基于SolidWorks的单晶炉二次加料装置改进设计

王新海，张永军，李俊涛

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

基于SolidWorks的单晶炉二次加料装置改进设计

王新海，张永军，李俊涛

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

研究了单晶炉二次加料装置的原理和结构，并在此基础上使用三维建模设计软件SolidWorks对其进行了三维设计。根据二次加料装置的工作原理，分析了现有装置的存在的主要问题和改进方案，以SolidWorks软件为平台，先建立了单个零件的三维模型，然后通过虚拟装配得到装配体的三维模型，并经过图形转换得到了生产实际中应用的二维工程图。通过运用三维设计软件SolidWorks，使设计在改进总体外观造型的同时工作效率也明显提高，具有较高的实用价值。关键词：单晶炉；二次加料装置；SolidWorks；三维设计

SolidWorks是美国SolidWorks公司开发的三维CAD产品，是实行数字化设计的造型软件，在国际上得到广泛的应用[1～3]。同时具有开放的系统，添加各种插件后，可实现产品的三维建模、装配校验、运动仿真、有限元分析、加工仿真、数控加工及加工工艺的制定，以保证产品从设计、工程分析、工艺分析、加工模拟、产品制造过程中的数据的一致性，从而真正实现产品的数字化设计和制造，并大幅度提高产品的设计效率和质量。由于SolidWorks软件具有功能强大，易于学习，便于掌握等特点，因此迅速得以普及，使得传统的机械设计转向三维设计。

单晶炉是直拉法制备硅单晶的关键技术装备，所制备的硅单晶主要用于集成电路元件和太阳能电池[4]。面对行业需求，增大单炉投料量，提升单晶炉的单炉产量和效率，成为了行业的发展方向[5～6]。目前，单晶炉二次加料装置以其结构简单、成本低、使用维护方面等优点而得到广大单晶硅生产厂商的使用。由于在长期的生产应用过程中应用的单晶炉二次加料装置有着不同程度的问题，为了提高二次增料装置的性能，在大量生产实践及理论分析的基础上完成了单晶炉二次加料装置的改进设计，并运用Solid-Works进行了三维仿真，具有较高的实用价值。

1 二次加料原理

单晶炉二次加料技术是利用硅料固液转换时石英坩埚剩余体积的变化，通过翻板隔离阀的开闭，采用二次加料装置实现单晶炉的石英坩埚内盛满熔融硅料的技术。二次加料技术的具体步骤可描述为：化料工序结束后，关闭设在主炉室和副炉室之间的翻板隔离阀，将硅料存于打开的副炉室内，闭合副炉室，充入保护气体，打开翻板隔离阀，硅料落入石英坩埚内，对加入的硅料进行化料。

2 现有二次加料装置存在的问题

单晶炉二次加料装置主要有三种类型，分别是：二次圆棒加料夹具[7]、石英加料筒[8]和金属加料筒[9]。三种不同类型的二次加料工具都存在着不同的缺点，体现在：二次圆棒加料夹具只能进行棒状料的加工，而且需要在棒状硅料上进行打孔工序，增加了操作的繁琐性；石英加料筒尽管具有污染小的优点，但是将硅料放入料筒时必须小心操作，防止其在使用过程中因受力而破碎污染硅料等现象产生；金属加料筒存在卡料和污染现象，由于硅料之间，硅料与装置内部的部件之间存在摩擦力，落料时，硅料容易卡壳，甚至硅料卡住拉杆，致使块状硅料不能实现下落，而且硅料在实现落料的过程中，拉杆底部锥面会被下面熔融硅料（单晶炉内）的高温所氧化而污染硅料，从而影响拉晶工艺或硅棒质量等缺点。

3 总体改进

金属加料筒尽管存在卡料和污染现象，但其具有其它加料工具所不具备的优点，对原料的形状限制较小，可以进行粉末硅料（可压制成块状）、块状硅料和棒状硅料（经水爆机变为块状）等不同类型硅料的二次添加，而且通过改变金属加料筒的材质可以减小污染程度，合理设计机械结构也可解决卡料问题，因此，单晶炉二次加料装置的改进是设计出合理的金属加料桶机械结构。

金属加料筒的结构一般由圆筒部分、挡板部分、提拉部分和开关部分组成。圆筒部分主要用来贮存硅料；挡板部分和开关部分主要是控制圆筒中硅料的下落；提拉部分主要是将加料装置与单晶炉机构连接起来，同时也是开关部分的动力提供者。为了解决卡料和污染现象，在设计二次加料装置时，采用硅饼替代金属底盖的“无金属底盖”设计思路，以此来减少二次加料装置底部金属在高温环境下氧化反应产生新物质而污染熔融硅料，设计了拉杆外置，且圆筒由三片弧形筒组成的二次加料结构解决卡料缺点。

