CN100480015C

CN100480015C - 旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置

Info

Publication number: CN100480015C
Application number: CNB2005100468991A
Authority: CN
Inventors: 张革; 李景春
Original assignee: ZHANG GE LI JINGCHUN
Current assignee: ZHANG GE LI JINGCHUN
Priority date: 2005-07-20
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: CN1724234A

Abstract

本发明涉及一种材料加工设备，特别是涉及一种旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置。由底座、传感器、金刚石锯绳、气动张紧轮、工作滚轮、直流伺服电机、二维夹具机构组成，二维夹具机构由旋转机械手及步进电机组成，Y轴移动平台上连接有水平角度调整转台，水平角度调整转台上连接有垂直角度调整转台，步进电机联接在可调支撑板上，经过旋转轴与物料夹具相连。以旋转点接触切割方式替代过去已有的传统面接触切割方式，解决了对SiC超硬材的精密切割。

Description

旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置

技术领域

本发明涉及一种材料加工设备，特别是涉及一种旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置。

背景技术

SiC(碳化硅晶体)是莫氏硬度9.4的超硬材料，只有用莫氏硬度为10的金刚石材料对SiC切割。现有的传统金刚石锯片对SiC切割，因受锯片直径的限制，只能切割直径25mm以下的棒料，且切割的锯缝因锯片厚度而宽，浪费了价格昂贵的SiC材料。近五年才研制出金刚石锯绳切割设备，实现了对SiC的切割为此本人提出了多项专利申请，如“台式大尺寸精密金刚石线切割机(专利申请号：200410050285.6)”，“重力式外圆金刚石外圆上切割机(专利申请号：200420113107.9)”，“拉动平台式下切割金刚石外圆切割、划片机(专利申请号：200420070555.5)”，“高精度双旋转摆动重力式平面研磨抛光机(专利申请号：200420070557.4)”。均收到了较好的应用效果，但在应用中发现仍存着在以下的不足之处，如图1所示：

1.因切割方式是面接触切割，导致切割后的SiC面形和平面度≥0.70mm，平行度≥1.0mm。无法适应切割的技术指标要求(一般该技术指标是，棒料直径50mm，切片厚度为1mm时，其平面度≤0.10mm，平行度≤0.7mm)。

2.采用卧式切割方式，限制了切割空间，只能切割直径4英寸的材料。

3.锯绳绕筒位于设备的框式机体内上方，上换锯绳操作不便。

4.各部位基础架构易变形。安装调整好后，由于搬运、运输等震动，使各部件相互水平、垂直关系发生变化，运转时间长也会发生变化，因此切割精度低。

5.金刚石锯绳沿Z轴方向向下移动，与棒料接触，切割接触面随切割深度加大，切割阻力也增大，过切割半径时切割阻力为最大，又随切割深度加大而接触面变小，切割阻力也变小。总之，面接触切割的切割阻力始终处于变化状态。当切割力小于进给力时，锯绳跑偏，破坏了切割的平面度、平行度。夹具无法实现夹持被切割物，更无法调整切割角度及片度，不适合单晶体材料的切割。

6.由于锯绳缠绕筒往复距离已经确定，切割时往复次数多，浪费金刚石锯绳，锯绳留在被切料面上的痕迹多。系统由微机控制，Z轴进给最低速度快，不适合超硬材料的切割。

发明内容

本发明的目的是提出一种旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置，以旋转点接触切割方式替代过去已有的传统面接触切割方式，解决了对SiC超硬材的精密切割。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置，由底座、传感器、金刚石锯绳、气动张紧轮、工作滚轮、直流伺服电机、二维夹具机构组成，其所述的二维夹具机构由旋转机械手及步进电机组成，Y轴移动平台上连接有水平角度调整转台，水平角度调整转台上连接有垂直角度调整转台，Y轴移动平台上装有组合二维夹具，组合二维夹具水平调整0～360度，垂直调整±15度；步进电机联接在可调支撑板上，经过旋转轴与物料夹具相连。锯绳支撑气动张紧轮固定在Z轴主板上，金刚石锯绳做往复运转，旋转机械手及夹持的物料，沿X轴方向移动。

旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置，其所述锯绳缠绕筒与传感器相联，气动张紧轮缠绕在锯绳缠绕筒上。

