CN105127879B - 龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机及研磨抛光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机及研磨抛光的方法。目前在蓝宝石晶片生产加工中采用悬臂式双面研磨抛光机，该设备结构复杂，维修困难，在研磨抛光过程中，由于上下研磨盘的之间相对运动，容易导致悬臂结构左右晃动。本发明组成包括：箱体和底板系统（5），箱体和底板系统内部安装有动力传动系统（4），箱体和底板系统上平面安装有升降支撑系统（1），升降支撑系统顶部安装有液压系统（6），液压系统前端通过连接轴与研磨轴承（7）连接，研磨轴承下方安装有上研磨系统（2），动力传动系统分别通过传动带与电机A（38）、电机B（30）、电机C（29）、电机D（37）连接。本发明用于龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机。

Description

龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机及研磨抛光的方法

技术领域：

本发明涉及抛光机领域，具体涉及一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机及研磨抛光的方法。

背景技术：

蓝宝石硬度高且脆性大，对蓝宝石晶片双面进行表面的研磨抛光加工非常困难，目前在蓝宝石晶片实际生产加工过程中采用的是悬臂式双面研磨抛光机，该设备结构复杂，维修困难，在研磨抛光过程中，由于上下研磨盘的之间相对运动，容易导致悬臂结构左右晃动。特别是在研磨高硬度材料时，需要施加较大的加工载荷，这种晃动更加明显，甚至出现了上研磨盘“翻车”现象，造成了不必要的损失，本产品龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机的研制，正是针对原有的悬臂式研磨机左右的晃动情况做了改进，如果采用角钢，由于其结构不对称，容易产生扭曲，采用工字钢则不够美观大方，为了兼顾稳定性以及美观等因素，拟采用槽钢，龙门结构的两个立柱与床身之间以及立柱与横梁之间都采用焊接方式进行连接，以增加结构强度。这样的改进之后稳定的床身结构良好的保证了研磨和抛光过程的稳定性，同时可以保证上下跑光盘的同轴度和平行度在0.02mm以内，大、小齿圈的同轴度也平稳地保持在0.02mm以内，这样极大地改善了工作过程的平稳性，生产效率和质量有所保证。

蓝宝石的成分为氧化铝，蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，鉴于以上特性，蓝宝石广泛应用，由于蓝宝石衬底材料的脆性大，硬度高对其进行机械加工已经十分困难，无损伤超光滑表面抛光技术更加复杂，目前为止，化学机械抛光是获得无损伤超光滑蓝宝石晶片表面的最好办法，龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机正是实现这一目标的设备，基于要求本产品研制的双面研磨/抛光机，采用四电机驱动调速，减速机调速，最大程度地满足了抛光过程不同转速的工艺要求，结构方面采用了龙门式的升降支撑结构，兼顾了稳定性和美观性，极大改善了工作状态下床身的平稳性，在结构传动方面，采用大、小齿圈的单独升降驱动，一方面便于取放工件，另一方面避免长时间在同一高度啮合所导致中心轮与齿圈的磨损和寿命的缩短现象，同时该研抛机结构稳定，自动化程度高可以实现人机NT一体控制，基本实现了自动化控制（一人工人师傅即可完成全部操作），由此本产品对于解决蓝宝石晶片加工的高精度和表面平整度要求，推动国内超精密加工技术向着更为可靠、便捷的方向发展。

发明内容：

本发明的目的是提供一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机及研磨抛光的方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，其组成包括：箱体和底板系统，所述的箱体和底板系统内部安装有动力传动系统，所述的箱体和底板系统上平面安装有升降支撑系统，所述的升降支撑系统顶部安装有液压系统，所述的液压系统前端通过连接轴与研磨轴承连接，所述的研磨轴承下方安装有上研磨系统，所述的动力传动系统分别通过传动带与电机A、电机B、电机C、电机D连接。