4 三维建模

4.1 零件建模

利用SolidWorks三维软件进行零部件建模时，首先选择出合理的基准面，在草图环境中绘制出能生成基本特征的二位草图；接着利用拉伸、旋转和扫描等常用特征完成零部件基本特征的建模和其它附加特征的三维造型；最后利用圆角、倒角等命令完成对整个对象的三维建模。单晶炉二次加料装置的主要零部件三维设计如图1所示，其它零部件的设计同样使用SolidWorks完成三维设计。

图1 单晶炉二次加料装置零部件造型设计

4.2 装配体

在完成单个零部件的三维设计后，在SolidWorks的模拟装配环境下，将建好的零部件模型在Solid-Works的模拟装配功能下进行装配，依据设计方案和装配关系把零件模型装配到一起，并添加相应装配约束(如同轴、平行、重合等)进行模拟装配。如在此过程中发现零部件之间有干扰和碰撞时，可及时地修改相关零件的结构或尺寸，修改后重新生成，在装配中的零件也随之改变。在完成单晶炉二次加料装置装配工作时，按照零部件由主到次的顺序，空间上由内到外的顺序进行装配，完成装配的设计见图2所示，图3为其爆炸图,便于看清其装配结构。

图2 单晶炉二次加料装置三维模型

图3 单晶炉二次加料装置三维模型爆炸图

4.3 二维工程图纸的生成

在实际生产加工中，还是以二维工程图为主。SolidWorks软件的三维设计模块可以生成二维图纸，这样对于指导生产加工有现实意义。图4为单晶炉二次加料装置内筒的三维设计模块转换为二维图纸应用。

图4 外筒二维图纸

5 结束语

基于SolidWorks软件对单晶炉二次加料装置的机械结构进行了设计，此种方法可以有效快速地实现对各个零部件的三维建模，能直观地看到各个零部件装配后的效果，在指导加工生产过程中也起到了很好的作用。SolidWorks软件的应用为零件的设计和加工带来了便利，简化了设计方法，缩短了设计周期，为企业的发展做出了很大的贡献，为设计、编程、加工提供了很多便利。

[1]叶修梓，陈超祥.SolidWorks高级教程二次开发与API[M].北京:机械工业出版社，2009.

[2]葛正浩，梁金生，蔡小霞.SolidWorks2008典型机械零件设计实训教程[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]谷德桥.SolidWorks2011中文版机械设计从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]曹建伟.直拉式单晶硅生长炉的关键技术的研究[D].杭州：浙江大学博士论文，2007.

[5]阮晓东.单晶硅电池技术与市场的博弈[J].太阳能，2012（24）:48-51.

[6]张文毓.单晶硅产业技术经济综合分析[J].新材料产业2010（6）:15-17.

[7]袁为进.用于单晶炉的二次加料圆棒夹具[P].中国专利：200920049166.7,2009-10-16.

[8]梁永生.一种增加直拉硅单晶装料量的方法及装置[P].中国，200910310766.9,2009-12-02.

[9]王煜辉.用于直拉法单晶炉的二次投料装置[P].中国专利：201120442393.3,2011-11-10.

Im provementof Secondary Casing w ith Monocrystal Furnace based on SolidWorks

WANGXin-hai，ZHANG Yong-jun，LIJun-tao
(Shaanxi Institute of Technology，Xi'an 710300，China)

This paper studies the principle and structure of the secondary casing device of themonocrystal furnace.Based on this,SolidWorks was used.According to the working principle of the secondary casing device,the main problemswhich existing units and the improvement schemewas analyzed,based on SolidWorks software platform,the first step establishes themodel of the individual parts,and then the 3D model of the assembly is obtained through the virtual assembly,and through graphic conversion obtained the 2D engineering drawing application in practical production.By using the three-dimensional design software of SolidWorks,the design work in improving the overall appearance of the same efficiency has improvedmarkedly,with high practicalvalue.

monocrystal furnace；secondary casing device；SolidWorks；three-dimensional design

TH128

B

1672-545X（2014）04-0025-02

2014-01-08

陕西国防工业职业技术学院2013年科研基金（编号：Gfy13-02）

王新海（1984—），男，硕士，助教，从事精密加工与机械设计方面的研究工作。