CN115741263A - 一种碳化硅多功能高速滚圆磨床 - Google Patents

Abstract

一种多功能高速滚圆磨床，包括床身部件以及安装在床身部件上的砂轮架部件、尾架部件，晶向检测机构、头架部件、尺寸检测机构，所述床身部件包括床身、工作台、工件托架、转轴、齿条，床身底部设有多个垫脚，通过调节垫脚高度保证床身的安装面水平，工作台上面用于安装头架部件与尾部部件，其表面钻有多个用于尾架部件安装孔，可通过移动尾架部件满足加工不同工件长度的要求，工件托架安装在工作台上，用于托持加工件。本发明通过简化工件装夹，采用多磨头并安装成型砂轮实现一机多功能磨削；采用高转速加工，主磨头砂轮切削线速度达到60‑80m/s，同时头架以300rpm的转速带动工件旋转，由于加工高转速度与加工功能的多样化，加工效率成倍增长。

Description

一种碳化硅多功能高速滚圆磨床

技术领域

本发明涉及一种磨床，具体涉及一种碳化硅多功能高速滚圆磨床。

背景技术

碳化硅材料制作的高频器晶片具有高出传统硅数倍的禁带、漂移速度、击穿电压、热导率、耐高温等优良特性。本发明涉及碳化硅晶片生产过程中晶锭滚圆加工工序应用所需的设备。

碳化硅晶片加工国内起步较晚，严重依赖进口，加工设备大多数是进口设备。近年来，国内晶片行业发展迅速，但国内加工设备生产商寥寥无几，采用的多数也是传统外圆磨磨削晶锭外圆的方式，磨头设计缺乏加工多功能性。

采用传统外圆磨床磨削碳化硅晶锭主要有以下不足之处：

1、加工效率低，单件加工时间超过6h。碳化硅高硬度仅次金刚石，高刚性、高转速磨头在传统外圆磨设备上难以实现磨削。

2、缺乏加工多功能性。加工功能单一，磨外圆砂轮只能磨外圆而无法同时完成晶片加工中需要外圆上磨端面（晶体参考面）的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种能提高主轴组件的整体刚性和进给精度的双面磨床的双丝杆主轴同步进给驱动系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种多功能高速滚圆磨床，包括床身部件以及安装在床身部件上的砂轮架部件、尾架部件，晶向检测机构、头架部件、尺寸检测机构，所述床身部件包括床身、工作台、工件托架、转轴、齿条，床身底部设有多个垫脚，通过调节垫脚高度保证床身的安装面水平，工作台上面用于安装头架部件与尾部部件，其表面钻有多个用于尾架部件安装孔，可通过移动尾架部件满足加工不同工件长度的要求，工件托架安装在工作台上，用于托持加工件。

进一步，所述床身部件还设有转轴和齿条，所述转轴14用于调整加工件轴向锥度，保证直径大小一致性，齿条是晶向检测机构的横向移动齿轮齿条的一部分。

进一步，所述砂轮架部件包括主磨头前后进给机构、主磨头、主磨头上下进给机构、副磨头、副磨头前后进给机构、砂轮架两磨头左右进给机构，所述主磨头和副磨头分别安装在允许前后/左右进给的托板上，所述主磨头前后进给机构用于保证加工件进给量，主磨头允许左右、上下、前后三个方向移动，主磨头上下进给机构转换工作状态磨外圆或磨端面，副磨头进给机构用于保证槽深度和位置度要求，砂轮架两磨头左右进给机构保证在磨削行程范围内精度要求。

进一步，所述尾架部件包括尾架加工件顶杆、伸缩机构、尾架箱体、衬套、夹紧油缸、尾架移动机构，所述尾架加工件顶杆协同头架端顶杆顶紧工件磨削，所述衬套与伸缩机构之间配间隙，使机构伸缩无卡滞，同时衬套更换可保护箱体，所述夹紧油缸提供可调的工件磨削所需的夹紧力，所述尾架移动机构用于满足工件加工长度范围内所需的位置变动。

进一步，所述晶向检测机构4包括检测晶向定位仪、纵向进给机构、安装机座、横向进给机构，所述检测晶向定位仪通过激光线检测确定碳化硅晶锭晶线的角度，通过角度编码器将工件转到要求加工位置磨削；检测晶向定位仪到达和脱离测量点由纵向进给机构和横向进给机构完成，两者移动伺服控制，纵向移动滚珠丝杆传动，横向移动齿轮齿条传动。

