CN215357784U - 一种金刚石磨抛一体化的加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金刚石磨抛一体化的加工设备，包括机架、基座装置和磨抛装置；该基座装置包括能沿Y轴进给的滑座和能绕Z轴转接在滑座上的基座，该基座上装设有能夹紧金刚石的夹具；该磨抛装置包括沿Z轴布置的主轴，该主轴上套装有内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮，该外圈抛光砂轮包围内圈磨削砂轮，通过主轴转动带动内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮一起转动，能调节内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮沿Z轴上下位置关系；通过内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮的转动、滑座的进给及基座的转动以磨抛夹具上的金刚石。它具有如下优点：将金刚石磨削抛光整合到一道工序中加工，金刚石表面划痕损伤少、表面质量均匀。

Description

一种金刚石磨抛一体化的加工设备

技术领域

本实用新型涉及金刚石加工技术领域，尤其涉及一种金刚石磨抛一体化的加工设备。

背景技术

金刚石材料是目前自然界中已知的最硬材料，属于超硬材料范畴。因为其材料的超硬特性，致其表面加工难度高，效率低。

传统的金刚石单晶表面加工方式使用高速金属转盘对金刚石抛光表面进行硬接触机械抛光。这种加工方式已经广泛应用于钻石首饰的晶体表面加工中，抛光效率高，但是存在有如下不足：其一，抛光后金刚石晶体的表面粗糙度依然只能达到100nm左右，不能满足金刚石材料在半导体领域的需求；其二，机械硬抛光过程中产生大量热，导致金刚石晶体和金属盘表面温度过高，容易使得金刚石表面发生石墨化，研磨过程中生成的石墨和金刚石碎屑会大量进入金属转盘中，容易使得金属转盘产生明显损伤，因此抛光盘更换频率非常高，抛光效果重复性差，而且还大幅度提升了金刚石单晶表面加工的成本。

微波等离子体刻蚀和化学抛光是目前在半导体材料领域常用的抛光方法。其中微波等离子体刻蚀技术需要专门的刻蚀设备，价格昂贵并且刻蚀完成后仍需要进行进一步的表面处理才能形成无损的金刚石晶体表面。化学抛光使用抛光液中的化学成分与金刚石表面发生化学反应从而降低表面粗糙度，但是化学抛光使金刚石表面平整度与平行度较差且容易产生腐蚀坑等缺陷。

目前金刚石的磨削和抛光工艺都为相互独立的两个体系，金刚石从毛坯到抛光完成，工序复杂，耗时较长，且磨削和抛光分两次装夹，使得加工工程中引入了定位误差。

实用新型内容

本实用新型提供了一种金刚石磨抛一体化的加工设备，其克服了背景技术中金刚石磨抛加工所存在的不足。

本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种金刚石磨抛一体化的加工设备，包括机架、基座装置和磨抛装置；该基座装置包括能相对机架沿Y 轴进给的滑座和能绕Z轴转接在滑座上的基座，该基座上装设有能夹紧金刚石的夹具；该磨抛装置包括沿Z轴布置的主轴，该主轴上套装有内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮，该外圈抛光砂轮包围内圈磨削砂轮，通过主轴转动带动内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮一起转动，能调节内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮沿Z轴上下位置关系；通过内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮的转动、滑座的进给及基座的转动以磨抛夹具上的金刚石。

一实施例之中：该外圈抛光砂轮固装在主轴上，该内圈磨削砂轮能相对主轴沿Z轴上下滑动且内圈磨削砂轮和主轴同步转动连接，通过内圈磨削砂轮上下滑动能调节内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮上下位置关系。

