CN103192458B - 一种生产石墨热场的方法 - Google Patents

Abstract

一种生产石墨热场的方法，属于石墨热场加工技术领域，包括以下步骤:（一）、在计算机上利用绘图软件进行套裁模拟设计：（二）、内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程：（三）、内导流筒、外导流筒和石墨坩埚的成型加工过程。本发明充分利用石墨原材料，将石墨热场的核心部件的毛坯成套加工出来，材料利用率提高30%以上；避免了石墨原材料在反复装夹过程中发生碰撞破损的现象出现；该方法利用范围不局限于同一套热场的器件，也可以加工不同热场的器件。

Description

一种生产石墨热场的方法

技术领域

本发明属于石墨热场加工技术领域，特别涉及一种生产石墨热场的方法。

背景技术

在单晶硅制备中，需要用到石墨热场器件。在石墨热场器件中核心部件主要有石墨坩埚、内外导流筒等。目前，生产这种石墨热场器件的工艺过程是：选择合适尺寸的石墨材料，然后通过车床、铣床、钻床等机器将其加工到所需形状。

在国内，单晶硅制备行业所用的炉子没有标准化，故与其相配套的石墨热场器件的大小也是不同的。同时，热场有22寸、20寸、18寸等不同的尺寸规格。这就造成了石墨原材料尺寸规格种类繁多，给采购部门带来困扰。而石墨原材料厂家，不可能提供所有尺寸规格的原材料。因此，许多企业往往用尺寸比较大的原材料去生产小的热场器件，即大材小用。这种常规的工艺方法存在的弊端是：切削量大，加工周期长，由此浪费了大量的人力和物料，增加了生产成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种生产石墨热场的方法，在同一套石墨热场中，根据石墨热场器件之间存在套装的关系，利用“套裁”的原理，将所要求的器件在一块石墨热场的原材料上加工出来。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种生产石墨热场的方法，包括以下步骤：

（一）、在计算机上利用绘图软件进行套裁模拟设计：

根据石墨坩埚、外导流筒和内导流筒所要求的尺寸用绘图软件绘出各自的二维图形，然后将石墨坩埚、外导流筒和内导流筒的二维图形套装在一起，根据石墨原材料的高度，调整各个器件之间的间隔距离以及切削量，利用绘图软件标注模拟器件的各部位的尺寸，得到一组用于器件毛坯加工的参数；

（二）、内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程：

1）径向锥面加工：将石墨原材料装夹在卧式车床的卡盘上，根据步骤（一）得到的加工内导流筒毛坯的参数，在石墨原材料的顶部先预留出内导流筒外沿部的高度，然后用固定在小刀架上的倾斜刀具在内导流筒外沿部的下方进行径向切入，沿原材料的一圈切出圆环状的缺口，缺口上部切至内导流筒外沿部与内导流筒的连接处，缺口的高度与步骤（一）设定的内导流筒和外导流筒之间的轴向高度相同；

2）斜向锥面加工：将掏料刀具置于上述缺口处，调整小刀架上掏料刀具的刀杆的角度，使刀杆与轴向的夹角等于内导流筒的锥角的一半，进行斜向切入，切削至步骤（一）设定的内导流筒的底部，斜向切入的宽度与步骤（一）设定的内导流筒和外导流筒之间的径向宽度相同；

 3）中心孔加工及分离：根据内导流筒底部孔的大小，用刀具沿石墨原材料中心向内导流筒的底部加工一个圆柱形的孔，然后选用“L”形刀具在径向方向上沿孔的底部向内导流筒的斜向锥面进行切削加工，切削至步骤2）的斜向锥面加工的位置，完成内导流筒毛坯与石墨原材料之间的分离；

4）根据步骤（一）得到的加工外导流筒毛坯的参数，按照上述步骤1）-3）的方法，完成外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程；

