NL8403157A - Bewerking van werkstukken uit bros-brokkelige materialen. - Google Patents

Description

fc . » N032686 1

Bewerking van werkstukken uit bros-brokkelige materialen.

De uitvinding heeft betrekking op de bewerking van werkstukken uit bros-brokkelige materialen met grote hardheid.

5 De verspaning van metalen en niet-metalen materialen door slijpen vindt hoe langer hoe meer toepassing in de vervaardigingstechniek, waarbij twee ontwikkelingsdoeleinden worden nagestreefd, namelijk enerzijds het bereiken van een zo groot mogelijke nauwkeurigheid, oppervlakte kwaliteit en een zo gering mogelijke beschadiging en anderzijds 10 een verhoging van het verspaningsvermogen. Beide doeleinden sluiten elkaar tot nu toe uit, omdat volgens de huidige stand van de techniek de constructie van de machines en vooral de specificatie van de slijpwerk-tuigen speciaal moeten zijn ontworpen om het ene of het andere optimum te bereiken.

15 lot nu toe zijn twee slijpwerkwijzen bekend, namelijk het "omtreksslijpen" en "het zijslijpen". Het "omtreksslijpen" is daarbij verder ontwikkeld dan het "zijslijpen" en gedeeltelijk reeds concurrerend met betrekking tot verspaningsvermogen en nauwkeurigheid ten opzichte van draaien, frezen en schaven. De beide verschillende slijp-20 werkwijzen volgens de stand van de techniek zijn diepgaand in de tech- ♦ nische literatuur beschreven, waarbij de vermogensgrenzen in wetenschappelijke werken, vakliteratuur en produktinformaties zijn aangegeven en de telkens bereikte laatste stand weerspiegelen. Beide hiervoor vermelde slijpwerkwijzen hebben hun eigen, elkaar gedeeltelijk overlap-25 pende toepassingsterreinen, waarbij zij optimaal werken. Daarbij is voor zeer harde, brosse en gevoelige materialen en zeer gladde vlakop-pervlakken het zijslijpen beter. Een uitzonderingspositie nemen bij de bewerking niet metalen, kristallijne materialen in, die in grote hoeveelheden in de vorm van zeer dunne, grote oppervlakten bezittende 30 schijven bijvoorbeeld als substraat voor elektronische onderdelen worden toegepast· Een voorbeeld is hier de bewerking van zeer dunne werkstukken in schijfvorm uit silicium, germanium, saffier, granaat, spinel en III-V-verbinding, zoals deze in sterk toenemende mate als substraat voor de vervaardiging van elektronische onderdelen wereldwijd worden 35 toegepast· Het bij het begin van de oppervlakte bewerking uitsluitend toegepaste leppen wordt hoe langer hoe meer vervangen door slijpen met met diamant bezette slijpschijven. Deze werkwijze werd door aanvraagster produktierijp ontwikkeld.

De onderhavige uitvinding heeft tot doel, bij het bewerken van 40 werkstukken uit zeer brosbrokkelige, kristallijne en vaak extreem harde 8403157 2 materialen een ten opzichte van de huidige stand van de techniek verbeterd verspaningsvermogen bij materiaalsparend verwijderen van materiaal mogelijk te maken, waarbij de bij een snijproces onvermijdelijke veranderingen van de bovenste materiaallagen en de hieruit voortkomende be-5 schadiging, dat is de diepte van vernieling van de in de nabijheid van de oppervlakte liggende kristallaag, geringer moet zijn als bij de tot nu toe bekende en toegepaste verwijderingswerkwijzen en waarbij tegelijkertijd een verbetering van de oppervlaktekwaliteit wordt bereikt,om het aantal van de bij dergelijke materialen noodzakelijke op elkaar 10 volgende bewerkingstrappen, zoals bijvoorbeeld voorpolijst- en fijn-slijpen te verminderen·

De beschadiging en duidelijk zichtbare bewerkingssporen op de geslepen oppervlakken verhogen de breukgevoeligheid en veranderen de elektrische waarden van de werkstukken, in het bijzonder van de sub-15 straatschijven aanzienlijk en hebben een zeer nadelige invloed op volgende behandelingen en diffusie-processen· Hoe geringer de beschadiging is hoe dunner de werkstukken kunnen worden geslepen· Eveneens vereenvoudigt en verkort de materiaalsparende slijpbewerking de daaropvolgende bewerkingen, omdat het wegnemen van de onvermijdelijke beschadiging 20 door etsen minder kostbaar is·