本发明的优点与效果是：

1.采用立式切割方式，从而加大了Y轴方向的切割空间，可切割直径6英寸的材料。锯绳支撑轮位置不动，物料沿X轴方向进给切割，从而保证锯绳运动不抖晃，加强了切割的稳定性。

2.锯绳缠绕筒的位置在装置的左下方，便于上换锯绳。

3.各部位基础架构连体铸造后，加工各安装部位基面成为水平、垂直的关系平台，不变形，安装各部件的基础精度高，且不受震动的影响，切割精度高。

4.因锯绳不沿Z轴方向移动，料沿X轴方向进给，因料的夹具体积小，重量轻，在设计上能较好地解决精度问题，故切割精度高。

5.Y轴滑动平台上装有组合二维夹具水平调整0～360度，垂直调整±15度(同时配合机械手使用)。该组合二维夹具上装Y轴滑轨，可调整角度和片厚，适合单晶体材料的切割。

6.金刚石锯绳可在30米至150米范围内任意使用，即缠绕筒往复距离由可调位置传感器控制。锯绳越长往复次数越少，长锯绳可提高面形质量，因而不浪费金刚石锯绳，锯绳留在被切料面上的痕迹少。

附图说明

图1为本发明现有技术的示意图；

图2为本发明技术原理示意图；

图3为本发明整体结构示意图；

图4为本发明整体结构示意图的俯视图；

图5为本发明旋转点卡料机械手部分结构示意图；

图6为本发明旋转点卡料机械手部分结构示意图的左视图。

具体实施方式

旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置，由底座5、传感器10、金刚石锯绳6、气动张紧轮2、工作滚轮3、直流伺服电机13、二维夹具机构9组成。二维夹具机构9由旋转机械手11及步进电机12组成，Y轴移动平台21上连接有水平角度调整转台20，水平角度调整转台20上连接有垂直角度调整转台22，步进电机12联接在可调支撑板19上，经过旋转轴18与物料夹具16相连。夹具16上设置有夹具套8，夹具套8上装有顶丝15，调整物料的中心位置，夹具的后部装有滚动轴承17。

如图所示：本发明的设计思想，依据材料切削的原理，提出了旋转点接触切割替代面接触切割和其他部件实现最佳组合的提高切割精度的具体解决办法：采用旋转点接触切割，靠二维夹具机构9上的旋转机械手11来实现定向旋转点接触切割，从而降低了切割阻力，保证了切割力的稳定，使锯绳不跑偏，保证切割物料4面形的平面度、平行度；采用立式切割方式，从而加大了Y轴方向的切割空间，实现了台式小型化且能大尺寸切割；采用不定尺使用金刚石锯绳6，从而提高了金刚石锯绳6的使用率，降低了切割成本；采用金刚石锯绳6Z轴方向支撑位置不移动、物料4移动进给切割，从而保证金刚石锯绳6运动不抖晃，加强了切割的稳定性。保证了切割后的片子的平面度和平行度。

结构特点：

切割位置在设备的立式侧面，扩大了切割空间，可切割直径6英寸的材料。气动张紧轮2位置不动，物料4沿X轴方向进给切割。锯绳缠绕筒1安装在设备的左下方，便于上换锯绳。

工艺特点：

各部位基础架构(X轴移动平台7、Y轴移动平台21、缠绕往复机构14导轨平台，冷却水盒，四个支撑导轮张紧安装平台)，采用连体铸造后，加工各安装部位基面成为水平、垂直的关系平台。不变形，安装各部件的基础精度高，且不受震动的影响，切割精度高。被切物料4与金刚石锯绳6相互之间的关系是，料沿X轴方向进给，因料的夹具体积小，重量轻，在设计上能较好地解决滑动平台的精度问题，故切割精度高。

技术特点：

在Y轴组合二维夹具上，装有步进电机驱动的旋转机械手11，可实现旋转点接触切割。此时，锯绳支撑气动张紧轮2固定在Z轴立板上不移动，金刚石锯绳6只做往复运转，旋转机械手11及夹持的物料4，沿X轴方向移动，实现旋转点接触切割。因此，切割力是个常数，锯绳不跑偏，保证了切割材料的平面度、平行度要求。