一实施例之中：该内圈磨削砂轮外径小于外圈抛光砂轮内径。

一实施例之中：该基座上端面中心凹设有安装槽，该安装槽内安装有真空吸附盘，该夹具装设在真空吸附盘，且通过真空吸附盘将夹具吸附在基座。

一实施例之中：该夹具上端面凹设有置放槽，该金刚石置放在置放槽内且金刚石通过粘结剂黏贴在夹具的置放槽内。

一实施例之中：该夹具包括一本体、两滑块和两调节件；该本体顶壁具有基壁和相对基壁凸出设置的凸台，该凸台具有两朝向基壁且竖直布置的定位壁；该本体的基壁凹设有两通至本体侧壁的滑槽且两滑槽分别沿两定位壁布置；该滑块顶部水平凸伸有伸出部，该两滑块分别滑接在两滑槽且伸出部位于基壁上，该伸出部端面构成锁接壁，该两滑块的锁接壁和两定位壁分别面对布置；该两调节件分别连接两滑块和本体以通过调节件调节滑块沿滑槽滑动调节，通过两锁接壁和两定位壁夹紧粘接在基壁上的金刚石。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

将金刚石磨削抛光整合到一道工序中加工，磨削抛光一次装夹，避免因多次装夹出现误差，提高成品率，能将原始表面大于300nm的大尺寸单晶金刚石表面粗糙度加工至0.2～0.4nm，金刚石表面划痕损伤少、表面质量均匀，磨削抛光时间短、效率高。

通过真空吸附盘将夹具吸附在基座，装夹简单方便，精度高。

金刚石置放在置放槽内且金刚石通过粘结剂黏贴在夹具的置放槽内，装夹方便，精度高，解决了单晶金刚石因为尺寸小(10mm×10mm以下的方形薄片)难装夹固定的问题。

通过内圈磨削砂轮上下滑动调节内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮上下位置关系，磨削抛光切换方便快速，且配套自旋转磨削机能实现自动化磨削抛光加工。

内圈磨削砂轮磨削，外圈抛光砂轮抛光，提高效率并保证表面质量。

内圈磨削砂轮包括内圈轮体及通过结合剂结合在内圈轮体的硬质磨料，结合剂为陶瓷、金属、树脂或者橡胶中的至少一种，硬质磨料为金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝中的至少一种，硬质磨料的粒径为0.5～60μm，磨削效率高，使用寿命长。

外圈抛光砂轮采用溶胶凝胶法制成，外圈抛光砂轮具有硬质磨料，硬质磨料为金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝中的至少一种，硬质磨料的粒径为0.5～60μm，抛光效率高，使用寿命长。

本体顶壁具有基壁和凸台，滑块滑接在滑槽且滑块顶部水平凸伸的伸出部位于基壁上以构成锁接壁，通过两锁接壁和两定位壁夹紧粘接在基壁上的金刚石，能夹紧小厚度之金刚石，能适配不同尺寸的金刚石，解决了金刚石衬底片难以装夹的问题，夹紧牢固稳定可靠，安装拆卸简单方便，提高了加工效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1是具体实施方式一实施例的加工设备局部的立体示意图。

图2是具体实施方式一实施例的加工设备局部的主视示意图。

图3是具体实施方式一实施例的加工设备局部的俯视示意图。

图4是具体实施方式另一实施例的加工设备的夹具的立体示意图。

具体实施方式

请查阅图1至图3，一种金刚石磨抛一体化的加工设备，包括机架、基座装置1和磨抛装置2；该基座装置1包括能相对机架沿Y轴进给的滑座和能绕Z轴转接在滑座上的基座11，该基座11上装设有能夹紧单晶的金刚石3的夹具12；该磨抛装置2包括沿Z轴布置的主轴，该主轴上套装有内圈磨削砂轮21和外圈抛光砂轮22，该内圈磨削砂轮21外径小于外圈抛光砂轮22内径，该外圈抛光砂轮 22包围内圈磨削砂轮21，该外圈抛光砂轮22固装在主轴上，该内圈磨削砂轮21 能相对主轴沿Z轴上下滑动且内圈磨削砂轮21和主轴同步转动连接，通过内圈磨削砂轮21上下滑动能调节内圈磨削砂轮21和外圈抛光砂轮22上下位置关系，主轴转动时能带动内圈磨削砂轮21和外圈抛光砂轮22一起转动；通过内圈磨削砂轮21和外圈抛光砂轮22的转动、滑座的进给及基座11的转动以磨抛夹具12上的金刚石3。具体结构中，第一电机如通过丝杆螺母机构传动连接滑座以带动滑座进给，第二电机装接在滑座上且传动连接基座以带动基座转动，第三电机传动连接主轴以带动主轴转动，主轴上设有第四电机，第四电机传动连接内圈磨削砂轮以带动内圈磨削砂轮滑动。

