CN110170910A - 一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，包括：转轴、电机和刀盘组件；转轴通过气浮轴承配合于壳体内，转轴前端还安装有装夹砂轮薄片的：刀盘座和刀盘盖；转轴通过具有锥度的回转表面来与刀盘座同轴配合以实现第一定位关系；转轴通过轴肩与刀盘座的端面接触配合以实现第二定位关系；且转轴与刀盘座之间以第二定位关系为轴向的限定位基准。刀盘锥孔受力减少，甚至不受力，实用拆卸方便，更加不会产生磨损和拉伤的问题。同时，刀盘安装受轴向压紧力固定，法向受力很小或几乎不受力，所以不会产生扭曲变形，压紧螺母的压紧力变化对刀盘变形影响很小。因此，提高了刀盘的垂直精度和同心度，大大降低了锥面配合的重合精度要求。

Description

一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构

技术领域

本发明涉及高精密切割设备领域,特别是一种提高划片切割精度及切割性能的气浮主轴结构。

背景技术

划片切割机是通过安装在气浮主轴刀盘上的砂轮薄片对物体进行精密划槽、切割。刀盘在气浮主轴上的安装精度和性能及喷水结构对划片切割机的划槽、切割质量影响很大，尤其是晶圆、硅片、LED原件等超精密划切的电子、光学元器件。

目前，现有划片机上气浮主轴和刀盘座是通过采用锥度配额安装来进行定位和切割扭矩的传递，如图4所示，但是该方式的最大缺陷是：

1、固定砂轮薄片的刀盘座锥孔和主轴转轴通过锥面配合，因此其既要保证同心度又要保证端面垂直度。因而仅采用锥面配合使连接刚性和重合精度有了很大的局限性，尤其是在加工、装配过程中很难保证理想配合，因此精度会有一定影响，这种影响是对高精度及高速划切加工尤为致命。

2、刀盘座为了有效传递切割扭矩必须保证锥孔和转轴上锥面配合有较大压紧力，轴向压紧螺母的压紧力大小范围很难控制，压紧力还会受转速离心力和温度影响产生动态变化。压紧力过小传递切割扭矩和刀盘稳定性有问题，过大产生沿法向应力和变形引起刀盘座端面扭曲变形进而引起切割砂轮薄片变形，影响切割质量。

3、刀盘座锥孔受力大、配合紧，在装拆过程中还容易磨损、拉伤和扭曲变形影响精度和使用寿命。

发明内容

本发明的技术方案是：一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，包括划片刀、转轴、电机。转轴通过气浮轴承配合于主轴壳体内，电机则设置于电机壳体内，电机驱动转轴转动。

划片刀盘套装并固定在转轴的前端，转轴的后端与电机的输出轴保持同轴的动力传递。划片刀盘上设有砂轮薄片，在电机的高速转动下，砂轮薄片在工件表面划切出高精度的划槽。

由于在电子工业领域常常需要对一些硬脆非金属材质进行开槽或者切割加工，习惯性的将薄型金刚石砂轮薄片（划片刀）分为：硬刀和软刀两种。软刀即圆环薄片状的砂轮薄片，该种砂轮薄片通过刀盘盖与刀盘座装夹进行固定。而将砂轮薄片与铝合金刀架通过电铸成型组合为一体则称之为硬刀，硬刀通过螺帽压紧安装硬刀盘座上。

以软刀为例，软刀包括：刀盘座、刀盘盖和砂轮薄片。刀盘盖配合套装于刀盘座上并通过螺母来紧固连接，刀盘盖与刀盘座通过回转边缘夹持住砂轮薄片。

刀盘座通过其轴向的中轴孔套装在了转轴的前端，因此刀盘座与转轴之间主要表现为“端面定位”和“锥面定位”两种定位关系。第一、转轴上设置了一个轴肩，刀盘座则通过其后端面与该轴肩的端面进行配合以满足轴向装配的基准限定位。第二、转轴的前端回转表面设置锥度，同时刀盘座的中轴孔也配合相应锥度，在确保与端面定位的尺寸匹配前提下，锥面定位既可以确保同轴关系，也可以配合端面定位实现轴向限位。

