CN105643433A - 一种高效研磨抛光加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效研磨抛光加工装置，包括太阳轮、行星轮和内齿圈，所述行星轮中开设有载物孔，工件置于所述行星轮的载物孔内，所述行星轮分别与所述太阳轮和所述内齿圈相啮合。太阳轮、行星轮、内齿圈三者中至少有一个的节曲线不是正圆形，进而使行星轮中心在绕太阳轮中心公转的同时，沿径向移动，行星轮中心至太阳轮中心的距离e不再是恒量，而是研磨抛光时间t的函数，进而改善研磨抛光轨迹的分布均匀性，达到提高精密超精密研磨抛光加工精度和效率的目的。

Description

一种高效研磨抛光加工装置
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体地是涉及一种使用行星机构的高效研磨抛光加工装置。
背景技术
精密、超精密研磨抛光加工是大规模集成电路、LED、计算机磁盘等产品的重要加工工艺，用于获得平整、光滑的表面。该工艺通常使用修整环式或行星轮式研磨抛光设备进行，前者主要用于单面研磨抛光加工，后者主要用于双面研磨抛光加工。研磨抛光加工的主要工具是研磨盘或抛光垫，研磨盘或抛光垫上散布有游离或固着的磨料。磨料相对于被加工工件的运动轨迹中、磨料与被加工表面实际作用的部分，称为研磨抛光轨迹，显然，研磨抛光轨迹在被加工表面的分布均匀性程度，对加工精度和效率有重要影响。
实际加工中，精密超精密研磨抛光加工设备中有两种较为典型：修整环式和行星轮式研磨抛光设备，在实际生产中均有着广泛的应用。修整环式研磨抛光设备结构示意图如图1所示，修整环15为圆筒形，其中空部分称为载物孔，其外壁与修整环保持架14上的滚动轴承13接触。一个或多个修整环15放置在研磨/抛光垫12上。被加工工件17置于修整环15的载物孔11内，被加工工件17的被加工面朝下与研磨/抛光垫12接触，通过负载16向被加工工件17施加加工压力。研磨抛光加工时，研磨/抛光垫12在电机驱动下，绕自身轴线回转；修整环15在研磨/抛光垫12的摩擦及滚动轴承13的支撑作用下，绕自身轴线回转；被加工工件17在研磨/抛光垫12和修整环15的作用下也做回转运动。
图2所示为修整环式研磨抛光设备的运动分析，工件绕O点以角速度ωh自转，研磨/抛光垫绕O’点以角速度ωp自转，O点与O’点的距离为e。建立坐标系xOy、x’O’y’如图2所示，则研磨/抛光垫上一个磨料点A(rp，φ)相对于工件的运动轨迹，即研磨抛光轨迹为
x＝rpcos[(ωp-ωh)t+φ]-e·cosωht
y＝rpsin[(ωp-ωh)t+φ]+e·sinωht
其中，t为研磨/抛光时间。
行星轮式研磨抛光设备示意图如图3所示，保持架6外圈有齿轮与内齿圈1、太阳轮4啮合，三者构成行星轮系。保持架6上开有与工件5外形相同的孔，工件可置于其中，工件5的厚度较保持架6的厚度略大。研磨抛光加工时，保持架6置于下研磨/抛光垫上，上研磨/抛光垫3与工件5上表面接触，并施加一定的载荷；在太阳轮4的回转作用下，保持架6一方面绕太阳轮4中心公转、另一方面绕自身中心自转，构成行星运动；工件5在保持架6的作用下，相对上研磨/抛光垫和下研磨/抛光垫3运动。
图4所示为行星轮式研磨抛光设备的运动分析，O点为保持架中心，O’点为太阳轮、内齿圈中心。保持架绕O点以角速度ωh自转，同时绕O’点以角速度ωc公转。研磨/抛光垫绕O’点以角速度ωp自转，O点与O’点的距离为e。建立坐标系xOy、x’O’y’如图2所示，则研磨/抛光垫上一个磨料点A(rp，φ)相对于工件的运动轨迹，即研磨抛光轨迹为
x＝rpcos[(ωp-ωh)t+φ]-ecos(ωh-ωc)t
y＝rpsin[(ωp-ωh)t+φ]+esin(ωh-ωc)t
其中，t为研磨/抛光时间。
通过上述分析可知，修整环式和行星轮式研磨抛光设备的研磨轨迹具有相同的数学方程形式，两种轨迹均呈现为摆线型。从研磨轨迹方程可以看出，磨料在研磨抛光垫上的位置(rp，φ)决定研磨抛光轨迹在被加工表面的位置，向径rp决定摆线的大小，极角φ决定摆线的相位。