（三）、内导流筒、外导流筒和石墨坩埚的成型加工过程：

将分离后的内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯，按照要求的尺寸进行精细切削和加工，得到所需的内导流筒、外导流筒和石墨坩埚。

所述步骤（一）中利用绘图软件模拟同一套热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件。

所述步骤（一）中利用绘图软件模拟不同热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件。

径向锥面的切削过程中，车床的转速ν1=80-100r/min，倾斜刀具的进给量d1=0.28mm/min；斜向锥面的切削过程中，车床的转速ν2=60-80r/min，掏料刀具的进给量d2=0.65mm/min；两器件分离加工的过程中，车床的转速ν3=10-25r/min，“L”形刀具的进给量d3=0.28mm/min。

所述步骤（二）中的倾斜刀具的刀头为倾斜设置，刀头与轴向的夹角等于内导流筒的锥角的一半。

所述步骤（二）中的掏料刀具包含刀柄、刀杆和刀头，刀柄长于刀杆，且刀柄一端的端面设为斜面，刀杆杆身一端与刀柄的斜面固定连接，且固定连接后的刀杆和刀柄之间的夹角为95-105°，刀杆杆身的另一端设有刀头，且刀头的刀锋与刀柄的轴线平行。

所述的掏料刀具由一组不同的尺寸的刀具组成，其中掏料刀具的刀杆尺寸分别为100mm，140mm，180mm，220mm，260mm和300mm。

有益效果：本发明所述的加工方法，（1）充分利用石墨原材料，将石墨热场的核心部件的毛坯成套加工出来，材料利用率提高30%以上；（2）避免了石墨原材料在反复装夹过程中发生碰撞破损的现象出现；（3）该方法利用范围不局限于同一套热场的器件，可以加工不同热场的器件；（4）用电脑软件模拟出满足加工要求的器件，只要能进行“套裁”组合，此法均可行；（5）加工过程中先对石墨原材料进行径向锥面加工，是为后续使用掏料刀具沿斜向锥面加工提供切入的空间；（6）针对不同的切削过程，使用不同的刀具，能更有效的利用石墨原材料，节省了生产成本。

附图说明

图1为热场中坩埚以及内外导流筒的装配关系示意图；

图2为“套裁”工艺设计示意图；

图3为“套裁”原料原理示意图；

图4为径向锥面加工示意图；

图5为斜向锥面加工示意图；

图6为分离加工示意图；

图7为内导流筒分离的工艺流程图；

图8为外导流筒分离的工艺流程图。

图中标记为：1、石墨坩埚，2、外导流筒，3、内导流筒，4、外导流筒外沿部，5、内导流筒外沿部，6、径向锥面，7、倾斜刀具，8、斜向锥面，9、掏料刀具，10、“L”形刀具；

图2中的标记为：B1 、B2分别表示外导流筒和坩埚之间、内导流筒和外导流筒之间的径向宽度，B3、B4分别表示外导流筒和内导流筒径向锥面加工时缺口上部的径向切削量，D1、D2分别表示内导流筒和外导流筒底部的外半径，H为材料的总高度，H1表示石墨坩埚毛坯高度，H2、H3分别表示外导流筒和石墨坩埚之间、内导流筒和外导流筒之间的轴向高度，H4、H5分别表示外导流筒和内导流筒斜向锥面加工时掏料刀具的斜向切削长度，H6、H7分别表示内导流筒和外导流筒的中心孔的深度，H8、H9分别表示内导流筒与外导流筒的端口直径，α为内导流筒的锥角，β为外导流筒的锥角。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

（一）、在计算机上利用绘图软件进行套裁模拟设计：

如图所示，根据厂家要求的18寸石墨热场，石墨坩埚1的外径D=496mm，选择原材料的规格为Φ510mm×562mm，内导流筒外沿部5和外导流筒外沿部4的高度均为10mm。根据石墨坩埚1、外导流筒2和内导流筒3所要求的尺寸用绘图软件绘出各自的二维图形，然后将石墨坩埚1、外导流筒2和内导流筒3的二维图形套装在一起，根据石墨原材料的高度，调整各个器件之间的间隔距离以及切削量，利用绘图软件标注模拟器件的各部位的尺寸，得到一组用于器件毛坯加工的参数；如表1所示：