进一步，所述头架部件包括头架加工件顶杆、头架箱体、头架旋转动力轴、力矩电机、角度旋转编码器，所述头架旋转动力轴前后安装角接触轴承，中部安装力矩电机，尾部安装角度旋转编码器，所述力矩电机旋转头架旋转动力轴带动工件旋转，进行磨削，所述角度旋转编码器可随时判断力矩电机旋转的位置。

进一步，所述尺寸检测机构包括激光测量头、安装机座、伸缩移动进给机构、气缸，所述尺寸检测机构安装在头架部件上，所述激光测量头通过激光照射工件表面根据位移变化量进行直径和深度的测量，所述尺寸测量激光测量头到达和脱离测量点由气缸推动支架沿直线导轨副移动，所述激光测量头检测加工零件加工各阶段的尺寸数据，所述安装机座固定在头架箱体上，安装测量点限位。

本发明通过简化工件装夹，采用多磨头并安装成型砂轮实现一机多功能磨削；采用高转速加工，主磨头砂轮切削线速度达到60-80m/s，同时头架以300rpm的转速带动工件旋转，由于加工高转速度与加工功能的多样化，加工效率成倍增长。

附图说明

图1 是本发明实施例 的结构示意图；

图2是图1所示实施例中床身部件的结构示意图；

图3 是图1所示实施例砂轮架部件结构示意图；

图4 是图1所示实施例尾架部件结构示意图；

图5是图1所示实施例晶向检测机构结构示意图；

图6是图1所示实施例头架部件结构示意图；

图7 是图1所示实施例尺寸检测机构结构示意图。

图中： 1-床身部件，2-砂轮架部件，3-尾架部件，4-晶向检测机构，5-头架部件，6-尺寸检测机构11-床身，12-工作台，13-工件托架，14-转轴，15-齿条，16-垫脚21-主磨头前后进给机构，22-主磨头，23-主磨头上下进给机构，24-副磨头，25-副磨头前后进给机构，26-砂轮架两磨头左右进给机构31-尾架加工件顶杆，32-伸缩机构，33-尾架箱体，34-衬套，35-夹紧油缸，36-尾架移动机构41-检测晶向定位仪，42-纵向进给机构，43-安装机座，44-横向进给机构51-头架加工件顶杆，52-头架箱体，53-头架旋转动力轴，54-力矩电机，55-角度旋转编码器，61激光测量头，62-安装机座，63-伸缩移动进给机构，64-气缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照附图1-7所示，本实施例包括床身部件1，砂轮架部件2，尾架部件3，晶向检测机构4，头架部件5，尺寸检测机构6。

如图2所示，床身部件1主要包括床身11、工作台12、工件托架13、转轴14、齿条15、垫脚16。床身11底部设有多个垫脚16，通过调节垫脚高度保证床身11的安装面水平。工作台12上面安装头架部件5与尾部部件3，其表面钻有多个用于尾架部件3安装孔，可通过移动尾架部件3满足加工不同工件长度的要求。工件托架13安装在工作台12上，用于托持加工件。床身11采用整体箱式结构，材料采用250灰铸铁，抗压、耐磨、防震。工作台2与床身1工作时连接成一体，保证刚性要求。工件托架13支撑加工件安装并防止加工件掉落。转轴14调整加工件轴向锥度，保证直径大小一致性。齿条15是晶向检测机构横向移动齿轮齿条的一部分。

本实施例的加工方式采用工作台固定，砂轮架移动方式进行，床身11承载工作台，头架部件5和尾架部件3固定安装在机床部件1的工作台12上，头架部件5与尾架部件3对顶夹紧工件，主架部件5驱动工作旋转。同时砂轮架部件2由伺服电机控制，安装其中的主磨头允许上下、前后、左右移动，副磨头允许前后、左右移动。两磨头前后移动完成工件切削进给量，左右移动满足工件切削行程要求。主磨头还可以上下移动，以便更换砂轮磨削部位，协同工件运动工况，磨削工件外圆或磨削平面。在加工过程中晶向检测机构4、尺寸检测机构6参与加工件尺寸控制，实现自动磨削。