在本发明中，锥面定位为第一定位关系，其主要保持同轴配合关系以及装配尺寸的粗定位。端面定位为第二定位关系，转轴与刀盘座之间的配合关系以第二定位关系为基准，本发明中端面定位的精度非常高，轴肩的端面精度可以控制在2μ以内，因此转轴与刀盘座之间的配合更加的精密，传动的稳定性也更加高。当刀盘座通过压紧螺母锁紧时，端面定位的方式可以使得压紧螺母与轴肩之间对刀盘座进行定位夹紧，操作更加方便，这使得安装与拆卸更为灵活。

本发明的优点是：

1、提高了刀盘的垂直精度和同心度，大大降低了锥面配合的重合精度要求。

2、刀盘安装受轴向压紧力固定，法向受力很小或几乎不受力，所以不会产生扭曲变形，压紧螺母的压紧力变化对刀盘变形影响很小。

3、刀盘锥孔受力减少，甚至不受力，实用拆卸方便。更加不会产生磨损和拉伤的问题。

4、刀盘法兰面和轴端面接触面积增大，接触半径增大，因此扭矩增大，刚性更好，压紧螺母的轴向压紧力变化对刀盘变形的影响很小。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是刀盘双定位的划片机气浮主轴结构的横剖图；

图2是图1中双定位处的局部放大图；

图3是刀盘双定位的划切机气浮主轴结构的纵剖图；

图4是传统的划切机气浮主轴结构剖视图；

其中：1、转轴；2、刀盘座；3、刀盘盖；4、砂轮薄片；5、压紧螺母；6、外壳体；7、气浮轴承；8、电机定子线圈；9、流水孔；10、锥面配合；11、端面配合；12、离心出水孔；13、导槽；14、气道；15、进气口；16、止推端；17、法兰盘；18、止推板。

具体实施方式

实施例1：

一种刀盘双定位的划切机气浮主轴结构，其重点在于转轴1与刀盘的定位配合。现有技术中，刀盘座2与转轴1的配合方式仅仅依靠回转式的锥面配合，并通过锥面在径向上的增幅进行限定为。但是，该定位方式有很大局限性。尤其是对于高精度和高速划切加工，锥面和锥孔配合的刚性和重合度都较差。

本实施例中的刀盘定位结构，其中转轴1与刀盘座2采用了双定位的方式，即同时采用锥面配合10和端面配合11。且端面配合11的精度在2µm以内，确保刀盘座2能够获得稳定的转动状态。

具体的表现为：在转轴1包括一个回转的本体，本体前端为刀盘座2的配合端，配合端的回转表面为锥面，该锥面仍然采用1:20的锥度设置，确保其有一个通用的配合锥度，便于各类刀盘的安装替换。

如图1所示，配合端的轴径小于本体的轴径，因此本体与配合端之间经形成了一个轴肩部，该轴肩部的端面即用于端面配合11用。配合时，将刀盘座2的后侧端面与该轴肩的端面进行安装配合。基于端面的高尺寸精度和高平面度，刀盘座1与轴肩的端面配合作为主要的配合基准，而锥面配合用于确保同轴度能够提高转动稳定性。

在配合端的前部套装有一个压紧螺母5，压紧螺母5通过螺纹配合对刀盘座2进行轴向压紧。基于锥面配合的同轴度，压紧螺母5可以将刀盘座2向轴肩压紧，这样确保转轴1与刀盘座2之间以端面配合11为基础。因此，刀盘安装只受轴向压紧力固定，法向受力很小或几乎不受力，所以不会产生扭曲变形，压紧螺母的压紧力变化对刀盘变形影响很小。

在实际装配过程中，在锥面锥度为1:20的前提下使用短锥配合，锥面的轴向长度小于锥孔大端的直径尺寸。锥面长度短，锥度的精度偏差影响就小，这样便于加工，也能够高装配精度，使得拆卸更加方便。

以端面配合为主，减少刀盘锥孔受力，甚至不受力，这样使得拆卸、安装变得更加容易。因此，将会减少甚至不产生锥面之间的摩擦和拉伤问题。

实施例2

刀盘座2与转轴1采用端面定位和锥面定位的双定位方式，转轴1的后端则与交流电机保持同轴的传动。

转轴1套装于主轴壳体中，转轴1通过气浮轴承7与主轴壳体进行配合安装；电机则安装于电机壳体内，转子配合于定子线圈中，定子线圈外部套装水套，水套配合在电机壳体内。

主轴壳体与电机壳体的对接处通过M4的公制螺栓进行连接（分体式外壳设计），因此转轴1的安装精度是通过电机壳体来保证的，两者之间需要精确配合，降低加工和照片误差的影响。