所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的上研磨系统上方具有上研磨盘，所述的上研磨系统下方是下研磨系统，所述的电机A通过传动带与减速斜齿轮连接，所述的减速斜齿轮分别与下斜齿轮、上斜齿轮啮合，所述的下斜齿轮与变向斜齿轮啮合，所述的变向斜齿轮与主传动下斜齿轮啮合，所述的主传动下斜齿轮与主轴连接，所述的主轴外部安装有研磨盘驱动套，所述的上斜齿轮与外传动斜齿轮啮合，所述的外传动斜齿轮与外传动内套连接，所述的外传动内套与下研磨盘支撑座连接，所述的下研磨盘支撑座与下研磨盘固定。

所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机B通过连接轴与外传动直齿轮连接，所述的外传动直齿轮与直齿轮A啮合，所述的直齿轮与轴承座外座连接，所述的轴承座外座与大齿圈支撑座连接，所述的大齿圈支撑座上方安装有大齿圈。

所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机C通过连接轴与直齿轮B连接，所述的直齿轮B与主轴内传动外套连接，所述的主轴内传动外套与小齿圈连接罩连接，所述的小齿圈连接罩与小齿圈连接。

所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机D通过连接轴与直齿轮C连接，所述的直齿轮C与变向齿轮啮合，所述的变向齿轮与梯形外螺纹直齿轮啮合，所述的梯形外螺纹直齿轮与梯形内螺纹端盖连接，所述的梯形内螺纹端盖分别与外传动基座连接、轴承内座连接，所述的外传动基座连接杆通过螺栓与三角连接杆。

所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机A是11KW，所述的电机B是2.2KW，所述的电机C是1.5KW，所述的电机D是0.75KW。

一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机及研磨抛光的方法。该方法包括如下步骤：首先是研磨方法，上研磨系统的工作压力和支撑均有升降支撑系统的液压系统控制，确保上研磨盘的压力准确地作用在下研磨盘上，同时动力传动系统由四电机驱动，上下研磨盘均是由主电机A通过带传动分别由上研磨盘驱动套和下研磨盘支撑座带动上、下研磨盘以一定速比相反方向运转，与此同时电机B和电机C通过齿轮传动分别带动大齿圈支撑座和小齿圈连接罩分别驱动大、小齿圈工作，以保证工件周边在研磨中的均匀性；

升降支撑系统，以焊接件支撑立柱和上横梁组成的龙门式支撑系统保证了工作台的稳定，确保了机床的同轴度精度在0.02mm以内，同时旋转立柱的配合以方便上研磨盘的取放和安装，通过液压系统可以自动控制施加通过研磨轴承作用到上研磨系统的作用力，以维持研磨过程的稳定性；

动力传动系统，研磨过程的主传动由电机A通过皮带传动带动减速机斜齿轮并由此分别传动驱动上研磨盘驱动套带动上研磨盘和下研磨盘支撑座带动下研磨盘，以此保证上、下研磨盘以一定速比反向运转，从传动分别由电机B带动大齿圈支撑座从而驱动大齿圈转动电机C带动小齿圈连接罩从而驱动小齿圈转动，由此调节大、小齿圈的速比，电机D通过螺纹配合分别带动主轴内传动外套和大齿圈支撑座，从而保证大、小齿圈的同时升降；

研磨系统可分为上、下研磨系统，上研磨系统的上研磨盘正是由升降支撑系统施加的作用力作用在下研磨盘上并且通过传动系统电机A带传动的驱动上研磨盘驱动套带动转动，同时下研磨盘由传动系统的电机A带传动驱动下研磨盘支撑座带动运转，保证了上盘速度=下盘速度1/3，反向运转；

最后是抛光方法，工件置于工装盘中，置于上下抛光盘之间，在主轴和外圈齿轮带动下做绕中心轮做公转运动，同时在上、下抛光盘压力作用下产生自转运动，因此晶片的运动是行星运动自转和公转的合成运动，在内外齿圈、上下盘的不同转速配合下完成表面的抛光处理，同时太阳轮和外齿圈的不同速比，行星轮的正转反转，进而优化抛光过程。