该内圈磨削砂轮21包括内圈轮体及通过结合剂结合在内圈轮体的硬质磨料，该结合剂为陶瓷、金属、树脂或者橡胶中的至少一种，该硬质磨料为金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝中的至少一种，且硬质磨料的粒径为0.5～ 60μm。该外圈抛光砂轮22采用溶胶凝胶法制成，该外圈抛光砂轮22具有硬质磨料，该硬质磨料为金刚石、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铝中的至少一种，该硬质磨料的粒径为0.5～60μm，抛光砂轮22如SG抛光砂轮，SG抛光砂轮能减少亚表面损伤。

该基座11上端面中心凹设有安装槽，该安装槽内安装有真空吸附盘13，该夹具12装设在真空吸附盘13，且通过真空吸附盘13将夹具12吸附在基座11。具体结构中：该夹具12上端面凹设有置放槽，该金刚石3置放在置放槽内且金刚石3通过粘结剂黏贴在夹具12的置放槽内。进一步的，置放槽长宽应略大于金刚石实际尺寸0.5～1.5mm，置放槽深度约为金刚石厚度1/3～2/3，空余间隙由粘接剂填充，粘结剂允许有少量溢出，每个置放槽底部中心加工一个或多个φ0.5～φ 1.5mm通孔。

所述的一种金刚石磨抛一体化的加工设备的加工方法，包括：

修平：采用修刀板修平内圈磨削砂轮21和外圈抛光砂轮22，砂轮每次修平后需校准砂轮高度；

金刚石预处理：将金刚石原材(如7mm×7mm)放入装有酒精的烧杯中浸泡，将烧杯放入超声清洗机中超声清洗(如10分钟)，对清洗好的金刚石做厚度测量，将厚度差为10μm以内的金刚石原料进行同批加工；

装夹：将金刚石通过粘结剂粘结在夹具12凹槽中，测量记录每片金刚石黏贴之后的高度，控制每块金刚石之间的最大高度差在5μm以内，金刚石侧面和凹槽侧面的间隙由粘结剂填充，装夹完成后将金刚石夹具吸附在真空吸盘上；

磨削抛光：

调整内圈磨削砂轮21上下位置关系以使内圈磨削砂轮21底面低于外圈抛光砂轮22底面，内圈磨削砂轮21转动、基座11转动及滑座进给以磨削金刚石3，其中：主轴转速1000r/s，基座11转速301r/s，进给速度0.2μm/s，进给量100 μm；

调整内圈磨削砂轮21上下位置关系以使内圈磨削砂轮21底面高于外圈抛光砂轮22底面，外圈抛光砂轮22转动、基座11转动及滑座进给以抛光金刚石，其中：主轴转速1500r/s，基座基座转速301r/s，进给速度0.1μm/s，进给量50 μm；