在研磨抛光盘上所有的有效磨料中，即图2和图4中向径大于小于的磨料点，只有向径为的磨料点经过修整环或行星轮的中心；磨料点的向径与的差值越大，其作用区域离修整环或行星轮的中心越远；所有的磨料点都会对修整环或行星轮的外缘起作用。因此，研磨抛光轨迹在修整环或行星轮表面的整体分布趋势为：由中间至外缘轨迹密度逐渐增加。如果工件置于修整环或行星轮中间，则工件中心去除率低而外缘高；如果工件沿修整环或行星轮圆周布置，则工件一侧去除率低而另一侧去除率高。
根据上述分析，修整环式和行星轮式研磨抛光设备的研磨抛光轨迹分布不均匀，致使研磨抛光加工精度和效率的提高受到限制。
因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。
发明内容
本发明旨在提供一种高效研磨抛光加工装置，其可以改善研磨抛光轨迹的分布均匀性，达到提高精密超精密研磨抛光加工精度和效率的目的。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种高效研磨抛光加工装置，包括：太阳轮、行星轮和内齿圈，其中所述太阳轮、所述行星轮和所述内齿圈三者中至少有一个为非圆齿轮，三者共同构成非圆行星轮机构；所述行星轮中开设有载物孔，工件置于所述行星轮的载物孔内，所述行星轮分别与所述太阳轮和所述内齿圈相啮合。
优选地，所述太阳轮的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种；所述行星轮的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种；所述内齿圈的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种。
优选地，还包括上研磨抛光盘、下研磨抛光盘，其中所述上研磨抛光盘、所述非圆行星轮机构、所述下研磨抛光盘三者自上而下平行设置；工件下表面与所述下研磨抛光盘接触，所述上研磨抛光盘下压于工件上表面。
优选地，还包括加工液供给机构、驱动结构及控制单元。
优选地，所述太阳轮节曲线为高阶椭圆，所述行星轮节曲线为正圆形。
优选地，所述太阳轮节曲线为高阶椭圆，阶数为4，偏心率0.1052，中径154.17mm；所述行星轮节曲线为正圆形，半径为35.27mm。
优选地，所述内齿圈节曲线为高次谐波曲线，所述行星轮节曲线为正圆形。
优选地，所述内齿圈节曲线为高次谐波曲线，阶数为6，幅值系数0.0626，中径534.13mm；所述行星轮节曲线为正圆形，半径85mm。
优选地，所述太阳轮节曲线为正圆形；所述内齿圈节曲线为椭圆形；所述行星轮节曲线为正圆形。
优选地，所述太阳轮节曲线为正圆形，半径50mm；所述内齿圈节曲线为椭圆形，偏心率0.2736，中径346.82mm；所述行星轮节曲线为正圆形，半径63.14mm。
采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：
本发明所述的高效研磨抛光加工装置，太阳轮、行星轮、内齿圈三者中至少有一个的节曲线不是正圆形，进而使行星轮中心在绕太阳轮中心公转的同时，沿径向移动，行星轮中心至太阳轮中心的距离e不再是恒量，而是研磨抛光时间t的函数，进而改善研磨抛光轨迹的分布均匀性，达到提高精密超精密研磨抛光加工精度和效率的目的。
附图说明
图1为修整环式研磨抛光设备的结构示意图；
图1a为图1的原理图；
图2为图1的运动分析图；
图3为行星轮式研磨抛光设备的结构示意图；
图4为图3的运动分析图；
图5为本发明所述的高效研磨抛光加工装置的结构示意图；
图6为图5的研磨抛光轨迹示意图；
图7为常规行星轮式研磨抛光加工装置中一磨料点的研磨抛光轨迹示意图；
图8为一实施例中高效研磨抛光加工装置的结构示意图；
图9为一实施例中高效研磨抛光加工装置的结构示意图；
图10为一实施例中高效研磨抛光加工装置的结构示意图。
