CN216540852U - 一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床 - Google Patents

Abstract

一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，包括气静压主轴、设置在气静压主轴上的一体式夹具、刀架以及设置在刀架上的车刀，气静压主轴固定在工件托板上，刀架固定在车刀托板上，工件托板和车刀托板分别沿水平方向滑动设置在床身上，且车刀托板的滑动方向垂直于工件托板的滑动方向分布；本实用新型可通过少次重复装夹提高半导体晶圆划片硬刀的加工精度。

Description

一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床

技术领域

本实用新型涉及高精度数控车床领域，具体的说是一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床。

背景技术

半导体晶圆用划片硬刀为圆形片状结构，中心具有贯穿的内孔，整体呈圆环状。在该划片硬刀的机架供过程中，通常需要利用高精度数控车床对其外圆、内圆以及两个端面分别进行加工。现有的车床加工中，需要针对划片硬刀的四个加工位置分别装夹不同的位置，采用不同的车刀，由此多次重复装夹造成不同位置的磨削加工中，工件与主轴之间的同心度存在系统性误差，即使通过具有高稳定性、高精准度的气静压主轴的夹持固定保障了各个加工位置的精度，却因系统误差使得工件整体加工精度难以保障。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，通过少次重复装夹提高半导体晶圆划片硬刀的加工精度。

为了解决以上技术问题，本实用新型采用的具体方案为：一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，包括气静压主轴、设置在气静压主轴上的一体式夹具、刀架以及设置在刀架上的车刀，气静压主轴固定在工件托板上，刀架固定在车刀托板上，工件托板和车刀托板分别沿水平方向滑动设置在床身上，且车刀托板的滑动方向垂直于工件托板的滑动方向分布；

一体式夹具包括用于固定工件端部的吸盘系统和用于定位工件上内孔的定位系统；吸盘系统包括包括开设在气静压主轴的主轴本体前端端面外缘的多个吸孔和用于连接吸孔与抽真空设备的抽真空通道；定位系统包括由前至后依次滑动设置在开设于主轴本体前端的滑孔中的胀紧夹头和定位芯轴，胀紧夹头和滑孔之间设有前向滑动限位，胀紧夹头的前端具有胀紧部，胀紧部用于由定位芯轴驱动并胀起后通过卡接工件上内孔以定位工件，胀紧夹头内具有与设置在定位芯轴前端的锥部配合以驱动胀紧部胀起的锥形孔；

刀架的数量为三个，三个刀架上分别设有用于加工工件的外圆、内圆以及外端面的对应车刀。

优选的，床身上设有供工件托板滑动配合的工件导轨和供车刀托板滑动配合的车刀导轨；工件导轨包括平行间隔分布X轴V形气浮导轨和X轴平形气浮导轨，在工件托板的下沿对应设有X轴导轨托板V轨和X轴导轨托板平轨；车刀导轨包括平行间隔分布的Z轴V形气浮导轨和Z轴平形气浮导轨，在车刀托板的下沿对应设有Z轴导轨托板V轨和Z轴导轨托板平轨。

优选的，X轴V形气浮导轨和X轴平形气浮导轨分别设置在固定于床身上的X轴凵形座的上沿，在X轴凵形座内设有用于驱动工件托板滑动的X轴直线电机；Z轴V形气浮导轨和Z轴平形气浮导轨分别设置在固定于床身上的Z轴凵形座的上沿，在Z轴凵形座内设有用于驱动车刀托板滑动的Z轴直线电机。

本实用新型的工件托板和车刀托板沿垂直方向滑动设置在床身上，通过一体式夹具将工件装夹固定在气静压主轴上后，通过车刀托板水平滑动配合气静压主轴的高速转动即实现工件和车刀之间的进给运动，使车刀进行磨削加工。通过时间托板水平滑动即可调整工件的水平位置，使得工件的不同待加工位置与车刀托板上的对应车刀分别配合，即不拆装工件及车刀的状态下，通过一次装夹完成工件上外圆、内圆以及外端面的加工。

本实用新型的一体式夹具通过吸盘系统对工件一端的端面进行固定夹持，同时通过定位系统对工件的内孔进行装夹定位，且在定位完成后即可将定位系统脱离工件，从而使得由吸盘系统固定在主轴上的工件可与超精密机床中不同的车刀配合顺次完成工件外圆、内圆以及外端面的机加工，保证了工件在外圆、内圆以及外端面加工中与主轴具有相同的同心度，从而避免了现有技术中需重复装夹导致的整体加工精度交底的问题。