如图3所示，砂轮架部件2主要包括主磨头前后进给机构21、主磨头22、主磨头上下进给机构23、副磨头24、副磨头前后进给机构25、砂轮架两磨头左右进给机构26。主磨头22和副磨头24分别安装在允许前后/左右进给的托板上。主磨头前后进给机构21保证加工件进给量，最小进给量0.005。主磨头22磨轮采用电镀金刚石成型砂轮，电主轴驱动，转速6000-10000转/分，主磨头22允许左右、上下、前后三个方向移动，移动由伺服控制，滚珠丝杆推进，直线导轨副上高精动运行，磨削晶锭外圆和外圆上的参考面（OFF面）。主磨头上下进给机构23转换工作状态磨外圆或磨端面。副磨头24磨轮采用电镀金刚石成型砂轮，变频电机通过多楔带驱动磨头，磨头转速 3000转/分高速磨削V槽（NOTCH槽）。副磨头进给机构25保证槽深度和位置度要求。砂轮架两磨头左右进给机构26保证在磨削行程范围内精度要求。

如图4所示，所述尾架部件3主要包括：尾架加工件顶杆31、伸缩机构32、尾架箱体33、衬套34、夹紧油缸35、尾架移动机构36。尾架加工件顶杆31协同头架端顶杆顶紧工件磨削。伸缩机构32夹紧工件和为工件安装留下足够空间。尾架箱体33材料采用250灰铸铁，固定在工作台面，具有良好的刚性和吸震性。衬套34与伸缩机构之间配间隙，使机构伸缩无卡滞，同时衬套更换可保护箱体。夹紧油缸35提供可调的工件磨削所需的夹紧力。尾架移动机构36满足工件加工长度范围内所需的位置变动。

如图5所示，晶向检测机构4主要包括：检测晶向定位仪41、纵向进给机构42、安装机座43、横向进给机构44。检测晶向定位仪41通过激光线检测确定碳化硅晶锭晶线的角度，通过角度编码器将工件转到要求加工位置磨削；检测晶向定位仪41到达和脱离测量点由纵向进给机构42和横向进给机构44完成，两者移动伺服控制，纵向移动滚珠丝杆传动，横向移动齿轮齿条传动。

如图6所示，所述头架部件主要包括：头架加工件顶杆51、头架箱体52、头架旋转动力轴53、力矩电机54、角度旋转编码器55。头架旋转动力轴53前后安装角接触轴承，中部安装力矩电机54，额定转速300rpm,尾部安装角度旋转编码器55。力矩电机54旋转头架旋转动力轴53带动工件旋转，进行磨削。当磨OFF参考面时角度旋转编码器55按检测晶向定位仪41找正的角度停准电机位置进行平面磨削。头架加工件顶杆51协同尾架端顶杆顶紧工件磨削。头架箱体52材料采用250灰铸铁，固定在工作台面，具有良好的刚性和吸震性。头架旋转动力轴53采用大角度角接触轴承，长跨距支承，头架转速300转/分，输出强劲动力。力矩电机54头架动力来源。角度旋转编码器55随时判断力矩电机旋转的位置。

如图7所示，所述尺寸检测机构6主要包括：激光测量头61、安装机座62、伸缩移动进给机构63、气缸64。尺寸检测机构6安装在头架部件5上。激光测量头61通过激光照射工件表面根据位移变化量进行直径和深度的测量。测量头位置可调，满足4-8英寸的测量要求。尺寸测量激光测量头61到达和脱离测量点由气缸64推动支架沿直线导轨副移动。激光测量头61检测加工零件加工各阶段的尺寸数据。安装机座62固定在头架箱体上，安装测量点限位。伸缩移动进给机构63采用直线导轨副保证行精度。气缸64行程多点限位，气压0.4-0.6Mpa。

本发明一方面通过简化工件装夹，采用多磨头并安装成型砂轮实现一机多功能磨削，另一方面采用高转速加工，主磨头砂轮切削线速度达到60-80m/s,同时头架以300rpm的转速带动工件旋转。由于加工高转速度与加工多功能的改善，加工效率成倍增长。

其中，本实施例的优点主要如下：

（1）主砂轮采用电主轴驱动，转速6000-10000rpm。由于碳化硅晶体具有仅次于金刚石的高硬度，切削砂轮订制专用成型的电镀金刚石砂轮，使用不同的砂轮表面切削不同的工况，可以磨削外圆和磨削平面；

