CN2880443Y - 单晶硅棒切方滚磨机床 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种集切方加工－滚磨外圆加工－磨方加工三种加工方式于一体的单晶硅棒切方滚磨机床，该机床的床头装置包括：驱动部；电磁离合器；以及传动部。所述传动部分别与所述驱动部和所述床头装置的主轴连接，并将所述驱动部的驱动力传递给所述床头装置的主轴。通过对床头装置的结构进行改进，可以消除床头箱主轴的装配间隙，增加单晶硅棒的定位刚性，从而可以使用滚磨装置对单晶硅棒进行磨方加工，以提高使单晶硅棒的尺寸精度和表面光洁度。由此，可以有效防止在切薄片时由于尺寸精度和表面光洁度不高而引起的崩边现象，使产品的成品率和生产效率提高，增加了经济效益。

Description

单晶硅棒切方滚磨机床

技术领域

本实用新型涉及对硅电子材料进行机械加工的设备，特别涉及一种床头箱安装有电磁离合器，可以高精度地对单晶硅棒进行切方加工、滚磨外圆加工以及磨方加工一体化的单晶硅棒切方滚磨机床。

背景技术

目前，随着电子行业飞速发展，硅电子材料的需求量越来越大。据统计，仅中国国内的硅电子材料的产量从1993年90吨迅速上升到2004年的2000多吨。因此，对于硅电子材料加工设备的要求也越来越高，尤其是设备的生产效率以及加工精度。

图10所示的是现有的单晶硅棒切方滚磨机床，其主要包括：设有按钮台113的机架100；工作台200，包括上工作台201和下工作台202；床头装置300′和尾架310；切方装置600；滚磨装置500以及数控装置400。

在图10中保持机构700用于支撑切方装置600，其中，立柱701设置在机架100上，升降油缸702设置在立柱701中，并以常规的液压的方式(液压油路图中未示出)进行升降。而且，在立柱701上设有固定板和滑板，具有切方刀具的切方机构设置在保持机构700的滑板上，滑板由升降油缸702驱动，可以相对于固定板上下移动；切方刀具由驱动机构驱动使其旋转，从而实现切方作业。

另外，滚磨装置500包括：固定在磨轮保持机构508上的磨轮主轴下滑座；保持在主轴下滑座上的磨轮升降滑板，其通过设置在保持机构508上的数控电机驱动而进行升降；以及磨轮主轴，其由设置在磨轮升降滑板上的磨轮主轴支架支撑，并且通过磨轮电机驱动旋转。在磨轮主轴的一端设有磨轮，通过磨轮主轴的旋转，经磨轮皮带的传动，来驱动磨轮进行滚磨加工。

在上述现有的单晶硅棒切方滚磨机床中采用了一种四轴数字控制系统装置400。这四个轴(X、Y、Z和A轴)分别由相应的电机驱动。其中，X轴用于驱动上工作台201相对于下工作台202移动，Y轴用于驱动磨轮升降滑板的上下移动，Z轴用于驱动磨轮的进给移动，A轴则用于驱动床头主轴按预定角度旋转(分度旋转)。当待加工工件装夹在床头装置300′和尾架310之间以后，就可以通过上述四轴控制系统的四轴的相互配合和协调动作，进行切方、滚磨加工。

然而，在现有的单晶硅棒切方滚磨机床中，由于存在床头主轴的装配间隙，单晶硅棒的定位刚性不足，分度旋转存在偏差，所以不能使用滚磨装置进行磨方加工，从而使单晶硅棒的尺寸精度和表面光洁度降低。如果切四方单晶硅棒光洁度不高，则在切薄片时将产生崩边现象，使次品率提高，从而造成材料的浪费并且对生产效率具有较大影响。