表1 18寸石墨热场加工工艺参数（单位mm）

材料	B1	B2	B3	B4	D1	D2	H	H1	H2
										规格	19.1	12	36	44	145	175	562	342	90
Φ510×	H3	H4	H5	H6	H7	H8	H9	α	β
										562	95	207.2	193.8	284	400	422	438	26°	17°

（二）、内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程：

1）径向锥面6加工：将石墨原材料装夹在CW61125B卧式车床的卡盘上，根据步骤（一）得到的加工内导流筒毛坯的参数，在石墨原材料的顶部先预留出10mm的内导流筒外沿部5的高度，用固定在小刀架上的倾斜刀具7在内导流筒外沿部5的下方进行径向切入，沿原材料的一圈切出圆环状的缺口，缺口上部切至内导流筒外沿部5与内导流筒3的连接处，缺口的高度与步骤（一）设定的内导流筒3和外导流筒2之间的轴向高度H3相同，缺口上部的径向切削量为B4；径向锥面6的切削过程中，车床的转速ν1=80r/min，倾斜刀具7的进给量d1=0.28mm/min，倾斜刀具7的刀头与轴向的夹角等于内导流筒3的锥角α的一半；

2）斜向锥面8加工：将掏料刀具9置于上述缺口处，调整小刀架上掏料刀具9的刀杆的角度，使刀杆与轴向的夹角等于内导流筒3的锥角α的一半，进行斜向切入，切削至步骤（一）设定的内导流筒3的底部，斜向切入的宽度与步骤（一）设定的内导流筒3和外导流筒2之间的径向宽度B2相同，斜向切削长度达到参数值H5；斜向锥面8的切削过程中，依次用刀杆尺寸为100mm，140mm，180mm，220mm的掏料刀具9进行切削，车床的转速ν2=80r/min，掏料刀具9的进给量d2=0.65mm/min；

 3）中心孔加工及分离：根据内导流筒3底部孔的大小，用刀具沿石墨原材料中心向内导流筒3的底部加工一个圆柱形的孔，加工深度值为H6，然后选用“L”形刀具10在径向方向上沿孔的底部向内导流筒3的斜向锥面8进行切削加工，切削至步骤2）的斜向锥面8加工的位置，完成内导流筒毛坯与石墨原材料之间的分离，内导流筒毛坯将要分离出来时要用支架托住；两器件分离加工的过程中，车床的转速ν3=25r/min，“L”形刀具10的进给量d3=0.28mm/min；

4）根据步骤（一）得到的加工外导流筒毛坯的参数，按照上述步骤1）-3）的方法，完成外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程；

（三）、内导流筒3、外导流筒2和石墨坩埚1的成型加工过程：

将分离后的内外导流筒毛坯和石墨坩埚的毛坯，按照要求的尺寸进行精细切削和加工，得到所需的内导流筒3、外导流筒2和石墨坩埚1。

所述步骤（一）中利用绘图软件可模拟同一套热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件；也可模拟不同热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件。

所述步骤（二）中的掏料刀具9包含刀柄、刀杆和刀头，刀柄长于刀杆，且刀柄一端的端面设为斜面，刀杆杆身一端与刀柄的斜面固定连接，且固定连接后的刀杆和刀柄之间的夹角为95-105°，刀杆杆身的另一端设有刀头，且刀头的刀锋与刀柄的轴线平行。