Extreem bros-brokkelige, monokristallijne of polykristallijne materialen, die volgens de uitvinding worden bewerkt, hebben een minimale Vickers hardheid van 7000 N/mm^ tot maximaal 25000 N/mm^. De bekendste voorbeelden voor dergelijke materialen zijn AIII-BV-verbindingen met 25 een Vickers hardheid tot 8500* Germanium met een Vickers-hardheid tot 7500, silicium met een Vickershardheid tot 11500, spinel met een Vickerhardheid tot 14000, alsmede Safier- en gallium-gadolinium-granaat (GGG) met een Vickershardheid van 19000 tot 21500. Dergelijke materialen vinden bij voorkeur toepassing in de elektronica. Bovendien kunnen 30 ook superharde sintermaterialen zoals siliciumcarbide SiC met een Vickershardheid van 15000 - 25500, siliciumnitriet Si3N4 met een Vickershardheid van 15000 - 20000 (respectievelijk 35000 bij het een-kristal) alsmede boriumcarbide B4C met een Vickershardheid van 22500 tot 31000 op voordelige wijze worden bewerkt. Dergelijke materialen ; 35 vinden toepassing in de machinebouw, motorenbouw alsmede constructie-bouw. Een verder voorkeursgroep van materialen omvat snijkeramiek met een Vickershardheid van 17000 tot 28500 alsmede Korund AI2O3 met een Vickershardheid van 215000. Deze materialen dienen als niet-metalen snijstoffen.

40 Het doel wordt volgens de uitvinding bereikt door toepassing van 8403157 i * 3 de werkwijze bestaande uit vlak—zij—dwars slijpen voor het bewerken van werkstukken uit extreem bros-brokkelige, kristallijne materialen· £en materiaal dat met bijzondere voorkeur wordt toegepast is monokristal-lijn silicium. Polykristallijn silicium is eveneens zeer goed ge-5 schikt.

Het vlak-zij-dwarsslijpen omvat in tegenstelling tot de nu toe voor het bewerken van dergelijke materialen toegepaste slijpproces slechts twee bewegingscomponenten, namelijk rotatie van de slijpschijf en de loodrecht op het te slijpen werkstukoppervlak gerichte benadering 10 van de slijpschijf. De aanzetbeweging, die bij de tot nu voor de bewerking van dergelijke materialen toegepaste slijpwerkwijze als een dominerende werkzame parameter werd aangezien, vervalt.

Het slijpproces bij het vlak-zij-dwarsslijpen bestaat uit een indompelen van de roterende slijpschijf in het oppervlak van het werk-15 stuk, zodat voor deze bewerking de aanduiding "dompelslijpen" wordt voorgesteld. De slijpbekleding is daarbij bij voorkeur zodanig bemeten, dat het totale te slijpen werkstukoppervlak wordt bedekt, maar er is ook bij zeer uitgestrekte werkstukken een zich herhalend partieel dompelsli jpen mogelijk, waarbij het werkstuk na elke dompelslijping over 20 de breedte van de slijpbekleding ten opzichte van de slijpschijfas wordt verschoven.

Het vlak-zij-dwarsslijpen, dat tot nu toe slechts werd toegepast als relatief ruwe grove verspaning met geringe eisen aan de oppervlakte gesteldheid, heeft bij de volgens de uitvinding beoogde optimale pro-25 cesbesturing, volledig verrassend bij harde en zeer brosse materialen, die kwetsbaar zijn voor kristalroostervernielingen aan de bewerkte oppervlakte, een buitengewone werkstofsparend en goed verspaningsgedrag tot gevolg. Zo is het verspaningsvermogen een veelvoud groter dan de tot nu bekende waarden, hoewel de bereikte oppervlakte-kwaliteit en de 30 schadelijke verandering van de buitenste, met de slijpschijf in kon-tactkomende materialen invergelijking goed zijn met betrekking tot de tot nu speciaal daar voor ontwikkelde bewerkingswerkwijzen.

Extreem bros-brokkelig, monokristallijn silicium kan daardoor geslepen worden tot een einddikte van omstreeks 80 pm, terwijl bij de be-35 kende sli jpmethoden in het algemeen slechts werkstukken met een dikte van groter of gelijk dan 160 pm zeker worden beheerst. Metingen bevestigen, dat nadelige veranderingen in het kristalrooster van het materiaal aan het slijpoppervlak in vergelijking kleiner zijn dan bij de tot nu toe toegepaste slijpwerkwijzen.

40 Volgens de uitvinding wordt verder het zeer grote voordeel verkre- 8403157 / o· i 4 gen, dat de bij het slijpen ven de achterzijden een eindbehandeling gehad hebbende en in het algemeen met een uiteindelijke laag van relatieve zachte materialen beklede voorzijde van de siliciumschijf, die gedurende dit slijpproces de steunzijde op de inklemplaats voor het 5 werkstuk is, veel minder gevaar loopt van beschadiging door indruk-kingen en gekneusde plaatsen en dat daardoor uitval wordt vermeden.