实用新型内容

为了提高上述切方滚磨机床单晶硅棒的定位刚性，并使用滚磨装置对工件进行磨方加工，本实用新型的目的是提供一种切方、滚磨外圆以及磨方三种加工方式一体化的单晶硅棒切方滚磨机床，通过对床头装置的结构进行改进，可以消除床头箱主轴的装配间隙，增加单晶硅棒的定位刚性，从而可以使用滚磨装置对单晶硅棒进行磨方加工，以提高单晶硅棒的尺寸精度和表面光洁度。由此，可以有效防止在切薄片时由于尺寸精度和表面光洁度不高而引起的崩边现象，使产品的成品率和生产效率提高，增加了经济效益。

为了实现上述目的，本实用新型的单晶硅棒切方滚磨机床包括床头装置，其中，所述床头装置包括：主轴；驱动部；电磁离合器；以及传动部，传动部分别与驱动部和床头装置的主轴连接，驱动部的驱动力通过传动部传递给床头装置的主轴并驱动主轴旋转。上述电磁离合器包括动环部和静环部，动环部与床头装置的主轴以键连接方式紧密配合，静环部固定在床头装置上。

优选地，所述驱动部驱动所述主轴分度旋转或连续旋转。

优选地，所述驱动部为交流伺服电机。

优选地，上述单晶硅棒切方滚磨机床进一步包括数控装置，所述数控装置与交流伺服电机电连接，并且输出用于控制交流伺服电机旋转的控制信号。

优选地，所述数控装置与所述电磁离合器电连接，并且输出用于控制所述电磁离合器通电和断电的控制信号。

优选地，传动部为蜗轮蜗杆传动机构。

优选地，所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆与所述驱动部连接，所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮套在所述床头装置的主轴上并且与其紧密配合。

根据本实用新型，通过对床头装置的结构进行改进，可以增加单晶硅棒的定位刚性，从而提高单晶硅棒的尺寸精度和表面光洁度。

附图说明

图1是本实用新型单晶硅棒切方滚磨机床的整体示意图；

图2是本实用新型单晶硅棒切方滚磨机床的床头主轴结构示意图；

图3是本实用新型床头装置的电磁离合器安装的局部剖视图；

图4是本实用新型单晶硅棒切方滚磨机床切方装置的主视示意图；

图5是本实用新型的切方滚磨机床工件装夹示意图；

图6是本实用新型切方滚磨机床进行切方加工的局部示意图；

图7是本实用新型切方滚磨机床先切方加工后滚磨加工的局部示意图；

图8是本实用新型切方滚磨机床的滚磨加工的局部示意图；

图9是使用本实用新型切方滚磨机床进行切方滚磨加工后的单晶硅棒横面形状一例的示意图；

图10是现有单晶硅棒切方滚磨机床的整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施方式进行详细描述。

如图1所示，单晶硅棒切方滚磨机床主要包括：设有按钮台113的机架100；工作台200，包括上工作台201和下工作台202；床头装置300和尾架310；切方装置600；滚磨装置500以及数控装置400。下工作台202固定在机架100上，上工作台201可相对于下工作台202左右往复运动。具有顶盘3012的床头装置300和具有顶盘3123的尾架310设置在上工作台201上，用于装夹加工工件。在本实用新型的优选实施例中，床头装置300包括：作为驱动部的交流伺服电机302，其固定在工作台上；作为动力传动部的蜗轮蜗杆机构304，其设置在床头装置300的箱体3001中；以及电磁离合器303。床头装置300的具体结构详见图2和图3所示。

此外，在图1中还示出了用于支撑切方装置600的保持机构700的一部分，其中，立柱701设置在机架100上，升降油缸702设置在立柱701中，并以常规的液压的方式(液压油路图中未示出)进行升降。而且，在立柱701上设有固定板703和滑板704(参照图4)，具有切方刀具的切方机构设置在保持机构700的滑板704上，滑板704由升降油缸702驱动，可以相对于固定板703上下移动。切方装置600的具体结构详见图4。