实施例2：

（一）、在计算机上利用绘图软件进行套裁模拟设计：

如图所示，根据厂家要求的20寸石墨热场，石墨坩埚1的外径D=544mm，选择原材料的规格为Φ560mm×605mm，内导流筒外沿部5和外导流筒外沿部4的高度均为13mm。根据石墨坩埚1、外导流筒2和内导流筒3所要求的尺寸用绘图软件绘出各自的二维图形，然后将石墨坩埚1、外导流筒2和内导流筒3的二维图形套装在一起，根据石墨原材料的高度，调整各个器件之间的间隔距离以及切削量，利用绘图软件标注模拟器件的各部位的尺寸，得到一组用于器件毛坯加工的参数；如表2所示：

表2 20寸石墨热场加工工艺参数（单位mm）

材料	B1	B2	B3	B4	D1	D2	H	H1	H2
										规格	25.5	24	44.6	61.2	122.8	187.7	605	400	87
Φ560×	H3	H4	H5	H6	H7	H8	H9	α	β
										605	92	269.5	279.8	360	462	437.6	470.8	30°	15°

（二）、内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程：

1）径向锥面6加工：将石墨原材料装夹在CW61125B卧式车床的卡盘上，根据步骤（一）得到的加工内导流筒毛坯的参数，在石墨原材料的顶部先预留出13mm的内导流筒外沿部5的高度，用固定在小刀架上的倾斜刀具7在内导流筒外沿部5的下方进行径向切入，沿原材料的一圈切出圆环状的缺口，缺口上部切至内导流筒外沿部5与内导流筒3的连接处，缺口的高度与步骤（一）设定的内导流筒3和外导流筒2之间的轴向高度H3相同，缺口上部的径向切削量为B4；径向锥面6的切削过程中，车床的转速ν1=100r/min，倾斜刀具7的进给量d1=0.28mm/min，倾斜刀具7的刀头与轴向的夹角等于内导流筒3的锥角α的一半；

2）斜向锥面8加工：将掏料刀具9置于上述缺口处，调整小刀架上掏料刀具9的刀杆的角度，使刀杆与轴向的夹角等于内导流筒3的锥角α的一半，进行斜向切入，切削至步骤（一）设定的内导流筒3的底部，斜向切入的宽度与步骤（一）设定的内导流筒3和外导流筒2之间的径向宽度B2相同，斜向切削长度达到参数值H5；斜向锥面8的切削过程中，依次用刀杆尺寸为100mm，140mm，180mm，220mm，260mm，300mm的掏料刀具9进行切削，车床的转速ν2=60r/min，掏料刀具9的进给量d2=0.65mm/min；

 3）中心孔加工及分离：根据内导流筒3底部孔的大小，用刀具沿石墨原材料中心向内导流筒3的底部加工一个圆柱形的孔，加工深度值为H6，然后选用“L”形刀具10在径向方向上沿孔的底部向内导流筒3的斜向锥面8进行切削加工，切削至步骤2）的斜向锥面8加工的位置，完成内导流筒毛坯与石墨原材料之间的分离，内导流筒毛坯将要分离出来时要用支架托住；两器件分离加工的过程中，车床的转速ν3=10r/min，“L”形刀具10的进给量d3=0.28mm/min；

4）根据步骤（一）得到的加工外导流筒毛坯的参数，按照上述步骤1）-3）的方法，完成外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程；

（三）、内导流筒3、外导流筒2和石墨坩埚1的成型加工过程：

将分离后的内外导流筒毛坯和石墨坩埚的毛坯，按照要求的尺寸进行精细切削和加工，得到所需的内导流筒3、外导流筒2和石墨坩埚1。

所述步骤（一）中可利用绘图软件模拟同一套热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件；也可模拟不同热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件。

所述步骤（二）中的掏料刀具9包含刀柄、刀杆和刀头，刀柄长于刀杆，且刀柄一端的端面设为斜面，刀杆杆身一端与刀柄的斜面固定连接，且固定连接后的刀杆和刀柄之间的夹角为95-105°，刀杆杆身的另一端设有刀头，且刀头的刀锋与刀柄的轴线平行。

Claims (7)

1.一种生产石墨热场的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（一）、在计算机上利用绘图软件进行套裁模拟设计：