Het in de praktijk tdegepaste, meest gunstige slijpprocessen, waarbij de met diamant bezette zijslijpschijf met een zeer langzame voortgaande beweging en geringe spandiepte over het oppervlak van het 10 werkstuk wordt bewogen, gaan uit van een fijnkorrelige slijpschijf met een elliptisch verlopende afronding van de snijrand, om de geëiste kwa-liteits parameter te bereiken. Deze optimale snijgedragingen zijn bij vervaardigingsmachines niet zeker reproduceerbaar, hetgeen aanzienlijke kwaliteitsschommelingen tot gevolg heeft. Bij het slijpproces volgens 15 de uitvinding moet daarentegen alleen maar worden gelet op de omstandigheid dat de slijpbekleding vlak is.

Met een relatief fijnkorrelige slijpschijf worden verspaningscapa-citeiten bereikt, die tot nu toe slechts werden opgebracht door zeer grof korrelige voorslijpschijven, waarbij echter het aan fijnere slijp-20 schijven eigen gladdere oppervlak aan het werkstuk behouden blijft, zelfs wordt verbeterd terwijl bovendien het met de slijpschijf in aanraking komende materiaaloppervlak in de buitenste laag daarvan minder wordt veranderd of wordt beschadigd. De vlakheid en ruwheid kan nog aanzienlijk worden verbeterd als na het einde van de voeding van het 25 "dompelslijpen" het werkstuk evenwijdig aan het slijpschijfvlak uit het ingrijpgebied wordt weggetrokken. De sporen van de iets verder uit de bekleding van de slijpschijf uitstekende korrelpunten worden daarbij geëgaliseerd. Men kan deze extra bewerkingsstap vergelijken met het zogenaamde "uitbranden" in sterk vereenvoudigde vorm.

30 De toepassing volgens de uitvinding van de werkwijze "vlak-zij- dwarsslijpen" voor het bewerken van werkstukken uit bros-brokkelige materialen met een grote hardheid schept een nieuwe slijptechnologie met vele voordelen.

Omdat geen aanzetbeweging plaatsvindt, is het mogelijk een eenvou-35 diger en zeer stabiele machine te construeren. Bekende automatische slijpmachines met één of meer stations werken met ronde tafels als werkstukdrager en -voedingsinrichting, waarbij beslist verschillende naar buiten toenemende voedingsnelheden optreden. Dit nadeel, dat een negatieve invloed heeft op de oppervlakte kwaliteit en de materiaalbe-40 lasting gedurende het ingrijpen van de slijpkorrels, valt weg, omdat, 840 3 1 5 7 # 5 · zoals boven beschreven, een afsluitend "uitbranden” als rechtlijnige beweging, bijvoorbeeld van de draaibankkop voor de slijpas kan worden uitgevoerd, om een zeer fijn en gelijkmatig oppervlak te verkrijgen.

Normale slijpautomaten met een ronde tafel met meerdere stations hebben 5 bij alle slijpstations eenzelfde voedingssnelheid, onafhankelijk van het feit of voor-, fijn- of maximaal fijn-geslepen wordt. Bij het volgens de uitvinding toegepaste vlak-zij-dwarsslijpen, waarbij gedurende het slijpproces geen aanzetbeweging plaatsvindt, kan de "uitbrandbewe-ging" telkens individueel en optimaal met geringe machinekosten worden 10 aangepast, waarbij in het algemeen een lineaire "uitbrandbeweging" slechts bij het laatste slijpstation noodzakelijk is. Omdat gedurende het slijpen de werkstukdrager stilstaat, bijvoorbeeld in de vorm van een ritmisch stapsgewijs bewegende ronde tafel, is een zeer nauwkeurige en voor wat betreft de handeling eenvoudige lading en lossing van werk-15 stukken gegeven.

Een verder voordeel is, dat gedurende deze periode een volledige scheiding tussen de ruimte tussen het slijpgebied en het gebied van aanvoer en afvoer mogelijk wordt, hetgeen bij zeer precieze werkstukken zeer belangrijk, omdat de inspanplaats van het werkstuk kan worden ge-20 reinigd en schoon kan worden gehouden totdat de volgende substraat-schijf is aangebracht. Geringe stofdeeltjes tussen.de steunplaats van het werkstuk en de substraatschijf drukken op het oppervlak en leiden bij zeer dunne substraatschijven onvermijdelijk tot de gevreesde, plaatselijke scheuren, die vanwegen hun vorm "kraaienpoten" worden ge-25 noemd.

