿轮啮合的影响，自动走刀每转进给量至少是 0.06mm切削过程不能自动走刀。 切削力大， 手动进给稳定程度要求较高，而钻头导向又会因无鏠管本身 41 的内孔导向影响，因此钻孔过程中不发生倾斜就不太容易保证了。而车削内孔存在的问题是刀杆长度较长，不锈钢让刀、振刀严重，切削几何机构刚性不高的特点，因此设计工装，刀杆上设计轴承，刀前面切削，后面紧跟着轴承导向，提高切削几何刚性，和切削稳定性，为避免刀具磨损后磨刀对尺寸的影响，采用数控刀片避免刀具重复定位精度。2. 零件名称端法兰。作用内部装有轴瓦，起定位作用，6 是导轮整体平衡的主要依靠， 内部设有 Φ 12 孔， 是传递扭矩的主要依靠，两处定位精度非常高但这两处定位精度都在装配后加工，在零件加工中要求并不高。零件的加工难点是材质 1Cr17Ni2 锻件 即是马氏体不锈钢的一种，又是高铬高碳莱氏体材料，他的硬度高于奥氏体不锈钢，韧性不高，从这个意义上来说，难切削性较奥氏体不锈钢来说相对容易些，但他依然属于镍基热强合金难加工程度在 材料相对加工性等级仍属第七等级。因此零件的加工过程切削速度放慢到切削 45 钢的 0.4 倍加工。这里还有一个关键点的切削加工前的锻造处理， 1Cr17Ni2 锻件的锻造工艺性很差，如果采用普通的锻造工艺处理，产生裂纹率几乎是 100，工件报废率达 90以上，而最要命的是普通的锻造厂不仅没有做过不锈钢的锻造，危险认识程度不足，而且从事锻造人员的学历程度较低，学习性不强，因此我自行查资料研究锻造工艺，最后决定锻造温度为 1150℃，终锻温度为 800℃，锻造后缓慢冷却减少锻件的内应力，以防止锻后裂纹的产生。3. 零件名称主辊筒 作用这是用于支撑导轮锯硅钢片切割钢丝的主材它即要有稳定的性能，又要有减震的作用。因此选择 Q345B材料这个相对于其余几个零件的加工难度较低一些，主要是薄壁零件内外径均需加工，薄壁件抗径向分力能力较弱，解决方法是7 如细长轴一样采用银白屑车削方法。这是一种常识性的加工方法，这里就不做详解了。4. 零件名称隔水套外管 作用隔水，分流循环水，使冷却水更接近于工件工作表面，更好的起冷却作用。这是所有零件最难加工的一个零件为了减轻分量他的壁厚仅为 3mm,我们仿制国外进口零件， 国外批量生产， 开冷拔模冷拔制成，我们要从很厚的材料车至 3mm，这个难度太大了。从油缸厂找到外径相同，仅需加工内孔的原料。难度主要有以下刚性太差，切削力的切削作用容易引起变形、振刀、打刀，热扩散性差，在切削热的作用下线膨胀增大，走刀时间长，刀具振动磨损严重。解决的方案无鏠管轴向一头三爪装夹，中间和尾部采用中心架加于加工零件配合的同心圆管住， 提高刚性， 内孔做专用刀杆，内孔侧母线上两线两向分力同时切削，有效的避免了径向分力，加之采用阻尼法消耗振动系统的能量，从而避免了振刀打刀的现象。根据线速度的计算，同等材料直径的零件转速可开至 125 转/ 分钟，为减少切削热，将转速放慢到 56 转 / 分钟，进给量 0.08毫米 / 转，进给深度 0.5 毫米这样有效的减少了切削力。刀具过渡圆角取 0.1 主偏角取 105 度，与副偏角形成夹角增大切削几何刚性，前角取 25提高刚性，刃倾角取正 15 度，减少径向分力。5. 外圈角接触关节轴瓦常识性的制造工艺，不做详细说明。见网址8 http//www.doc88.com/p-8939990870636.html 6. 轴瓦贴聚四氟乙烯布作用轴瓦摩擦面之间的运动润滑性要求很高， 摩擦系数要求极低，同时工作场合又有腐蚀性较高的砂浆（酸性）存在，工作场合温度为 180℃。