其中：1.内齿圈，101.内齿圈节曲线，102.内齿圈回转中心，2.下研磨/抛光垫，3.上研磨/抛光垫，4.太阳轮，401.太阳轮节曲线，402.太阳轮回转中心，5.工件，6.保持架，7.行星轮，701.行星轮节曲线，11.载物孔，12.研磨/抛光垫，13.滚动轴承，14.修整环保持架，15.修整环，16.负载，17.被加工工件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图5所示，为符合本发明的一种高效研磨抛光加工装置，包括：太阳轮4、行星轮7和内齿圈1，其中所述太阳轮4、所述行星轮7和所述内齿圈1三者中至少有一个为非圆齿轮(也叫异型齿轮，区别于传统的圆形齿轮)，即至少一个为非正圆形，三者共同构成非圆行星轮7机构；所述行星轮7中开设有载物孔，工件5置于所述行星轮7的载物孔内，所述行星轮7分别与所述太阳轮4和所述内齿圈1相啮合。
优选地，所述太阳轮4的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种；所述行星轮7的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种；所述内齿圈1的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种。
太阳轮4、行星轮7、内齿圈1三者中至少有一个的节曲线不是正圆形，进而使行星轮7中心在绕太阳轮4中心公转的同时，沿径向移动，行星轮7中心至太阳轮4中心的距离e不再是恒量，而是研磨抛光时间t的函数。例如图7所示，太阳轮4节线为四阶椭圆，假设内齿圈1静止，太阳轮4转动，则行星轮7的运动有三个分量：1)绕太阳轮4中心O的公转运动；2)绕自身中心O’点的自转运动；3)沿O’O直线的径向运动。研磨抛光垫上一磨料点A(rp，φ)的研磨抛光轨迹方程可描述为
x＝rpcos[(ωp-ωh)t+φ]-ecos(ωh-ωc)t
y＝rpsin[(ωp-ωh)t+φ]+esin(ωh-ωc)t
其中，e＝Rz/(1-εcos(nω1-t))，Rz为太阳轮4节线中径，ε为太阳轮4节线偏心率，n为太阳轮4节线阶数，ω1为太阳轮4回转角速度，t为研磨/抛光时间。研磨抛光垫上一磨料点的研磨抛光轨迹如图6所示。
对比常规行星轮7式研磨抛光加工装置的研磨加工轨迹(图7)，可见本发实施例所述的研磨抛光加工装置的研磨抛光轨迹在行星轮7范围内的分布，整体上看更趋于均匀，这将有利于研磨抛光加工精度和效率的提高。
优选地，还包括上研磨抛光盘、下研磨抛光盘，其中所述上研磨抛光盘、所述非圆行星轮7机构、所述下研磨抛光盘三者自上而下平行设置；工件5下表面与所述下研磨抛光盘接触，所述上研磨抛光盘下压于工件5上表面。
优选地，还包括加工液供给机构、驱动结构及控制单元。由于其具体设定本领域技术人员应当知晓，故此处不再赘述。
太阳轮4和内齿圈1中的一个回转、一个固定不动，也可以两者都回转。上下研磨抛光盘可以回转，也可以固定不动。行星轮7可以开多个载物孔，用于装载工件5。适用于双面研磨抛光加工。如果不使用上研磨抛光盘加载，而采用修整环型研磨抛光设备的加载方式，则可用于单面研磨抛光加工。
在一优选实施例中，如图8所示，所述太阳轮节曲线401为高阶椭圆，阶数为4，偏心率0.1052，中径154.17mm；所述行星轮节曲线701为正圆形，半径为35.27mm。太阳轮4回转，内齿圈1固定不动。
在一优选实施例中，如图9所示，所述内齿圈节曲线101为高次谐波曲线，阶数为6，幅值系数0.0626，中径534.13mm；所述行星轮节曲线701为正圆形，半径85mm。太阳轮4固定不动，内齿圈1回转。
在一优选实施例中，如图10所示，所述太阳轮节曲线401为正圆形，半径50mm；所述内齿圈节曲线101为椭圆形，偏心率0.2736，中径346.82mm；所述行星轮节曲线701为正圆形，半径63.14mm。太阳轮4作偏心回转，偏心距为27.53mm。
以上三个实施例只是优选的实施方案，并不排除其他组合，本领域技术人员应当知晓，任何显而易见的形式变化均在本发明的保护范围之内。