应用特点：

Y轴滑动平台上装有组合二维夹具，水平360度，垂直±15度(同时配合旋转机械手使用)。该组合二维夹具上装Y轴滑轨，调整切割Y向的距离，便是确定切片厚度。更重要的是单晶体切割时，需经X射线定向仪定向后，沿定向位置方向切割，组合二维夹具可把切割位置确定在晶体定向的位置上。切割单晶材料需材料定向后切割，一般角度不能误差6¹，便于材料固定在夹具后沿定向的角度进行调整，切割其它材料也要有角度要求。可调角度和片厚。有循环泵输送液及盛水盒装置，直接输送到物料上，液体回流到水盒中，起到冷却润滑锯绳的作用。

本发明产品的核心技术是一改过去已有的传统面接触切割方式，为旋转点接触切割方式，彻底解决了对SiC超硬材的精密切割(确保平面度、平行度达到用户的技术指标要求)。为保证核心技术实现，还必须采取相关技术措施：确保4个锯绳导轮转动在一条线上；确保缠绕锯绳筒1的往复行程准确、以及该筒的转速均匀；确保X轴进给速度均匀无跳动；确保锯绳气动张力气压稳定；确保放置旋转机械手11回转中心在组合二维夹具上的可调支架中心轴线上；确保滑动平台X、Y轴运动平稳一致等。六个“确保”实施设计时，采用了连体铸造技术、滚珠直线导轨技术、伺服电机控制技术、步进电机细分控制技术、双回路恒压控制技术、三爪联动卡料技术、电磁传感自动停机保护技术等。还要继续完成的技术路线是：为保证切割进给量与切割力达到相匹配，用角度传感器闭环控制锯绳角度变化(即切割力变化)。锯绳角度大于15度时，停止X轴进给，当小于15度时，X轴启动进给，切割速率得以实现。切割状态软件的开发。两种状态模式：预演、实切。可设置锯绳角度、锯绳线速度、机械手放置速度、切割时间、X轴进给量、退出量，Y轴进给量、退出量，气压调整量等。计算机控制，屏幕界面显示。旋转机械手11在切割棒形物料4时用周旋转方式，在切割非棒料时用±15度角度摆切割方式。

本发明所采用的技术：连体铸造技术、直线导轨技术、单板机控制技术、步进电机细分控制技术、电磁传感技术、恒功率输出脉宽调制技术、恒气压双回路控制技术等。

本项目产品的主要性能指标：

整机质量：＝50kg；外形尺寸：700×600×700mm；

步进电机驱动X向工作台行程：170mm；台面跳动＝2μm；无级高速进给速度：0～5mm/min；

千分尺控制Y向工作台行程：50mm；台面跳动＝2μm；

组合二维夹具：水平调整角度：0～360度；垂直调整角度±15度；调整精度：2.5¹；

旋转卡料机械手：自动控制正反向连续运转；无级高速转速：0～120r/min；锯绳线速度0～6m/s。

CNC控制实现对触摸面板、翻页设定LED显示、传感器自动停机保护、平台移动速度、缠绕筒线速度、张紧轮气动调整、开机运转时间、X轴进给退出设定等切割工艺所要求的控制数据管理。

Claims

1.旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置，由底座、传感器、金刚石锯绳、气动张紧轮、工作滚轮、直流伺服电机、二维夹具机构组成，其特征在于所述的二维夹具机构(9)由旋转机械手(11)及步进电机(12)组成，Y轴移动平台(21)上连接有水平角度调整转台(20)，水平角度调整转台(20)上连接有垂直角度调整转台(22)，Y轴移动平台上装有组合二维夹具，组合二维夹具水平调整0～360度，垂直调整±15度；步进电机(12)联接在可调支撑板(19)上，经过旋转轴(18)与物料夹具(16)相连；锯绳支撑气动张紧轮(2)固定在Z轴主板上，金刚石锯绳(6)做往复运转，旋转机械手(11)及夹持的物料(4)，沿X轴方向移动。

2.如权利要求1所述的旋转点切割大尺寸碳化硅晶体装置，其特征在于所述锯绳缠绕筒(1)与传感器(10)相联，气动张紧轮(2)缠绕在锯绳缠绕筒(1)上。