根据石墨坩埚、外导流筒和内导流筒所要求的尺寸用绘图软件绘出各自的二维图形，然后将石墨坩埚、外导流筒和内导流筒的二维图形套装在一起，根据石墨原材料的高度，调整各个器件之间的间隔距离以及切削量，利用绘图软件标注模拟器件的各部位的尺寸，得到一组用于器件毛坯加工的参数；

（二）、内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程：

1）径向锥面加工：将石墨原材料装夹在卧式车床的卡盘上，根据步骤（一）得到的加工内导流筒毛坯的参数，在石墨原材料的顶部先预留出内导流筒外沿部的高度，然后用固定在小刀架上的倾斜刀具在内导流筒外沿部的下方进行径向切入，沿原材料的一圈切出圆环状的缺口，缺口上部切至内导流筒外沿部与内导流筒的连接处，缺口的高度与步骤（一）设定的内导流筒和外导流筒之间的轴向高度相同；

2）斜向锥面加工：将掏料刀具置于上述缺口处，调整小刀架上掏料刀具的刀杆的角度，使刀杆与轴向的夹角等于内导流筒的锥角的一半，进行斜向切入，切削至步骤（一）设定的内导流筒的底部，斜向切入的宽度与步骤（一）设定的内导流筒和外导流筒之间的径向宽度相同；

 3）中心孔加工及分离：根据内导流筒底部孔的大小，用刀具沿石墨原材料中心向内导流筒的底部加工一个圆柱形的孔，然后选用“L”形刀具在径向方向上沿孔的底部向内导流筒的斜向锥面进行切削加工，切削至步骤2）的斜向锥面加工的位置，完成内导流筒毛坯与石墨原材料之间的分离；

4）根据步骤（一）得到的加工外导流筒毛坯的参数，按照上述步骤1）-3）的方法，完成外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯的切削加工过程；

（三）、内导流筒、外导流筒和石墨坩埚的成型加工过程：

将分离后的内外导流筒毛坯和石墨坩埚毛坯，按照要求的尺寸进行精细切削和加工，得到所需的内导流筒、外导流筒和石墨坩埚。

2.根据权利要求1所述的一种生产石墨热场的方法，其特征在于：所述步骤（一）中利用绘图软件模拟同一套热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件。

3.根据权利要求1所述的一种生产石墨热场的方法，其特征在于：所述步骤（一）中利用绘图软件模拟不同热场的石墨器件，得到加工过程中需要的数据，在同一块石墨原材料上生产出所需的器件。

4.根据权利要求1所述的一种生产石墨热场的方法，其特征在于：径向锥面的切削过程中，车床的转速ν1=80-100r/min，倾斜刀具的进给量d1=0.28mm/min；斜向锥面的切削过程中，车床的转速ν2=60-80r/min，掏料刀具的进给量d2=0.65mm/min；两器件分离加工的过程中，车床的转速ν3=10-25r/min，“L”形刀具的进给量d3=0.28mm/min。

5.根据权利要求1所述的一种生产石墨热场的方法，其特征在于：所述步骤（二）中的倾斜刀具的刀头为倾斜设置，刀头与轴向的夹角等于内导流筒的锥角的一半。

6.根据权利要求1所述的一种生产石墨热场的方法，其特征在于：所述步骤（二）中的掏料刀具包含刀柄、刀杆和刀头，刀柄长于刀杆，且刀柄一端的端面设为斜面，刀杆杆身一端与刀柄的斜面固定连接，且固定连接后的刀杆和刀柄之间的夹角为95-105°，刀杆杆身的另一端设有刀头，且刀头的刀锋与刀柄的轴线平行。

7.根据权利要求6所述的一种生产石墨热场的方法，其特征在于：所述的掏料刀具由一组不同的尺寸的刀具组成，其中掏料刀具的刀杆尺寸分别为100mm，140mm，180mm，220mm，260mm和300mm。