另外，在图1中，还示意性地表示出了设置在机架100上的滚磨装置500的保持机构508，以及磨轮和磨轮轴部分507。滚磨装置500的具体结构参见图5。

图2所示的是床头装置300的结构示意图。箱体3001安装在上工作台，床头主轴3003通过轴承3004，3005可旋转地支撑在箱体3001上，并且与蜗轮蜗杆传动机构304的蜗轮3042以键连接方式紧密配合。蜗轮蜗杆传动机构304设置在箱体3001中，蜗杆3041与蜗轮3042啮合，并且通过皮带与交流伺服电机302连接，用以将交流伺服电机302的旋转力矩传递给床头主轴，使其旋转。箱体3001的一端使用端盖3002密封，床头装置300的另一端设有电磁离合器303。背母3006紧固在主轴3003的末端。

参照图3，电磁离合器303套在床头主轴3003上，电磁离合器303的动环部通过键连接方式与主轴3003相互紧密配合。在本实用新型的优选实施例中，电磁离合器303的动环部通过平键3034与床头主轴3003相互紧密配合。电磁离合器303的动环部包括动环3031以及动环座3033，动环3031固定在动环座3033上，电磁离合器303的动环部可与床头主轴3003一起旋转。电磁离合器303的静环部包括静环3030以及电磁线圈3032，线圈3032缠绕在静环3030形成的槽中。静环3030通过螺栓3035螺纹连接并固定在箱体3001上。背母3006紧固在主轴3003的末端。

在本实用新型的切方滚磨机床中，采用了一种四轴数控装置。这四个轴(X、Y、Z和A轴)分别由相应的电机(未示出)驱动。其中，X轴用于驱动上工作台201相对于下工作台202移动，Y轴用于驱动磨轮升降滑板的上下移动，Z轴用于驱动磨轮505的进给移动，A轴由交流伺服电机302驱动以使床头主轴3003按预定角度旋转(分度旋转)或者连续旋转。

参照图2，通过数控装置400(见图1)编制的程序对交流伺服电机302进行控制，交流伺服电机302一旋转，则驱动蜗杆3041旋转，同时使与蜗杆3041啮合的蜗轮3042带动床头主轴3003一起旋转。通过结合蜗轮蜗杆传动机构的传动参数对控制程序进行设计，床头主轴3003可以根据实际需要(例如，实际切方或者磨方的面数)旋转任意的角度或者度数(即分度旋转)，也可以连续旋转。例如在对单晶硅棒进行切四方或者磨四方加工时，每切完或磨完一面则床头主轴3003由交流伺服电机302驱动使其旋转90°以后，电磁离合器303动环部与静环部吸合从而抱紧主轴3003，以进行下一个面的切方或磨方加工。在进行滚磨外圆加工时，电磁离合器303动环部与静环部分开，床头主轴3003通过交流伺服电机302的持续驱动而连续旋转。

在本实用新型中，床头主轴3003旋转时，电磁离合器303处于断电状态，电磁线圈3032没有电流流过，电磁离合器303的动环3031与静环3030分开，电磁离合器的动环部随床头主轴3003一起旋转。当床头主轴3003转过预定的角度或者度数以后，即装夹在床头装置300和尾架310之间的加工工件(单晶硅棒)转角定位后，给电磁离合器303通电，电磁线圈3032中有电流流过从而产生磁力，动环3031与静环3030吸合，以使电磁离合器303抱紧床头主轴3003，床头主轴3003固定不动，增加了单晶硅棒的定位刚性，从而实现加工工件的准确定位。当上述加工工序结束时，电磁离合器303断电，动环3031与静环3030分开，动环部随床头主轴3003一起旋转所需的一定角度或者度数，到达下一加工工位后吸合。由此，通过控制电磁离合器303的通电状态和断电状态，就可以消除床头主轴3003的装配间隙，增加切方和磨方加工过程中加工工件(单晶硅棒)的定位刚性，从而获得更高的加工精度和表面光洁度，提高成品率和成品质量。