上述磨削抛光使用的自旋转磨削机如型号为：ACCRETECHHRG300，磨削抛光过程中，采用去离子水冷却，以避免金刚石石墨化；

取片：将抛光后的金刚石连同金刚石夹具用清洗剂进行取片清洗，并将洗好的金刚石取出；

检测：将清洗完毕的金刚石通过测厚仪进行测厚，再通过原子力显微镜测试表面粗糙度。

另一实施例之中，请查阅图4，该夹具12包括一本体121、两滑块122、两调节件123和一基体124；该本体121顶壁具有基壁和相对基壁凸出设置的凸台，该凸台具有两朝向基壁且竖直布置的定位壁，两定位壁相垂直布置且配合呈L形；该本体121的基壁凹设有两通至本体侧壁的滑槽且两滑槽分别沿两定位壁布置，该两滑槽相垂直布置；该滑块顶部水平凸伸有伸出部，该两滑块分别滑接在两滑槽且伸出部位于基壁上，该伸出部端面构成锁接壁，该两滑块的锁接壁和两定位壁分别面对布置；该两调节件分别连接两滑块和本体以通过调节件调节滑块沿滑槽滑动调节，通过两锁接壁和两定位壁夹紧粘接在基壁上的单晶金刚石3。该凸台呈L形结构，该基壁呈小矩形结构，该L形结构和小矩形结构配合构成大矩形结构；该两定位壁分别平行大矩形结构的两相邻侧边，该两滑槽分别平行大矩形结构的两相邻侧；该滑槽的一槽壁和定位壁对齐布置；该滑块顶壁和凸台顶壁齐平，该伸出部底壁能适配滑接在基壁上。该调节件包括调节螺钉，该调节螺钉穿过滑块且螺接在本体之滑槽的内槽壁以通过调节螺钉转动带动滑块沿滑槽滑动，如滑块设贯穿孔，该调节螺钉顶抵滑块外侧壁，则能通过螺钉拧紧使锁紧壁顶抵金刚石。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种金刚石磨抛一体化的加工设备，包括机架，其特征在于：还包括基座装置和磨抛装置；该基座装置包括能相对机架沿Y轴进给的滑座和能绕Z轴转接在滑座上的基座，该基座上装设有能夹紧金刚石的夹具；该磨抛装置包括沿Z轴布置的主轴，该主轴上套装有内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮，该外圈抛光砂轮包围内圈磨削砂轮，通过主轴转动带动内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮一起转动，能调节内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮沿Z轴上下位置关系；通过内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮的转动、滑座的进给及基座的转动以磨抛夹具上的金刚石。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石磨抛一体化的加工设备，其特征在于：该外圈抛光砂轮固装在主轴上，该内圈磨削砂轮能相对主轴沿Z轴上下滑动且内圈磨削砂轮和主轴同步转动连接，通过内圈磨削砂轮上下滑动能调节内圈磨削砂轮和外圈抛光砂轮上下位置关系。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石磨抛一体化的加工设备，其特征在于：该内圈磨削砂轮外径小于外圈抛光砂轮内径。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石磨抛一体化的加工设备，其特征在于：该基座上端面中心凹设有安装槽，该安装槽内安装有真空吸附盘，该夹具装设在真空吸附盘，且通过真空吸附盘将夹具吸附在基座。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石磨抛一体化的加工设备，其特征在于：该夹具上端面凹设有置放槽，该金刚石置放在置放槽内且金刚石通过粘结剂黏贴在夹具的置放槽内。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石磨抛一体化的加工设备，其特征在于：该夹具包括一本体、两滑块和两调节件；该本体顶壁具有基壁和相对基壁凸出设置的凸台，该凸台具有两朝向基壁且竖直布置的定位壁；该本体的基壁凹设有两通至本体侧壁的滑槽且两滑槽分别沿两定位壁布置；该滑块顶部水平凸伸有伸出部，该两滑块分别滑接在两滑槽且伸出部位于基壁上，该伸出部端面构成锁接壁，该两滑块的锁接壁和两定位壁分别面对布置；该两调节件分别连接两滑块和本体以通过调节件调节滑块沿滑槽滑动调节，通过两锁接壁和两定位壁夹紧粘接在基壁上的金刚石。

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