附图说明

图1为本实用新型的装配结构示意图；

图2为图1的爆炸示意图；

图3为本实用新型的气静压主轴部分的剖视结构示意图；

图4为图3中A部分的局部放大示意图；

图中标记：1、工件托板，2、气静压主轴，3、一体式夹具，4、工件，401、内孔，5、车刀，6、刀架，7、车刀托板，8、床身，9、X轴V形气浮导轨，10、X轴凵形座，11、X轴直线电机，12、X轴平形气浮导轨，13、X轴平形气浮导轨，14、X轴V形气浮导轨，15、Z轴导轨托板平轨，16、Z轴导轨托板V轨，17、Z轴平形气浮导轨，18、Z轴直线电机，19、Z轴凵形座，20、Z轴V形气浮导轨，21、床身底座，22、吸盘系统，2201、中心抽真空通道，2202、旋转接头，2203、吸孔，2204、汇集腔，2205、外缘抽真空通道，2206、滑动抽真空通道，2207、径向抽真空通道，2208、承接槽，23、定位系统，2301、碟片弹簧，2302、气缸，2303、定位芯轴，2304、锥部，2305、锥形孔，2306、胀紧夹头，2307、前向滑动限位，2308、胀紧部，2309、拉环，2310、螺钉，24、壳体，25、电机，26、主轴本体，2601、滑孔，27、滑套。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，包括床身底座21、固定在床身底座21上方的床身8以及设置在床身8上沿的加工功能单元。加工功能单元主要包括供工件4装夹并带动工件4高速旋转的气静压主轴2和用于固定加工用车刀5的刀架6。气静压主轴2上设有一体式夹具3，将工件4装夹于一体式夹具3后同时暴露工件4的外端面、外圆以及内圆，从而通过不同的车刀5对上述三个加工位置分别进行加工。气静压主轴2固定在沿水平方向滑动设置在床身8上的工件托板1上，以通过工件托板1的滑动使工件4上不同待加工处于不同的车刀5相对应。刀架6固定在沿水平方向滑动于床身8上且滑动轨迹与工件托板1的滑动方向垂直的车刀5托架上。刀架6的数量为三个，三个刀架6上分别设有与上述不同待加工位置相对应的车刀5。三个车刀5均与工件4纵向相对设置，以通过车刀5托架的滑动使车刀5与工件4上对应的待加工处形成进给运动，分别完成工件4外端面、外圆以及内圆位置的加工。

结合图2所示，床身8上设有供工件托板1滑动配合的工件4导轨和供车刀托板7滑动配合的车刀5导轨，工件4导轨和车刀5导轨均沿水平方向分布且相互垂直。

其中的工件4导轨的主体为X轴凵形座10，X轴凵形座10的槽底位置通过螺栓等紧固件固定在床身8上，槽口向上分布。在X轴凵形座10槽口两侧槽壁的上沿分别设有X轴V形气浮导轨12和X轴平形气浮导轨9。X轴凵形座10的两个槽壁相互平行，以使X轴V形气浮导轨12和X轴平形气浮导轨9平行间隔分布。相对应的，在工件托板1的下沿设有与X轴V形气浮导轨12滑动配合的X轴导轨托板V轨14和与X轴平形气浮导轨9滑动配合的X轴导轨托板平轨13，并通过气浮滑动配合基于气体动静压效应，实现无摩擦和无振动的平滑移动，保障移动精度。本实施例中用于驱动工件托板1沿工件4导轨平移的驱动元件为X轴直线电机11。X轴直线电机11固定在X轴凵形座10的槽底位置。

与工件4导轨和工件托板1的装配驱动方式相似的，车刀5导轨包括平行间隔分布的Z轴V形气浮导轨20、Z轴平形气浮导轨17和用于支撑Z轴V形气浮导轨20和Z轴平形气浮导轨17的Z轴凵形座19，在车刀托板7的下沿对应设有Z轴导轨托板V轨16和Z轴导轨托板平轨15，在Z轴凵形座19的槽底位置还设有用于驱动车刀托板7平移的Z轴直线电机18。

如图3所示，所述气静压主轴2包括壳体24、转动设置在壳体24中的主轴本体26、驱动主轴本体26转动的驱动电机25、设置在壳体24和主轴本体26之间的多个气浮轴承(本领域常规技术手段，图中未标记)以及气体通道。主轴本体26在驱动电机25驱动下高速转动，在气浮轴承的配合作用下具有高精度和低摩擦的特性。主轴本体26的左端用于供一体式夹具3配合安装以固定工件4。