在图5所示的工件装夹示意图中，尾架310包括：其中设有油缸(图中未示出)的尾架体3121、伸缩套管3122以及设置在伸缩套管3122的一端的尾架顶盘3123。伸缩套管3122的另一端设置在尾架体3121中，并且可以通过尾架体3121中的所述液压油缸的作用而伸长和缩短。另外，也可以通过手轮3124手动装夹工件。伸缩套管3122由所述液压油缸推动，使尾架顶盘3123与床头顶盘3012相互配合，从而夹紧工件。当交流伺服电机302通过蜗轮蜗杆传动机构304驱动床头箱的主轴3003以分度方式或者连续方式旋转时，所夹紧的工件也相应地以分度方式或者连续方式旋转。

通过上述四轴数控装置的四轴的相互配合和协调动作，实现了本实用新型的将切方、滚磨外圆以及磨方操作在一台机床完成的目的。

根据本实用新型的一个优选方式，上述四轴控制系统中的电机可以采用常规的数控电机。相应地，如图1所示，在机架100上可设置一数控装置400。通过对数控装置400编制程序，分别输出相应的控制信号到上述四轴控制系统的各数控电机上，从而对切方滚磨机床的加工方式和加工过程等进行控制，实现全自动的切方、滚磨外圆以及磨方的加工过程。

图4所示的是切方装置600的示意性的主视图。参考图4并结合图1所示，固定板703设置在立柱701上，滑板704保持在固定板703上，并由设置在立柱701上的升降油缸702驱动，从而可以相对于固定板703上升和下降。电动机611设置在滑板704上，电动机611的转子两端各设有左皮带轮609和右皮带轮610。一对轴承支架603、604分别固定在滑板704上。一对旋转轴605、606通过轴承分别可旋转地保持在轴承支架603、604中。旋转轴605的右端设有左刀片601，旋转轴606的左端设有右刀片602，左刀片601和右刀片602之间相互分隔一定距离。旋转轴605的左端设有左刀片皮带轮607，旋转轴606的右端设有右刀片皮带轮608，左刀片皮带轮607和右刀片皮带轮608分别与其相对应的电动机611的左皮带轮609和右皮带轮610通过皮带相连。由于左皮带轮609和右皮带轮610设置在电动机转子的左右两端，因此电动机611就以皮带传动的方式驱动旋转轴605、606同步旋转，从而使左刀片601和右刀片602同步旋转。

而且，左刀片601和右刀片602之间的距离还可以根据工件切方加工的尺寸通过调整旋转轴605、606的伸缩长度或更换不同的刀垫进行适当调整。

在如图8所示的滚磨加工的示意图中，滚磨装置500包括：固定在磨轮保持机构508上的磨轮主轴下滑座503；保持在主轴下滑座503上的磨轮升降滑板502，其通过设置在保持机构508上的数控电机驱动而进行升降；以及磨轮主轴504，其由设置在磨轮升降滑板502上的磨轮主轴支架501支撑，并且通过磨轮电机(未示出)驱动旋转。

在磨轮主轴504的一端设有磨轮505，通过磨轮主轴504的旋转，经磨轮皮带的传动，来驱动磨轮505进行滚磨加工。

另外，虽然附图中没有示出，但是本实用新型的切方滚磨机床还包括冷却装置，通常使用冷却水循环装置，用以降低或者发散切方加工和滚磨加工时所产生的热量。

在本实用新型的实施方案中，驱动X、Y、Z轴的电机以及驱动切刀601、602的电机611和磨轮电机都可采用交流伺服电机。

接下来，对具有上述构成方式的本实用新型单晶硅棒切方滚磨机床加工横截面为四方形的单晶硅棒的加工过程进行说明。但是并不仅局限于此。

首先，如图5和图6所示，将待加工的单晶硅棒坯材800装夹在床头装置300和尾架310之间，按照切方加工的尺寸调整刀片间距后，将数控装置400控制的X、Y、Z、A四轴复位。然后，给电磁离合器303通电，电磁线圈3032中有电流流过从而产生磁力，动环3031与静环3030吸合，以使电磁离合器303抱紧床头主轴3003，床头主轴3003固定不动。

