CN107900914A - 蓝宝石水刀切割装置 - Google Patents
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Abstract
一种蓝宝石水刀切割装置，其机箱内侧底面向箱体的废液收集端倾斜，该端底部设有废液收集口，废液收集口下方连有循环过滤系统，在机箱内设有可旋转的工件夹持机构和横向喷射的磨料水射流喷头及其行走机构，在机箱顶部设有抽真空系统，还设有与磨料水射流喷头水平的酸液喷淋系统，使酸液被超高压磨料水射流轰击后高速冲击蓝宝石进行协同的化学加工。现今蓝宝石晶锭越来越大，使切缝不得不越来越深，为了解决磨料水射流能量衰减的问题，本发明将磨料水射流的喷口与蓝宝石工件所处的环境抽真空，从而极大的减少了气阻，有效地提高了切割深度。
Description
技术领域：
本发明涉及加工技术领域，特别涉及一种蓝宝石水刀切割装置。
背景技术：
工业上使用的人工合成蓝宝石为α-Al2O3，除了具有天然蓝宝石的晶莹剔透的视觉美感，它还有许多优良的物理化学性能，如：高硬度(仅次于金刚石)、高熔点(2054℃)、绝缘性好(常温下的电阻率大于1011Ω·cm)、化学稳定性好(常温下不与强酸、碱反应，高温下缓慢反应)等，这些优异的性能加上人工合成蓝宝石成本的低廉，使得其越来越多的被应用到各个领域，包括：LED衬底材料、手机屏、腕表镜面、防弹玻璃、照相机镜头等。
由于蓝宝石极其坚硬，耐划伤，适合用于半导体和LED技术，但玻璃、陶瓷、和蓝宝石有个共同点就是很难加工。它们易碎而且都是非常坚硬的材料，挑战着铣、钻、磨等传统制造工艺的极限，加工这些材料时刀具磨损快，并且需要好几个加工环节才能得到足够好的加工质量。
成本低、效率高的放电(电火花)加工技术已成功用于金属制品加工，但由于蓝宝石绝缘的性质，这种对高硬度、高耐磨材料的加工技术无法应用在蓝宝石上。另外，由于蓝宝石的化学稳定性和耐高温，将常温下化学加工的途径也堵死，即便在高温下，加工效率也非常低。
近年来发展的将激光切割应用到蓝宝石切割上，效果显著，但还有些难以克服的问题，如：对于反光、透光材料，激光难以有效的烧蚀，热量的不均匀导致材料的裂缝等。
发明内容：
鉴于此，有必要设计一种高效且切割效果好的蓝宝石水刀切割装置。
一种蓝宝石水刀切割装置，包括：机箱、工件夹持机构、水刀行走机构、真空泵、计算机控制系统、磨料水射流系统、酸液喷淋系统、循环过滤系统；
机箱包括箱体和顶盖，箱体内侧底面向箱体的废液收集端倾斜，该端底部设有废液收集口，废液收集口下方连有循环过滤系统，在箱体中部设有工件夹持机构，箱体四壁的顶部设有向内侧下倾的台阶，顶盖对应处设有与之对应的台阶，在箱体台阶和顶盖台阶上设有密封橡胶垫，当机箱内部抽真空后，外部气压会迫使顶盖与箱体接触的更紧密，从而有利于密封；顶盖上接有管路，管路另一端与真空泵相连；
工件夹持机构包括：卡爪、托盘、转轴、电机、减速器；卡爪固定在托盘边缘用于固定蓝宝石工件，托盘用于托载蓝宝石工件，转轴上端与托盘中心固定，转轴下端从箱体底部伸出并通过减速器与电机相连，转轴附近的箱体内侧底面向转轴方向隆起以避免固体颗粒在转轴四周淤积；