（2）副砂轮采用变频电机驱动，动力通过多楔带带动主轴旋转，工作状态砂轮轴转速3000rpm。切削砂轮订制成型电镀金刚石砂轮用于加 工8寸以上大尺寸晶锭NOTCH槽。

（3）头架由安装中部力矩电机驱动，结构紧凑。头架转速300rpm带动工件高速旋转。工件安装由尾架油缸提供夹紧力，作用力大小可调，工件由安装于头架和尾架的顶杆施加作用力顶置磨削。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也仍在本发明专利的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种多功能高速滚圆磨床，其特征在于：包括床身部件以及安装在床身部件上的砂轮架部件、尾架部件，晶向检测机构、头架部件、尺寸检测机构，所述床身部件包括床身、工作台、工件托架、转轴、齿条，床身底部设有多个垫脚，通过调节垫脚高度保证床身的安装面水平，工作台上面用于安装头架部件与尾部部件，其表面钻有多个用于尾架部件安装孔，可通过移动尾架部件满足加工不同工件长度的要求，工件托架安装在工作台上，用于托持加工件。

2.根据权利要求1所述的多功能高速滚圆磨床，其特征在于：所述床身部件还设有转轴和齿条，所述转轴14用于调整加工件轴向锥度，保证直径大小一致性，齿条是晶向检测机构的横向移动齿轮齿条的一部分。

3.根据权利要求1或2所述的多功能高速滚圆磨床，其特征在于：所述砂轮架部件包括主磨头前后进给机构、主磨头、主磨头上下进给机构、副磨头、副磨头前后进给机构、砂轮架两磨头左右进给机构，所述主磨头和副磨头分别安装在允许前后/左右进给的托板上，所述主磨头前后进给机构用于保证加工件进给量，主磨头允许左右、上下、前后三个方向移动，主磨头上下进给机构转换工作状态磨外圆或磨端面，副磨头进给机构用于保证槽深度和位置度要求，砂轮架两磨头左右进给机构保证在磨削行程范围内精度要求。

4.根据权利要求1或2所述的多功能高速滚圆磨床，其特征在于：所述尾架部件包括尾架加工件顶杆、伸缩机构、尾架箱体、衬套、夹紧油缸、尾架移动机构，所述尾架加工件顶杆协同头架端顶杆顶紧工件磨削，所述衬套与伸缩机构之间配间隙，使机构伸缩无卡滞，同时衬套更换可保护箱体，所述夹紧油缸提供可调的工件磨削所需的夹紧力，所述尾架移动机构用于满足工件加工长度范围内所需的位置变动。

5.根据权利要求1或2所述的多功能高速滚圆磨床，其特征在于：所述晶向检测机构4包括检测晶向定位仪、纵向进给机构、安装机座、横向进给机构，所述检测晶向定位仪通过激光线检测确定碳化硅晶锭晶线的角度，通过角度编码器将工件转到要求加工位置磨削；检测晶向定位仪到达和脱离测量点由纵向进给机构和横向进给机构完成，两者移动伺服控制，纵向移动滚珠丝杆传动，横向移动齿轮齿条传动。

6.根据权利要求1或2所述的多功能高速滚圆磨床，其特征在于：所述头架部件包括头架加工件顶杆、头架箱体、头架旋转动力轴、力矩电机、角度旋转编码器，所述头架旋转动力轴前后安装角接触轴承，中部安装力矩电机，尾部安装角度旋转编码器，所述力矩电机旋转头架旋转动力轴带动工件旋转，进行磨削，所述角度旋转编码器可随时判断力矩电机旋转的位置。

7.根据权利要求1或2所述的多功能高速滚圆磨床，其特征在于：所述尺寸检测机构包括激光测量头、安装机座、伸缩移动进给机构、气缸，所述尺寸检测机构安装在头架部件上，所述激光测量头通过激光照射工件表面根据位移变化量进行直径和深度的测量，所述尺寸测量激光测量头到达和脱离测量点由气缸推动支架沿直线导轨副移动，所述激光测量头检测加工零件加工各阶段的尺寸数据，所述安装机座固定在头架箱体上，安装测量点限位。

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