接着，通过升降油缸702将左、右刀片601和602下降到加工工位(例如尾架侧的位置)，启动电动机611，驱动左、右刀片同步转动，同时打开冷却水。工作台200的X轴按照适合于切方加工的速度移动，使得上工作台201向右移动，这时左、右刀片601和602对单晶硅棒800进行切方加工。完成后，上工作台201迅速返回原位。然后，电磁离合器303断电，电磁离合器303的动环3031与静环3030分开。通过蜗轮蜗杆传动机构304，交流伺服电机302驱动床头装置300的主轴3003(A轴)进行90°转动，动环3031随床头主轴3003一起旋转。

然后，当床头主轴3003转过预定的90°以后，即装夹在床头装置300和尾架310之间的单晶硅棒800转角定位后，给电磁离合器303通电，使动环3031与静环3030吸合，从而抱紧床头主轴3003，以使床头主轴3003固定不动，从而实现单晶硅棒800的准确定位。上工作台201再次向右运动进行进给，从而进行第二次切方加工。当第二次切方加工结束时，电磁离合器303断电，动环3031与静环3030分开，通过蜗轮蜗杆传动机构304，交流伺服电机302驱动床头装置300的主轴3003(A轴)进行90°转动，到达下一加工工位后吸合，以进行下一工位的加工。

重复上述加工工序就可以加工出横截面为四方形的单晶硅棒产品。由此，通过控制电磁离合器303的通电状态和断电状态，就可以消除床头主轴3003的装配间隙，增加加工过程中加工工件(单晶硅棒)的定位刚性，从而获得更高的加工精度和表面光洁度，提高成品率和成品质量。

完成切方后，停止电动机611，并关闭冷却水。升降油缸702向上将滑板704提起，使左、右刀片601和602离开工位并复位。

这样，即完成了对该单晶硅棒800的切四方工作。

以上所述的是加工出横截面为四方形的单晶硅棒的过程。显然，如果在上述切方过程中，交流伺服电机302通过蜗轮蜗杆传动机构304驱动床头主轴3003(A轴)进行45°转位，则可以加工出横截面为六角形的单晶硅棒。依此类推，通过设置不同的旋转角度，显然也可以加工出横截面为其它形状的单晶硅棒。

接下来说明切四方加工完成后的磨四方加工过程，磨四方加工过程与上述切四方加工过程类似，不同之处在于，磨四方加工使用滚磨装置的磨轮505作为加工刀具。

首先，按照磨方加工的尺寸调整工件与磨轮之间的间距后，将数控装置400控制的X、Y、Z、A四轴复位。然后，给电磁离合器303通电，电磁线圈3032中有电流流过从而产生磁力，动环3031与静环3030吸合，以使电磁离合器303抱紧床头主轴3003，床头主轴3003固定不动。

接着，启动滚磨装置使磨轮505旋转，同时打开冷却水。工作台200的X轴按照适合于磨方加工的速度移动，使得上工作台201向右移动，这时磨轮505对单晶硅棒800进行磨方加工。完成后，上工作台201迅速返回原位。然后，电磁离合器303断电，电磁离合器303的动环3031与静环3030分开。通过蜗轮蜗杆传动机构304，交流伺服电机302驱动床头装置300的主轴3003(A轴)进行90°转动，动环3031随床头主轴3003一起旋转。

然后，当床头主轴3003转过预定的90°以后，即装夹在床头装置300和尾架310之间的单晶硅棒800转角定位后，给电磁离合器303通电，使动环3031与静环3030吸合，从而抱紧床头主轴3003，以使床头主轴3003固定不动，从而实现单晶硅棒800的准确定位。上工作台201再次向右运动进行进给，从而进行第二次磨四方加工。重复上述步骤即可完成单晶硅棒的磨四方加工。