水刀行走机构包括：横向导轨、纵向导轨、伸缩进给机构；横向导轨水平固定在废液收集端内壁上，纵向导轨垂直设置，纵向导轨的滑动部与横向导轨滑动连接，伸缩进给机构的滑动部与纵向导轨滑动连接，伸缩进给机构的伸缩部上固定有磨料喷嘴和酸液喷头，磨料喷嘴和酸液喷头水平设置，伸缩进给机构的伸缩部可向接近蓝宝石工件的方向伸出；将导轨设置在端壁上是基于以下考虑：蓝宝石晶锭经常需要切段，蓝宝石晶圆经常需要切片，本发明专门用来完成上述两项工作，而不论是蓝宝石晶锭还是蓝宝石晶圆，其直径越来越大，其硬度又非常高，单向切割随着距离的延长、切缝纵深深度的加大，射流能量衰减严重，故需要采用旋转切割，另外，在一般意义上来说，采用固定磨料喷嘴、旋转工件的方式最为方便、稳定；而蓝宝石晶锭越来越大，固定其最好的方式为从下方托起，这样，将导轨和磨料喷嘴设置在侧壁上不但满足上述需要，而且精简了结构，缩小了设备体积，便于抽真空；
另外，绝大部分的磨料水射流会被蓝宝石工件阻挡并反弹，故将磨料喷嘴设置在废液收集端侧壁上有利于废液收集；
计算机控制系统用于控制水刀行走机构动作、托盘旋转，计算机控制系统还用于控制磨料水射流系统的启闭和酸液喷淋系统的启闭及磨料水射流系统射流压力；
磨料水射流系统用于喷射超高压磨料水射流对蓝宝石工件进行切削；磨料水射流系统包括：供水系统、超高压水泵站、高压水路、喷水嘴、磨料储罐、精密喂料机、磨料喷嘴；供水系统为超高压水泵站提供水，超高压水泵站通过高压水路与喷水嘴相连，喷水嘴插入到磨料喷嘴中，喷水嘴与磨料喷嘴腔室联通且喷水嘴喷出方向与磨料喷嘴的喷出方向重合，磨料储罐下部与精密喂料机相连，精密喂料机出料口通过管路与磨料喷嘴腔室联通，超高压水泵站、精密喂料机与计算机控制系统电性连接；
酸液喷淋系统用于在切口处施加酸液，使酸液被超高压磨料水射流轰击后高速冲击蓝宝石进行协同的化学加工；酸液喷淋系统包括：酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头；酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头通过管路依次相连；
循环过滤系统包括：过滤泵、电渗析装置；过滤泵将滤液送入电渗析装置，将滤渣送入磨料储罐，由于箱内洁净且工作时箱内处于密闭状态，故滤渣绝大部分为蓝宝石上切磨下的Al2O3小颗粒，将Al2O3小颗粒作为磨料送入磨料储罐实现利用蓝宝石自身废料切磨的目的，节省了磨料且加工效果好(普通的磨料为石榴石，硬度为7)，电渗析装置处理后的清水流入供水系统，浓缩酸液流入酸液储罐(浓缩酸液中还含有少量AlCl3，不影响使用)；
喷水嘴的出口压力大于330MPa。
优选的，喷水嘴的出口压力为380～420MPa。
优选的，酸液储罐内为10～20％的盐酸。
由于蓝宝石性质异常稳定，故可放心采用超高压射流冲击，同时，由于水压已经远超过阀值，纯水和磨料会引起蓝宝石表面的不稳定性，使常温常压下不与强酸反应的蓝宝石表面变得与酸易于反应，从而进行化学辅助加工。
对于高速物体来说，气阻非常大，并且随着速度不断增加，气阻将变为最大的阻力并急速增加，本发明采用水刀切割蓝宝石，所使用的压力非常大，使喷射出的磨料水射流甚至超过2倍音速，而射流加工都有着一个共同的缺点，即：随着喷口与工件距离增大、切缝深度的加大，能量衰减严重。而现今蓝宝石晶锭越来越大，使切缝不得不越来越深，为了解决磨料水射流能量衰减的问题，本发明将磨料水射流的喷口与蓝宝石工件所处的环境抽真空，从而极大的减少了气阻，有效地提高了切割深度。
附图说明：
附图1是一幅较佳实施方式的蓝宝石水刀切割装置的结构示意图。
附图2是一幅较佳实施方式的磨料水射流系统和循环过滤系统的示意图。
图中：真空泵4、循环过滤系统6、箱体11、顶盖12、废液收集端111、废液收集口112、台阶113、管路13、卡爪21、托盘22、转轴23、电机24、减速器25、蓝宝石工件9、横向导轨31、纵向导轨32、伸缩进给机构33、滑动部321、滑动部331、供水系统51、超高压水泵站52、高压水路53、喷水嘴54、磨料储罐55、精密喂料机56、磨料喷嘴57、酸液储罐71、过滤泵61、电渗析装置62。