有益效果：

1.本发明是一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，是实现化学机械抛光获得无损伤超光滑蓝宝石晶片表面的最好设备，本产品采用四个电机驱动调速，减速机调速，最大程度地满足了抛光过程不同转速的工艺要求。

本发明在结构方面采用了龙门式的升降支撑结构，兼顾了稳定性和美观性，极大改善了工作状态下床身的平稳性，在结构传动方面，采用大、小齿圈的单独升降驱动，一方面便于取放工件，另一方面避免长时间在同一高度啮合所导致中心轮与齿圈的磨损和寿命的缩短现象。

本发明针对传统的悬臂式研磨机左右的晃动情况进行了改进，克服了传统产品的不足，将箱体和底板系统、升降支撑系统的支撑件采用槽钢，龙门结构的两个立柱与床身之间以及立柱与横梁之间都采用焊接方式进行连接，以增加结构强度，这种结构能够稳定的床身，保证了研磨和抛光过程的稳定性，同时能够将上下跑光盘的同轴度和平行度控制在0.02mm以内，大、小齿圈的同轴度控制在0.02mm以内，这样极大地保证工作过程的平稳性，提高了生产效率及产品质量。

本发明解决蓝宝石晶片加工的高精度和表面平整度要求高难题，推动国内超精密加工技术向着更为可靠、便捷的方向发展。

本发明设备稳定，结构合理，操作和维修方便，自动化程度高，可实现人机NT一体控制，一名工作人员即可完成研磨抛光工作，相比先前以往的机床多人同时作业和维护，极大节省人员成本和设备运行成本。

本发明采用四个变频电动机分别带动上下抛光盘、太阳轮、内齿圈，无级调速，转速最高可达150 r/min，最大转速提高了250%，同时软启动、软停止，使加工平稳可靠、冲击小，保证了上下研磨盘平行度、平面度，大小齿圈的同轴度要求，从而保证了加工过程的平稳性。

本发明的上研磨系统需要较大的拉力，一般轴承无法满足大载荷承重，本产品采用的关节轴承可以承受较大的载荷，同时也可以根据载荷方向的不同承受各个方向的施加载荷，采用关节轴承平稳连接以及液压缸加载系统控制上研磨盘的施载压力，关节轴承的使用可以有效地通过维持和调整上、下盘的平行度以防止翻盘或错盘现象，从而保证了加载的平面度要求并精密控制加载磨削量的大小。

本发明的升降支撑系统采用龙门式结构，结构稳定，支撑立柱与支撑横梁均采用焊接连接，以增加结构强度同时保证了同轴精度在0.02mm以内，保证了加工的平稳性。

本发明结构简单合理，稳定性强，可以明显增加蓝宝石晶片的加工效率达到了66.7%以上，同时也增加了加工精度，大大提高了加工的平稳。

本发明能够使用5个工装，每个工装放置晶片由原来的少于15片加大到了每个工装至少20片蓝宝石晶片，能够达到每台研抛设备日产120片（每台日工作24小时、每片厚度0.5mm，粗糙度小于0.5μm），相比传统的设备每台加工效率提高了66.7%以上，能够实现向蓝宝石晶片高质量供货的能力，创造了良好的经济效益。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是附图1的俯视图。

附图3是附图2中的A-A剖视图。

附图4是附图2中B-B剖视图。

具体实施方式：

实施例1：

一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，其组成包括：箱体和底板系统5，所述的箱体和底板系统内部安装有动力传动系统4，所述的箱体和底板系统上平面安装有升降支撑系统1，所述的升降支撑系统顶部安装有液压系统6，所述的液压系统前端通过连接轴与研磨轴承7连接，所述的研磨轴承下方安装有上研磨系统2，所述的动力传动系统分别通过传动带与电机A38、电机B30、电机C29、电机D37连接。