聚四氟乙烯具有耐高温，它的摩擦系数是世界上已知所有材料中最好的，极高的耐化学腐蚀性能，例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于绝大多数的溶剂， 只在 300℃以上稍溶于全烷烃 （约 0.1g/100g ） 。聚四氟乙烯不吸潮，膨胀系数（ 25～ 250℃） 10～ 12 10-5/ ℃，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐环境性。被称为塑料王，因此成为轴承中介质的首先材料。但它 几乎不溶于绝大多数的溶剂，想要粘接到轴瓦表面几乎不可能。因此我们选择将聚四氟乙烯与而高温的 芳纶纤维织布（这个布直接可以从国外买到，不需要自己织，所以织布工艺就不讲了） 、采用钠 - 萘四氢呋喃腐蚀液将聚四氟乙烯表面的氟碳原子进行置换，通过胶水研究所提供的胶水粘接于轴瓦表面。7. 其余零件的加工工艺为常规机械零件加工工艺。这里略去不再说明。四、组装及后续加工1. 隔水套组件组装及后续工艺①先将隔水套外管、挡水板、中支套，放好位置， 挡水板放入隔水套定位倒角处。②气保焊点焊③气9 保焊满焊④去焊接应力退火⑤氩弧焊焊封口螺母及平衡块⑥充气检查漏气试验至于水中⑦焊封口螺丝 （注意螺丝与螺母处不得放聚四氟乙烯生料带， 以免产生焊接气孔。 ⑧再放入水中检查封口处有无漏气。⑨隔水套外管表面镀高镍鏻处理（以防腐蚀）⑩镀后热处理 210 度1.5 小时（让鏻更好的熔结镍与铁达到镀后牢固的目的） 隔水套外管动平衡，以中支套两端与端法兰固定处轴采用双轴承工装定位。2. 导轮部件组装工艺①端法兰冷冻负 100℃、 2 小时。②将冷冻的左端法兰装入主辊筒一端中。 ③再将隔水套组件装入主辊筒及端法兰内孔中， 采用芯棒导正装配。 ④将右端法兰装入主辊筒中并采用芯棒将隔水套组件导入端法兰内孔中。⑤将端法兰主辊筒焊接到一起。（制作焊接工装， 电机带动三爪卡盘， 三爪卡盘夹紧导轮端法兰内止口， 以每分钟 5 转的速度旋转焊接。 ⑥车加工焊接高于端法兰与主辊筒外径处高点并在切削过程中发现气孔或未焊到处， 氩弧焊补焊。 ⑦钻 Φ 10 孔并铰孔装入传递扭力销钉⑧扭力测试（制作扭力测试工装）⑨去焊接应力退火，这个难点在于不锈钢去应力退火的温度为 700℃以上，而镀镍鏻中鏻的熔点是 280℃。关于这个难点我特意咨询了中国热处理的权威专家，由于保密协议的限制，这个工艺不便公布，请谅解。 ⑩氩弧焊将一端端法兰与隔水套组件焊接到一起， 焊笆不得达到 Φ 42 内孔内，并不得与整轴部份干涉。3. 加工两端 Φ 125 的内孔与 6XΦ 12 的孔这个可以采用带有回转盘的数控镗床完成，但这种镗床在常州只有两家有， 一家是江苏新瑞重工科技有限公司， 另一家是常州市道铖10 精密机械有限公司，前者不对外加工，后者加工费用很高，编程首件制造价格 2800 元， 后面同批每做一件 1500 元。 我经过考虑决定采用以下工艺完成。以粗加工 Φ 124 内孔定位磨加工外圆，请常州市车工冠军岳敏磨刀普车车内孔（他在比赛中车出表面粗糙度 0.5 ） ，以外圆打表控制在 0.005mm内， 最后车加工的同心度与圆柱度均控制在 0.006mm内 （测量方法三座标和至于 V 型块上打表两种测量方法、 内孔尺寸三座标与气动量仪二种测量方法。产品至于温度 20℃ 3℃、湿度 50-80的环境中，保证测量误差在 0.005mm内） ，而常州市道铖精密机械有限公司许诺的精度控制在 0.015mm内。采用 W2硬质合金刀，过渡圆角磨至 0.4 ，转速 112 转 / 分钟，进给量 0.03 毫米 / 每转。加工 Φ 12 孔制作带有平键的 Φ 40 长轴，镶入平键，线切割二块定位板分别将端法兰 Φ 125内孔、 Φ 40 轴及平键作为定位基准， 保证两端法兰两面 Φ 12 内孔位置度一至。 （测量方法三座标）4. 加工 ZG1/4 螺纹螺纹的加工本身是很容易的事情，但 1Cr17Ni2 作为高铬高碳莱氏体材料又是镍基热强合金， 它的切削性能本身就差， 螺孔攻丝难度就更大了， 如果攻丝出现问题， 那么整个零件前期所做的所有努力就化为泡影， 3 万多元人民币就此打水漂了。难度主要有以下特点①良好的韧性和强度，导致严重加工硬度随着马氏体相变而产生的材质硬化，硬度可达 HV400,易对刀具切削刃口造成损伤。 ②高温合金对于热敏感刀具的切削非常不利， 热传递又11 低。③延伸率约为碳钢的 2 倍，易粘刀，形成积屑瘤。④产品的特性不得用切削油增大了切削难度。解决的方法①采用三槽丝锥较四槽相比增大横截面长度，使丝锥强度提高，单位切削面积切削力减少。②丝锥前角磨大 5 度，使丝锥变得锋利，减少了其磨损速度。③后角增大，磨倒锥，减少摩擦。④采用涂层丝锥⑤增大螺纹孔倒角保证垂直丝锥导入。 ⑥不能用油的情况下采用牙膏润滑。⑦手动进给，缓慢攻丝。5. 装入外圈角接触关节轴瓦将轴瓦冷冻于 -20 度的冰箱中，时间为 2 小时。而后取出装于 Φ125 内孔中。6. 精车导轮外圆①制作内圈角接触关节轴瓦②制作跳动 0.002mm的重载 3 吨可装配轴瓦的顶尖。顶尖的结构设计为普通顶尖基础上在尾部装两个角接触轴承即利用了角接触轴承承受重载的能力，又在几何结构的轴向上提供背力。 所有轴承请洛轴雷树德工程师专门制作。 中国的轴承精度上已经完全与国外等同，只是在热处理上不如国外。③车磨一个装夹于三爪卡盘上的轴瓦定位工装同样采用 Φ 12 孔传递扭矩。④热装轴瓦于顶尖上。⑤数控车以两轴瓦定位，轴瓦径向跳动打表至 0.005mm内，车加工导轮外圆。12 7. 导轮动平衡试验动平衡上常规工艺，采用平衡块调整动平衡，略去不讲。8. 导轮外圈表面涂覆聚胺脂材料 委外加工 。9. 导轮外圈开 V 型槽，槽深 0.1mm用于切硅钢片钢丝。用苏州市吴中区横泾科正刃具提供的聚胺脂专用刀具价格 600 元一把。采用进口金刚石材料车削。采用车螺纹的方法， 车床每转进给量为 0.115mm.车床转速每分钟两转，保证聚胺脂材料不发热变形。四、结论经天合光能试用后导轮部件不仅符合了锯硅钢片的使用要求，而且在硅片生产稳定性和合格率上比国外设备做的更好， 分析原因是由于主辊筒材料选择正确，热处理到位，动平衡校正更精确有关。参考文献1. 切削刀具 . 株洲钻石刀具股份有限公司 2010-2011 2. 陈章燕 . 金属切削刀具 . 中国农业机械出版社 .1982.12 3. 董选普 . 铸造工艺学 . 化学工业出版社 .2009.08 4. 吴承建 . 金属材料学 . 冶金工业出版社 .2009.08 5. 方若愚 周昌泰 赵如福 刘堂炜 . 金属机械加工工艺人员手册 . 上海科学技术出版社 .1979.1 6. 樊东黎 徐跃明 佟晓辉 . 热处理工程师手册 . 机械工业出版社 2011.3 7. 光伏全球发展史网址 http//tieba.baidu.com/p/2357055251谢 辞感谢邓敏和史伟毕业于常州高级技工学校很感谢班老师邓敏和实习史伟把我带进技术的大门。感谢中国热处理的权威专家感谢常州市车床冠军岳敏感谢常州市道铖精密机械有限公司感谢常州皮革厂感谢上海海鹰机械厂粘接技术研究所13 感谢洛阳轴研科技股份有限公司河南省机床主轴工程技术研究中心 雷树德、何灵辉感谢江阴市嘉瑞五金商贸有限公司公司王嘉感谢苏州市吴中区横泾科正刃具感谢杨友、郭广垒、张燕、王勤高、陆云波、张洪波等同事。附录附图 1 附图 2 产品图附图 3 工作原理图