具体实施方式：
如附图1、2所示，一种蓝宝石水刀切割装置，包括：机箱、工件夹持机构、水刀行走机构、真空泵4、计算机控制系统、磨料水射流系统、酸液喷淋系统、循环过滤系统6；
机箱包括箱体11和顶盖12，箱体11内侧底面向箱体的废液收集端111倾斜，该端底部设有废液收集口112，废液收集口112下方连有循环过滤系统6，在箱体11中部设有工件夹持机构，箱体11四壁的顶部设有向内侧下倾的台阶113，顶盖12对应处设有与之对应的台阶，在箱体11台阶113和顶盖12台阶上设有密封橡胶垫，当机箱11内部抽真空后，外部气压会迫使顶盖12与箱体11接触的更紧密，从而有利于密封；顶盖12上接有管路13，管路13另一端与真空泵4相连；
工件夹持机构包括：卡爪21、托盘22、转轴23、电机24、减速器25；卡爪21固定在托盘22边缘用于固定蓝宝石工件9，托盘22用于托载蓝宝石工件9，转轴23上端与托盘22中心固定，转轴23下端从箱体11底部伸出并通过减速器25与电机24相连，转轴23附近的箱体内侧底面向转轴方向隆起以避免固体颗粒在转轴23四周淤积，造成堵塞；
水刀行走机构包括：横向导轨31、纵向导轨32、伸缩进给机构33；横向导轨31水平固定在废液收集端111内壁上，纵向导轨32垂直设置，纵向导轨32的滑动部321与横向导轨31滑动连接，伸缩进给机构33的滑动部331与纵向导轨32滑动连接，伸缩进给机构33的伸缩部上固定有磨料喷嘴57和酸液喷头，磨料喷嘴57和酸液喷头水平设置，伸缩进给机构33的伸缩部可向接近蓝宝石工件9的方向伸出；将导轨设置在端壁上是基于以下考虑：蓝宝石晶锭经常需要切段，蓝宝石晶圆经常需要切片，本发明专门用来完成上述两项工作，而不论是蓝宝石晶锭还是蓝宝石晶圆，其直径越来越大，其硬度又非常高，单向切割随着距离的延长、切缝纵深深度的加大，射流能量衰减严重，故需要采用旋转切割，另外，在一般意义上来说，采用固定磨料喷嘴、旋转工件的方式最为方便、稳定；而蓝宝石晶锭越来越大，固定其最好的方式为从下方托起，这样，将导轨和磨料喷嘴设置在侧壁上不但满足上述需要，而且精简了结构，缩小了设备体积，便于抽真空；
另外，绝大部分的磨料水射流会被蓝宝石工件9阻挡并反弹，故将磨料喷嘴57设置在废液收集端111侧壁上有利于废液收集；
计算机控制系统用于控制水刀行走机构动作、托盘22旋转，计算机控制系统还用于控制磨料水射流系统的启闭和酸液喷淋系统的启闭及磨料水射流系统射流压力；
磨料水射流系统用于喷射超高压磨料水射流对蓝宝石工件9进行切削；磨料水射流系统包括：供水系统51、超高压水泵站52、高压水路53、喷水嘴54、磨料储罐55、精密喂料机56、磨料喷嘴57；供水系统51为超高压水泵站52提供水，超高压水泵站52通过高压水路53与喷水嘴54相连，喷水嘴54插入到磨料喷嘴57中，喷水嘴54与磨料喷嘴57腔室联通且喷水嘴54喷出方向与磨料喷嘴57的喷出方向重合，磨料储罐55下部与精密喂料机56相连，精密喂料机56出料口通过管路与磨料喷嘴57腔室联通，超高压水泵站52、精密喂料机56与计算机控制系统电性连接；
酸液喷淋系统用于在切口处施加酸液，使酸液被超高压磨料水射流轰击后高速冲击蓝宝石进行协同的化学加工；酸液喷淋系统包括：酸液储罐71、隔膜泵、酸液喷头；酸液储罐71、隔膜泵、酸液喷头通过管路依次相连；