实施例2：

根据实施例1所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的上研磨系统上方具有上研磨盘8，所述的上研磨系统下方是下研磨系统3，所述的电机A38通过传动带与减速斜齿轮39连接，所述的减速斜齿轮分别与下斜齿轮22、上斜齿轮19啮合，所述的下斜齿轮与变向斜齿轮21啮合，所述的变向斜齿轮与主传动下斜齿轮20啮合，所述的主传动下斜齿轮与主轴12连接，所述的主轴外部安装有研磨盘驱动套13，所述的上斜齿轮与外传动斜齿轮18啮合，所述的外传动斜齿轮与外传动内套17连接，所述的外传动内套与下研磨盘支撑座10连接，所述的下研磨盘支撑座与下研磨盘9固定。

实施例3：

根据实施例1所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机B通过连接轴与外传动直齿轮31连接，所述的外传动直齿轮与直齿轮A32啮合，所述的直齿轮与轴承座外座24连接，所述的轴承座外座与大齿圈支撑座23连接，所述的大齿圈支撑座上方安装有大齿圈16。

实施例4：

根据实施例1所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机C通过连接轴与直齿轮B28连接，所述的直齿轮B与主轴内传动外套11连接，所述的主轴内传动外套与小齿圈连接罩14连接，所述的小齿圈连接罩与小齿圈15连接。

实施例5：

根据实施例1所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机D通过连接轴与直齿轮C36连接，所述的直齿轮C与变向齿轮35啮合，所述的变向齿轮与梯形外螺纹直齿轮34啮合，所述的梯形外螺纹直齿轮与梯形内螺纹端盖33连接，所述的梯形内螺纹端盖分别与外传动基座连接杆26、轴承内座25连接，所述的外传动基座连接杆通过螺栓与三角连接杆27。

实施例6：

根据实施例1所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机，所述的电机A是11KW，所述的电机B是2.2KW，所述的电机C是1.5KW，所述的电机D是0.75KW。

实施例7：

一种利用实施例1-6所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机的研磨/抛光方法，本方法是：首先是研磨方法，上研磨系统的工作压力和支撑均有升降支撑系统的液压系统控制，确保上研磨盘的压力准确地作用在下研磨盘上，同时动力传动系统由四电机驱动，上下研磨盘均是由主电机A通过带传动分别由上研磨盘驱动套和下研磨盘支撑座带动上、下研磨盘以一定速比相反方向运转，与此同时电机B和电机C通过齿轮传动分别带动大齿圈支撑座和小齿圈连接罩分别驱动大、小齿圈工作，以保证工件周边在研磨中的均匀性；

升降支撑系统，以焊接件支撑立柱和上横梁组成的龙门式支撑系统保证了工作台的稳定，确保了机床的同轴度精度在0.02mm以内，同时旋转立柱的配合以方便上研磨盘的取放和安装，通过液压系统可以自动控制施加通过研磨轴承作用到上研磨系统的作用力，以维持研磨过程的稳定性；

动力传动系统，研磨过程的主传动由电机A通过皮带传动带动减速机斜齿轮并由此分别传动驱动上研磨盘驱动套带动上研磨盘和下研磨盘支撑座带动下研磨盘，以此保证上、下研磨盘以一定速比反向运转，从传动分别由电机B带动大齿圈支撑座从而驱动大齿圈转动电机C带动小齿圈连接罩从而驱动小齿圈转动，由此调节大、小齿圈的速比，电机D通过螺纹配合分别带动主轴内传动外套和大齿圈支撑座，从而保证大、小齿圈的同时升降；

研磨系统可分为上、下研磨系统，上研磨系统的上研磨盘正是由升降支撑系统施加的作用力作用在下研磨盘上并且通过传动系统电机A带传动的驱动上研磨盘驱动套带动转动，同时下研磨盘由传动系统的电机A带传动驱动下研磨盘支撑座带动运转，保证了上盘速度=下盘速度1/3，反向运转；

最后是抛光方法，工件置于工装盘中，置于上下抛光盘之间，在主轴和外圈齿轮带动下做绕中心轮做公转运动，同时在上、下抛光盘压力作用下产生自转运动，因此晶片的运动是行星运动自转和公转的合成运动，在内外齿圈、上下盘的不同转速配合下完成表面的抛光处理，同时太阳轮和外齿圈的不同速比，行星轮的正转反转，进而优化抛光过程。