接下来以切四方和磨四方后进行圆角滚磨加工为例来说明本实用新型切方滚磨机床的滚磨加工，如图5所示。

首先，将X、Y、Z轴返回原位。电磁离合器303处于断电状态，动环3031与静环3030分开，此时，电磁离合器303的动环部可以与床头主轴3003一起旋转。然后，由控制Y轴的数控电机(未示出)驱动使磨轮升降滑板502向下运动，使磨轮505下降。由驱动Z轴的数控电机使磨轮主轴504做进给移动以靠近工件。启动磨轮电机(未示出)使磨轮转动，另一方面，通过蜗轮蜗杆传动机构304，由交流伺服电机302驱动床头装置300的主轴3003开始连续旋转。同时，打开冷却水。

X轴的数控电机驱动上工作台201向右运动进行进给。同时磨轮505对单晶硅棒800开始滚磨加工。上工作台201带动单晶硅棒800往复运动，直到将单晶硅棒加工至设定的外径尺寸为止。

这样就完成了对单晶硅棒的切方滚磨加工。

显然，可以通过在数控装置400中将上述加工过程编制成相应的控制程序，实现对单晶硅棒进行切方滚磨加工的全自动控制。数控装置400可采用常规的数控设备(例如，北京航天数控公司生产的MCM-600-8)。在这种情况下，数控装置400可以采用常规的控制方式(如继电器控制或可控硅控制等)来控制各个电机。

具体地说，数控装置400输出的控制信号主要包括：向X轴驱动电机输出的X轴换向开关信号；向控制刀片601和602升降的电机输出的升降滑板电磁阀信号；向驱动刀片601和602旋转的电机611输出的刀片旋转电机开关信号；向Y轴驱动电机输出的磨轮升降滑板520的升降信号；向Z轴驱动电机输出的磨轮旋转电机开停信号；向A轴驱动电机输出的旋转角度控制信号；向各轴电机输出的限位开关信号；向电磁离合器302的线圈3032输出的通电和断电控制信号；以及冷却水开关信号。

如上所述，本实用新型单晶硅棒切方滚磨机床的床头装置设有电磁离合器，通过控制电磁离合器的通电状态和断电状态，可以消除床头主轴的装配间隙，增加加工工件(单晶硅棒)的定位刚性，从而实现切方加工、滚磨外圆加工以及磨方加工的一体化，以获得更高的加工精度和表面光洁度，提高成品率和成品质量。

以上对本实用新型的优选实施方式进行了详细描述，但是本实用新型并不局限于上述实施例，对本领域的技术人员显而易见的各种修改、变换，仍包含在本实用新型权利要求书所限定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种单晶硅棒切方滚磨机床，包括床头装置，其特征在于，所述床头装置包括：主轴；驱动部；电磁离合器；以及传动部，

所述传动部分别与所述驱动部和所述床头装置的主轴连接，所述驱动部的驱动力通过所述传动部传递给所述床头装置的主轴并驱动所述主轴旋转，

所述电磁离合器包括动环部和静环部，所述动环部与所述床头装置的主轴以键连接方式紧密配合，所述静环部固定在所述床头装置上。

2.根据权利要求1所述的单晶硅棒切方滚磨机床，其特征在于，所述驱动部驱动所述主轴分度旋转或连续旋转。

3.根据权利要求2所述的单晶硅棒切方滚磨机床，其特征在于，所述驱动部为交流伺服电机。

4.根据权利要求3所述的单晶硅棒切方滚磨机床，其特征在于，进一步包括数控装置，所述数控装置与所述交流伺服电机电连接，并且输出用于控制所述交流伺服电机旋转的控制信号。

5.根据权利要求4所述的单晶硅棒切方滚磨机床，其特征在于，所述数控装置与所述电磁离合器电连接，并且输出用于控制所述电磁离合器通电和断电的控制信号。

6.根据权利要求1-5任一项所述的单晶硅棒切方滚磨机床，其特征在于，所述传动部为蜗轮蜗杆传动机构。

7.根据权利要求6所述的单晶硅棒切方滚磨机床，其特征在于，所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆与所述驱动部连接，所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮套在所述床头装置的主轴上并且与其紧密配合。

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