循环过滤系统6包括：过滤泵61、电渗析装置62；过滤泵61将滤液送入电渗析装置62，将滤渣送入磨料储罐55，由于箱内洁净且工作时箱内处于密闭状态，故滤渣绝大部分为蓝宝石上切磨下的Al2O3小颗粒，将Al2O3小颗粒作为磨料送入磨料储罐55实现利用蓝宝石自身废料切磨的目的，节省了磨料且加工效果好(普通的磨料为石榴石，硬度为7)，电渗析装置62处理后的清水流入供水系统51，浓缩酸液流入酸液储罐71(浓缩酸液中还含有少量AlCl3，不影响使用)；
喷水嘴54的出口压力大于330MPa。
在本实施方式中，喷水嘴54的出口压力为380～420MPa。
在本实施方式中，酸液储罐71内为10～20％的盐酸。
Claims (3)
1.一种蓝宝石水刀切割装置，其特征在于，包括：机箱、工件夹持机构、水刀行走机构、真空泵、计算机控制系统、磨料水射流系统、酸液喷淋系统、循环过滤系统；
机箱包括箱体和顶盖，箱体内侧底面向箱体的废液收集端倾斜，该端底部设有废液收集口，废液收集口下方连有循环过滤系统，在箱体中部设有工件夹持机构，箱体四壁的顶部设有向内侧下倾的台阶，顶盖对应处设有与之对应的台阶，在箱体台阶和顶盖台阶上设有密封橡胶垫，顶盖上接有管路，管路另一端与真空泵相连；
工件夹持机构包括：卡爪、托盘、转轴、电机、减速器；卡爪固定在托盘边缘用于固定蓝宝石工件，托盘用于托载蓝宝石工件，转轴上端与托盘中心固定，转轴下端从箱体底部伸出并通过减速器与电机相连，转轴附近的箱体内侧底面向转轴方向隆起以避免固体颗粒在转轴四周淤积；
水刀行走机构包括：横向导轨、纵向导轨、伸缩进给机构；横向导轨水平固定在废液收集端内壁上，纵向导轨垂直设置，纵向导轨的滑动部与横向导轨滑动连接，伸缩进给机构的滑动部与纵向导轨滑动连接，伸缩进给机构的伸缩部上固定有磨料喷嘴和酸液喷头，磨料喷嘴和酸液喷头水平设置，伸缩进给机构的伸缩部可向接近蓝宝石工件的方向伸出；
计算机控制系统用于控制水刀行走机构动作、托盘旋转，计算机控制系统还用于控制磨料水射流系统的启闭和酸液喷淋系统的启闭及磨料水射流系统射流压力；
磨料水射流系统用于喷射超高压磨料水射流对蓝宝石工件进行切削；磨料水射流系统包括：供水系统、超高压水泵站、高压水路、喷水嘴、磨料储罐、精密喂料机、磨料喷嘴；供水系统为超高压水泵站提供水，超高压水泵站通过高压水路与喷水嘴相连，喷水嘴插入到磨料喷嘴中，喷水嘴与磨料喷嘴腔室联通且喷水嘴喷出方向与磨料喷嘴的喷出方向重合，磨料储罐下部与精密喂料机相连，精密喂料机出料口通过管路与磨料喷嘴腔室联通，超高压水泵站、精密喂料机与计算机控制系统电性连接；
酸液喷淋系统用于在切口处施加酸液，使酸液被超高压磨料水射流轰击后高速冲击蓝宝石进行协同的化学加工；酸液喷淋系统包括：酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头；酸液储罐、隔膜泵、酸液喷头通过管路依次相连；
循环过滤系统包括：过滤泵、电渗析装置；过滤泵将滤液送入电渗析装置，将滤渣送入磨料储罐，电渗析装置处理后的清水流入供水系统，浓缩酸液流入酸液储罐；
喷水嘴的出口压力大于330MPa。
2.如权利要求1所述的蓝宝石水刀切割装置，其特征在于，喷水嘴的出口压力为380～420MPa。
3.如权利要求1所述的蓝宝石水刀切割装置，其特征在于，酸液储罐内为10～20％的盐酸。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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