转轴1作为空气主轴，气浮轴承7需要进行保持稳定气压。因此，在主轴壳体和电机壳体内设置了气道14，主轴壳体内的气道与电机壳体内的气道在外壳对接处通过密封件气密连接，气道14上设有一个进气口15（由于设计理念不同，进气口15的位置也不同），气道14沿着转轴的轴向向前延伸。气道14通过一系列分支分别连通至各个气浮轴承7，并从气浮轴承7的轴向和径向上分别提供稳定气压。

如果，电机为交流电机，其发热量较大，主轴外壳在其轴向上会产生材料及装配缝隙的膨胀。因此，转轴1上设置了止推端16，且止推端16位于本体的前端。止推端16为径向突出的回转边缘，止推端16的作用还可以实现轴向的限位固定。转轴1通过气浮轴承7配合于主轴壳体中，气浮轴承7的法兰盘17与主轴外壳的端面彼此平面配合。如图2所示，同时在止推端16的的外侧设置一个止推板18，止推板18通过螺栓及螺孔将止推端16，法兰盘17固定在主轴壳体上。

与交流电机不同，若采用直流电机，由于直流电机发热量较少，因此转轴上的止推端16位于转轴1的中部甚至中部向后位置。这样的话，止推端16可以减少转轴及主轴壳体在轴向上的变量。

实施例3

在实施例2的基础上，为了进一步的解决实施例2中的技术问题，可以将气浮主轴的结构设计为：

1、采用端面和锥面的双定位结构

刀盘座2与转轴1之间的配合以端面配合11为主，锥面配合10为辅。刀盘座2通过其轴向的中轴孔套装在了转轴1的前端，因此刀盘座2与转轴1之间主要表现为：第一、转轴上设置了一个轴肩，刀盘座2则通过其后端面与该轴肩的端面进行配合（即端面配合11）以满足轴向装配的基准限定位。第二、转轴1的前端回转表面设置锥度，同时刀盘座2的中轴孔也配合相应锥度（即锥面配合10），在确保与端面定位的尺寸匹配前提下，锥面定位既可以确保同轴关系，也可以配合端面定位实现轴向限位。

由于端面配合11的精度非常高，端面的加工误差可以控制在2μ以内，因此转轴1与刀盘座2之间的配合更加的精密，传动的稳定性也更加高。当刀盘座2通过压紧螺母5锁紧时，端面配合11的方式可以使得压紧螺母5与轴肩之间对刀盘座2进行定位夹紧，操作更加方便，这使得安装与拆卸更为灵活。

2、采用主轴刀盘内出水（或内处切割液）结构

在转轴1的中心开设有一个沿着轴线方向延伸的流水孔9，流水孔9具有一个用于进水的孔口。同时在转轴1上还开设有径向延伸的离心出水孔12，离心出水孔12可以通往刀盘座2。刀盘座2上同样开设了导槽13，导槽13与离心出水孔12对接，导槽13则通往刀盘座2与刀盘盖3的装夹缝隙。原理是通过向流水孔9喷注冷却水或切削液，冷却水或切削液从离心出水孔12进入导槽13，再由导槽13进入刀盘座2与刀盘盖3的装夹缝隙。此时冷却水或切削液就可以从砂轮薄片4的两侧向外运动，在高速转动的离心力作用下，冷却水或切削液不仅可以带走砂轮薄片4表面的热量，同时可以对砂轮薄片4及划切位置上的碎屑进行冲洗，达到清洗的目的。由于冷却水或切削液是贴着砂轮薄片4流出的，这样既能保持砂轮薄片4清洁还提高切削质量和切削效率。因此，“轴内出水”不但环保，而且大大提高冷却水冷却液的使用效能。

那么跟进一步的，流水孔9的注水方式可以从转轴的两端设计：从前端设置喷水管，那么转轴1上流水孔的开设方式是开口在转轴前端，流水孔无需太深。另一种设计是，流水孔的开口在转轴后端，那么流水孔较深，同时由于转轴后端配合电机，在转轴的后端需要设置排水结构以避免电机进水。