本发明所述的高效研磨抛光加工装置，在精密研磨抛光加工过程中，太阳轮回转中心402与修整环或行星轮7的回转中心之间的距离，不是常量，而是随研磨抛光加工时间变化。即将上述研磨抛光轨迹方程中的常量偏心距e，改变为与时间t相关的变量，进而改善研磨抛光轨迹的分布均匀性，达到提高精密超精密研磨抛光加工精度和效率的目的。
本发明的有益效果体现在：
1)研磨抛光轨迹在被加工表面均匀分布，提高了精密超精密研磨抛光加工的精度和效率。
2)研磨抛光垫上同时可放置多个行星轮7，加工多个工件5，且行星轮7的运动由太阳轮4和内齿圈1的啮合传动完成，不需要独立的驱动单元。
3)大尺寸工件5可与放置行星轮7同心放置，有利于缩小设备尺寸，提高设备精度。
4)如果不使用上研磨抛光盘加载，而采用修整环型研磨抛光设备的加载方式，则可用于单面研磨抛光加工。
5)适用于大批量生产。
6)设备结构简单，制造成本低。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高效研磨抛光加工装置，其特征在于，包括：太阳轮、行星轮和内齿圈，其中所述太阳轮、所述行星轮和所述内齿圈三者中至少有一个为非圆齿轮，三者共同构成非圆行星轮机构；所述行星轮中开设有载物孔，工件置于所述行星轮的载物孔内，所述行星轮分别与所述太阳轮和所述内齿圈相啮合。
2.如权利要求1所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述太阳轮的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种；所述行星轮的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种；所述内齿圈的节曲线为高阶椭圆、高次谐波曲线、椭圆形、正圆形中的一种。
3.如权利要求1或2所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：还包括上研磨抛光盘、下研磨抛光盘，其中所述上研磨抛光盘、所述非圆行星轮机构、所述下研磨抛光盘三者自上而下平行设置；工件下表面与所述下研磨抛光盘接触，所述上研磨抛光盘下压于工件上表面。
4.如权利要求1-3任一所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：还包括加工液供给机构、驱动结构及控制单元。
5.如权利要求1-4任一所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述太阳轮节曲线为高阶椭圆，所述行星轮节曲线为正圆形。
6.如权利要求5所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述太阳轮节曲线为高阶椭圆，阶数为4，偏心率0.1052，中径154.17mm；所述行星轮节曲线为正圆形，半径为35.27mm。
7.如权利要求1-4任一所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述内齿圈节曲线为高次谐波曲线，所述行星轮节曲线为正圆形。
8.如权利要求7所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述内齿圈节曲线为高次谐波曲线，阶数为6，幅值系数0.0626，中径534.13mm；所述行星轮节曲线为正圆形，半径85mm。
9.如权利要求1-4任一所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述太阳轮节曲线为正圆形；所述内齿圈节曲线为椭圆形；所述行星轮节曲线为正圆形。
10.如权利要求9所述的高效研磨抛光加工装置，其特征在于：所述太阳轮节曲线为正圆形，半径50mm；所述内齿圈节曲线为椭圆形，偏心率0.2736，中径346.82mm；所述行星轮节曲线为正圆形，半径63.14mm。
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