实施例8：

根据实施例1-7所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨/抛光机的工作原理：电机A通过皮带传动带动减速机斜齿轮，从而由减速机斜齿轮分别带动一级斜齿轮下斜齿轮和一级斜齿轮上斜齿轮，一级斜齿轮下斜齿轮通过变向斜齿轮带动主动内传动下斜齿轮从而驱动主轴转动，再经过上研磨盘驱动套带动上研磨盘转动，一级斜齿轮上斜齿轮通过主轴外传动斜齿轮驱动外传动内套，从而带动下研磨盘支撑座驱动下研磨盘转动；

电机B带动外传动直齿轮带动轴承座外座，经轴承外座带动大齿圈支撑座，从而驱动大齿圈转动，电机C通过带动直齿轮传递给主轴内传动外套，再由主轴内传动外套驱动小齿圈连接罩从而带动小齿圈转动，

电机D通过直齿轮到变向齿轮再到梯形外螺纹直齿轮驱动梯形内螺纹端盖，再由梯形内螺纹端盖分别带动外传动基座连接杆和轴承内座，以保证外传动基座连接杆带动三角连接杆从而带动主轴内传动外套驱动小齿圈升降，同时轴承内座带动轴承外座带动大齿圈支撑座驱动大齿圈同时升降；

如上述的上研磨盘驱动套带动上研磨盘转动，上研磨系统连接杆连接上研磨盘并根据加工需要施加载荷，升降驱动装置是由升降支撑系统的液压系统通过自动控制输出，经过测力仪的测试施加载荷大小传递给研磨轴承系统来分配给上研磨连接杆作用力，从而确保了上研磨盘的施加载荷精密准确的作用在下研磨盘上，如上述升降支撑系统的液压系统位于横梁之上，横梁与支撑立柱采用的是焊接方式连接，以确保了工作台的稳定性。同时本工作台的一侧立柱采用的是旋转立柱，可以做360度平面的旋转，这样的设计为了方便上、下研磨盘的取放，加大了研抛机的工作便捷性，极大节省了调整时间。

Claims (1)

1.一种龙门式蓝宝石晶片双面研磨 / 抛光机，其组成包括：箱体和底板系统，其特征是：所述的箱体和底板系统内部安装有动力传动系统，所述的箱体和底板系统上平面安装有升降支撑系统，所述的升降支撑系统顶部安装有液压系统，所述的液压系统前端通过连接轴与研磨轴承连接，所述的研磨轴承下方安装有上研磨系统，所述的动力传动系统分别通过传动带与电机 A、电机 B、电机 C、电机 D连接；

所述的上研磨系统上方具有上研磨盘，所述的上研磨系统下方是下研磨系统，所述的电机 A 通过传动带与减速斜齿轮连接，所述的减速斜齿轮分别与下斜齿轮、上斜齿轮啮合，所述的下斜齿轮与变向斜齿轮啮合，所述的变向斜齿轮与主传动下斜齿轮啮合，所述的主传动下斜齿轮与主轴连接，所述的主轴外部安装有研磨盘驱动套，所述的上斜齿轮与外传动斜齿轮啮合，所述的外传动斜齿轮与外传动内套连接，所述的外传动内套与下研磨盘支撑座连接，所述的下研磨盘支撑座与下研磨盘固定；

所述的电机 B 通过连接轴与外传动直齿轮连接，所述的外传动直齿轮与直齿轮 A 啮合，所述的直齿轮与轴承座外座连接，所述的轴承座外座与大齿圈支撑座连接，所述的大齿圈支撑座上方安装有大齿圈；