3、气浮主轴压缩空气进气口位于电机（定子线圈壳体）前端

在转轴1和电机外均设置壳体：转轴1转配于主轴壳体内，电机则装配于电机壳体内。由于转轴1需要通过气浮轴承7与主轴壳体进行装配，气浮轴承7则需要外部气源保持其气压稳定。因此，在主轴壳体内设置了气道14，如图3所示，气道14分别通往气浮轴承7的轴向和径向。径向供气可以使气浮轴承7与转轴1之间形成一层气膜，而轴向供气则是确保气浮轴承7的法兰盘与主轴壳体的配合端面之间形成气膜。

基于上述气道的设置原因，气道14的开设路径是不能经过电机位置。因为电机高速转动下会产生大量热源，而此时经过电机的空气会被加热，加热后的空气温度会提高30~40%，且温度具有波动性。被加热后的空气送入气浮轴承，会对转轴的回转带来巨大影响。尤其是超长、超精密的划片机气浮电主轴压缩空气温度变化对气轴轴承内部间隙等结构影响较明显。

因此本实施例中将气道14的进气口15设置在电机位置的前部，即设置在主轴外壳上的任何位置。这样气道14的中的空气就不会被加热，进入气浮轴承7的空气温度可以保持较低且恒定，会对气浮主轴精度、刚性和振动都有益处。

4、电机后置并将电机壳体与主轴壳体设计为一体式

由于划切机上的空气轴承电主轴采用了悬置方式固定，电机后置于结构中。悬置式的转轴1可以配合大功率的电机，这样悬臂端的尺寸可以设计的较小，重量也可以控制。此时，若采用分体式结构，虽然壳体加工方便了，结构转配简单了。但是，由于分体结构始终存在配合缝隙及刚性差，因此两体之间的承载会影响安装精度及结构刚性。

采用一体式的外壳体6，外壳体6的后盖可拆卸，电机可以从后盖处进行安装或拆卸。转轴1通过气浮轴承7与外壳体6配合，同时电机定子线圈8则通过水套与外壳体配合，水套与外壳体的后盖采用一体结构。定子线圈安装在水套内也成为一体，既便于空气电主轴安装、调试及维修，又方便使用大尺寸功率电机转子，提高主轴功率和扭矩。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，包括：

设置于主轴壳体内的转轴，且转轴通过气浮轴承配合于主轴壳体内，转轴前端还安装有划片刀；

设置于电机壳体内的电机，电机后置驱动所述转轴自转；

其特征在于：所述转轴通过具有锥度的回转表面来与所述划片刀同轴配合以实现第一定位关系；所述转轴通过轴肩与所述划片刀的端面接触配合以实现第二定位关系；且所述转轴与所述划片刀之间以第二定位关系为轴向的限定位基准。

2.根据权利要求1所述的一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，其特征在于：所述轴肩的端面加工误差不大于2µm。

3.根据权利要求2所述的一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，其特征在于：所述转轴上还套装有压紧螺母；基于第一定位关系的同轴配合下，所述压紧螺母与所述轴肩锁紧所述刀盘座以确保第二定位关系。

4.根据权利要求2所述的一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，其特征在于：所述划片刀选用硬刀或软刀。

5.根据权利要求4所述的一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，其特征在于：所述软刀包括：刀盘座、刀盘盖和砂轮薄片，刀盘座和刀盘盖从砂轮薄片两侧对其进行装夹。

6.根据权利要求5所述的一种刀盘双定位的划切机气浮主轴结构，其特征在于：所述刀盘座通过其中轴孔套装于所述转轴上，所述刀盘盖则通过其中轴上的中孔套装于所述刀盘座上；所述刀盘座与刀盘盖通过轴向的螺母预紧力夹持住所述砂轮薄片。

7.根据权利要求6所述的一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，其特征在于：所述刀盘座与刀盘盖均设有呈回转边缘装的夹持部。

8.根据权利要求4所述的一种刀盘双定位的划片机气浮主轴结构，其特征在于：所述硬刀包括：与铝合金刀架一体固定的砂轮薄片。