一体式夹具3包括吸盘系统22和定位系统23，用于在固定固件后使其左端面、外圆以及内圆充分暴露，从而在一次装夹后通过不同的车刀5对上述不同的待加工位置完成加工。结合图4所示，本实施例中的定位系统23主要包括由左至右依次分布在开设于主轴本体26左端滑孔2601中的胀紧夹头2306和定位芯轴2303，胀紧夹头2306与滑孔2601直接滑动配合，定位芯轴2303滑动配合安装在固定于滑孔2601中的滑套27内。滑孔2601沿主轴本体26的轴向方向同心与主轴本体26分布，且滑孔2601的左端敞口设置。滑孔2601的前部设有限位台阶，胀紧夹头2306的前部具有轴肩，轴肩与限位台阶配合形成避免胀紧夹头2306继续向左滑动以脱出滑孔2601的前向滑动限位2307。胀紧夹头2306上轴肩左侧的小直径段由滑孔2601中部分伸出并形成胀紧部2308，在胀紧部2308对应的胀紧夹头2306上设有多条沿胀紧夹头2306周向分布的缺口，通过该缺口使得胀紧部2308在不受力时呈收缩状态，并在收到由中心向外的辐射状压力后驱动胀紧部2308胀起。胀紧部2308的外周在胀起后与工件4内孔401形状相对应，并通过张其后卡接工件4的内孔401以实现工件4的整体定位。胀紧夹头2306的胀起由定位芯轴2303驱动，具体的：定位芯轴2303的前端为锥部2304，在胀紧夹头2306内开设有与锥部2304相对应的锥形孔2305，当定位芯轴2303整体左移时，即在锥部2304和锥形孔2305的配合作用下驱动胀紧部2308胀起，从而使其卡接工件4的内孔401并实现工件4的定位。

本实施例中，在定位芯轴2303上套设有多个碟片弹簧2301，多个碟片弹簧2301的两端分别与壳体24和主轴本体26之间限位配合，且碟片弹簧2301处于压缩状态，并产生将定位芯轴2303向左推动至图3及图4所示的将胀紧部2308胀起的状态。在将工件4定位并通过吸盘系统22夹持固定后，为了使胀紧部2308退出工件4的内孔401以对工件4的内圆进行加工，本实施例中在壳体24中对应定位芯轴2303尾端的位置设有气缸2302并在定位芯轴2303的头端设有拉动胀紧夹头2306右移的拉环2309。气缸2302的活塞杆与定位芯轴2303直连，拉环2309通过螺钉2310固定连接在锥部2304的前端。拉环2309外径大于锥形孔2305小端的孔径，且在图3及图4所示状态下拉环2309的右端面与胀紧夹头2306中锥形孔2305小端对应的台阶之间具有间隙。在气缸2302拉动定位芯轴2303右移的过程中，其锥部2304首先脱离锥形孔2305，使胀紧部2308回缩。待胀紧部2308回缩脱离工件4的内孔401后，随着定位芯轴2303的持续右移使拉环2309右端面与前述台阶接触并拉动胀紧夹头2306整体右移，胀紧部2308完全脱离工件4的内孔401，不对工件4的内圆加工产生干涉。

吸盘系统22包括开设在主轴本体26前端端面外缘的多个吸孔2203和用于连接吸孔2203与抽真空设备(图中未示出)的抽真空通道。抽真空通道包括开设于主轴本体26外缘位置的多个外缘抽真空通道2205、开设于主轴本体26中心位置的中心抽真空通道2201以及开设在定位芯轴2303上并随定位芯轴2303同步滑动的滑动抽真空通道2206。外缘抽真空通道2205的前端分别与开设于主轴本体26上的汇集腔2204相连，在主轴本体26前端的端面上对任一汇集腔2204的位置均设有多个与对应汇集腔2204相连的吸孔2203，通过多个吸孔2203对工件4产生足够的负压以确保其在加工过程中不产生窜动。外缘抽真空通道2205的后端通过径向抽真空通道2207与滑动抽真空通道2206相连，在定位芯轴2303的外侧设有承接槽2208，承接槽2208的内侧与滑动抽真空通道2206相连，外侧为条状以在定位芯轴2303滑动过程中能够始终保证外缘抽真空通道2205可与滑动抽真空通道2206相接。在滑套27和滑孔2601内壁之间以及定位芯轴2303与滑套27内壁之间均设有密封圈，以避免负压泄漏。滑动抽真空通道2206的尾端与中心抽真空通道2201插接配合，中心抽真空通道2201的尾端与设置在壳体24上的旋转接头2202相连，旋转接头2202通过气管与抽真空设备相连。