所述的电机 C 通过连接轴与直齿轮 B 连接，所述的直齿轮 B 与主轴内传动外套连接，所述的主轴内传动外套与小齿圈连接罩连接，所述的小齿圈连接罩与小齿圈连接；

所述的电机 D 通过连接轴与直齿轮 C 连接，所述的直齿轮 C 与变向齿轮啮合，所述的变向齿轮与梯形外螺纹直齿轮啮合，所述的梯形外螺纹直齿轮与梯形内螺纹端盖连接，所述的梯形内螺纹端盖分别与外传动基座连接、轴承内座连接，所述的外传动基座连接杆通过螺栓与三角连接杆；

所述的电机 A 是 11KW，所述的电机 B 是 2.2KW，所述的电机 C 是 1.5KW，所述的电机 D是 0.75KW；

采用四个变频电动机分别带动上下抛光盘、太阳轮、内齿圈，无级调速，转速最高可达150 r/min，最大转速提高了 250%，同时软启动、软停止；

采用大、小齿圈的单独升降驱动，一方面便于取放工件，另一方面避免长时间在同一高度啮合所导致中心轮与齿圈的磨损和寿命的缩短现象；

采用的关节轴承可以承受较大的载荷，根据载荷方向的不同承受各个方向的施加载荷，采用关节轴承平稳连接以及液压缸加载系统控制上研磨盘的施载压力；

将箱体和底板系统、升降支撑系统的支撑件采用槽钢，龙门结构的两个立柱与床身之间以及立柱与横梁之间都采用焊接方式进行连接，以增加结构强度，

同时将上下跑光盘的同轴度和平行度控制在0.02mm以内，大、小齿圈的同轴度控制在0.02mm以内；

所述的龙门式蓝宝石晶片双面研磨 /抛光机的研磨抛光的方法，该方法包括如下步骤：首先是研磨方法，上研磨系统的工作压力和支撑均有升降支撑系统的液压系统控制，确保上研磨盘的压力准确地作用在下研磨盘上，同时动力传动系统由四电机驱动，上下研磨盘均是由主电机 A 通过带传动分别由上研磨盘驱动套和下研磨盘支撑座带动上、下研磨盘以一定速比相反方向运转，与此同时电机 B 和电机 C 通过齿轮传动分别带动大齿圈支撑座和小齿圈连接罩分别驱动大、小齿圈工作，以保证工件周边在研磨中的均匀性；

升降支撑系统，以焊接件支撑立柱和上横梁组成的龙门式支撑系统保证了工作台的稳定，确保了机床的同轴度精度在 0.02mm 以内，同时旋转立柱的配合以方便上研磨盘的取放和安装，通过液压系统可以自动控制施加通过研磨轴承作用到上研磨系统的作用力，以维持研磨过程的稳定性；动力传动系统，研磨过程的主传动由电机 A 通过皮带传动带动减速机斜齿轮并由此分别传动驱动上研磨盘驱动套带动上研磨盘和下研磨盘支撑座带动下研磨盘，以此保证上、下研磨盘以一定速比反向运转，从传动分别由电机 B 带动大齿圈支撑座从而驱动大齿圈转动电机 C 带动小齿圈连接罩从而驱动小齿圈转动，由此调节大、小齿圈的速比，电机 D 通过螺纹配合分别带动主轴内传动外套和大齿圈支撑座，从而保证大、小齿圈的同时升降；

研磨系统可分为上、下研磨系统，上研磨系统的上研磨盘正是由升降支撑系统施加的作用力作用在下研磨盘上并且通过传动系统电机 A 带传动的驱动上研磨盘驱动套带动转动，同时下研磨盘由传动系统的电机 A 带传动驱动下研磨盘支撑座带动运转，保证了上盘速度 = 下盘速度 1/3，反向运转；最后是抛光方法，工件置于工装盘中，置于上下抛光盘之间，在主轴和外圈齿轮带动下做绕中心轮做公转运动，同时在上、下抛光盘压力作用下产生自转运动，因此晶片的运动是行星运动自转和公转的合成运动，在内外齿圈、上下盘的不同转速配合下完成表面的抛光处理，同时太阳轮和外齿圈的不同速比，行星轮的正转反转，进而优化抛光过程。