本实施例的具体实施过程如下：

首先将工件4的内孔401活动套接在胀紧部2308的前端，关闭气缸2302气源使定位芯轴2303在碟片弹簧2301作用下左移，使其锥部2304与锥形孔2305配合驱动胀紧部2308胀起并紧卡接工件4内孔401以定位工件4。同时保持抽真空设备产生负压，由吸孔2203产生的吸附力将工件4的右端面固定在主轴本体26的左端面上。启动气缸2302拉动定位芯轴2303右移，在胀紧部2308回缩，胀紧夹头2306在拉环2309作用下退出工件4的内孔401，即完成工件4的定位装夹。

然后开启X轴直线电机11，驱动工件托板1水平移动，使工件4上的外端面与车刀托板7上对应的车刀5相对，即可开启Z轴直线电机18驱动车刀托板7沿水平方向往复移动，由对应车刀5对工件4的外端面进行高精度加工。工件4的外端面加工完成后重新启动X轴直线电机11，使工件4的外圆位置与对应的车刀5相对，再次由Z轴直线电机18驱动车刀托板7移动以进行工件4外圆的高精度加工。最后，由X轴直线电机11驱动工件4的内圆与对应车刀5相对，由Z轴直线电机18驱动车刀托板7移动以进行工件4内圆的高精度加工。

待工件4的外端面、外圆以及内圆均加工完成后将工件4取下即可。本实施例中采用的工件4为内端面预先机加工状态，从而通过本实施例加工后即制得半导体晶圆划片硬刀成品。

Claims (3)

1.一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，其特征在于：包括气静压主轴(2)、设置在气静压主轴(2)上的一体式夹具(3)、刀架(6)以及设置在刀架(6)上的车刀(5)，气静压主轴(2)固定在工件托板(1)上，刀架(6)固定在车刀托板(7)上，工件托板(1)和车刀托板(7)分别沿水平方向滑动设置在床身(8)上，且车刀托板(7)的滑动方向垂直于工件托板(1)的滑动方向分布；

一体式夹具(3)包括用于固定工件(4)端部的吸盘系统(22)和用于定位工件(4)上内孔(401)的定位系统(23)；吸盘系统(22)包括开设在气静压主轴(2)的主轴本体(26)前端端面外缘的多个吸孔(2203)和用于连接吸孔(2203)与抽真空设备的抽真空通道；定位系统(23)包括由前至后依次滑动设置在开设于主轴本体(26)前端的滑孔(2601)中的胀紧夹头(2306)和定位芯轴(2303)，胀紧夹头(2306)和滑孔(2601)之间设有前向滑动限位(2307)，胀紧夹头(2306)的前端具有胀紧部(2308)，胀紧部(2308)用于由定位芯轴(2303)驱动并胀起后通过卡接工件(4)上内孔(401)以定位工件(4)，胀紧夹头(2306)内具有与设置在定位芯轴(2303)前端的锥部(2304)配合以驱动胀紧部(2308)胀起的锥形孔(2305)；

刀架(6)的数量为三个，三个刀架(6)上分别设有用于加工工件(4)的外圆、内圆以及外端面的对应车刀(5)。

2.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，其特征在于：床身(8)上设有供工件托板(1)滑动配合的工件导轨和供车刀托板(7)滑动配合的车刀导轨；工件导轨包括平行间隔分布的X轴V形气浮导轨(12)和X轴平形气浮导轨(9)，在工件托板(1)的下沿对应设有X轴导轨托板V轨(14)和X轴导轨托板平轨(13)；车刀导轨包括平行间隔分布的Z轴V形气浮导轨(20)和Z轴平形气浮导轨(17)，在车刀托板(7)的下沿对应设有Z轴导轨托板V轨(16)和Z轴导轨托板平轨(15)。

3.根据权利要求2所述的一种半导体晶圆划片硬刀加工专用高精度数控车床，其特征在于：X轴V形气浮导轨(12)和X轴平形气浮导轨(9)分别设置在固定于床身(8)上的X轴凵形座(10)的上沿，在X轴凵形座(10)内设有用于驱动工件托板(1)滑动的X轴直线电机(11)；Z轴V形气浮导轨(20) 和Z轴平形气浮导轨(17)分别设置在固定于床身(8)上的Z轴凵形座(19)的上沿，在Z轴凵形座(19)内设有用于驱动车刀托板(7)滑动的Z轴直线电机(18)。

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