De onderhavige uitvinding geeft het buitengewoon grote voordeel van een veelvoud grotere verspaningscapaciteit, met relatief geringe belasting van werkstuk en werktuig.

Dit maakt het afslijpen van brosse materialen tot zeer geringe 30 dikten tussen 60 en 250 pm mogelijk, bij voorkeur tussen 80 en 200 pm, omdat op voordelige wijze het kristalrooster van het materiaal slechts weinig wordt veranderd. Een verder voordeel is, dat gedurende het slijpen de werkstukdraagtafel vast geblokkeerd op de machinekolom ligt en daardoor trillingsstabiel is.

35 Een verder voordeel van de onderhavige uitvinding zijn geringe specifieke werktuigkosten, die het gevolg zijn van de lange levensduur van de slijpschijf, hetgeen nog belangrijk wordt bevorderd doordat het maximaal mogelijke aantal slijplichamen deelneemt aan het slijpproces, waardoor de korrelbelasting wordt verminderd en de spaanafvoer wordt 40 vergemakkelijkt, waarbij de op afzonderlijke korrel werkende constanten 840 31 5 7 r t 6

V

en vibratie-arme snijkracht, ten opzichte van het snijvlak als vaste ruimtevektor kan worden weergegeven. Door de niet vereiste aanzetbeweging wordt daardoor het uitbreken van het slijplichaam uit de binding daarvan vertraagd.

5 De voor de werkwijze volgens de uitvinding vereiste slijpschijven zijn ongecompliceerd en gemakkelijk te vervaardigen. In het algemeen zullen slijplichamen, bij voorkeur met diamantkorrel als snijmateriaal, in de vorm van schijven, platen of stroken op een basislichaam worden bevestigd. De daarbij vrijblijvende tussenruimten tussen de afzonder-10 lijke slijpelementen versterken het koeleffect en vergemakkelijken het afvoeren van spanen· De afstand tussen de afzonderlijke slijpelementen resp· slijpsegmenten is daarbij telkens kleiner dan het te bewerken oppervlak· Op deze wijze wordt vermeden, dat een werkstuk tussen twee segmenten wordt vastgeklemd en bij het roteren van de slijpschijf dan 15 een normaal kops slijpproces wordt uitgevoerd, waarbij slechts de randen van het slijpsegment werkzaam worden. Er kunnen echter ook slijpschijven met een ononderbroken bekleding, waarvan de afmetingen zijn afgestemd op de grootte van het werkstuk, met voordeel worden toegepast.

20 Bij de werkwijze volgens de uitvinding kunnen economisch fijne korrels worden toegepast, wat bij het slijpen van niet metalen materialen gladdere oppervlakken veroorzaakt.

De uitvinding zal thans nader worden uiteengezet aan de hand van de tekeningen waarin bij wijze van voorbeeld enige uitvoeringsvormen 25 van de uitvinding zijn weergegeven.

Figuur 1 geeft een substraat met een karakteristieke afmeting weer.

Figuur 2 geeft een uitvoeringsvorm weer van een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding bestaande uit 30 vlak-zij-dwarsslijpen.

Figuur 3 geeft schematisch de grootteverhoudingen weer tussen slijpvlakken van de slijpschijf en het werkstuk bij een inrichting volgens figuur 1.

Figuur 4 geeft schematisch in de figuren 4a tot 4e voorbeelden 35 weer van voordelige uitvoeringen van de slijpvlakken van slijpschijven voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding.

De in figuur 1 weergegeven substraatschijf uit silicium heeft afmetingen zoals deze voorwaarde zijn voor de vervaardiging van elektronische onderdelen met een groot vermogen.

40 De in figuur 2 weergegeven uitvoeringsvorm van een inrichting be- 8403157 * 7 :· staat uit een in principe blokvormige machinekolom 1, op het horizontale vlak waarvan een intermitterend ritmisch draaibare of horizontaal schuifbare tafel 2, die gedurende het slijpproces kan worden vastgeklemd, voor het ontvangen en voor het verder transporteren van de werk-5 stukken, is gelagerd. Boven de opneemplaats van de werkstukken steekt een ondersteuning 4 uit, waaraan de aandrijfmotor 8 en de slijpas 8, die de slijpschijf 6 met het naar de werkstukken toegekeerde slijpvlak 7 draagt, zijn bevestigd. De ondersteuning 4 is met nauwkeurige en stijve geleidingselementen 9 verticaal naar boven en naar beneden be-10 weegbaar aan de kolom 1 bevestigd.

Deze verticale bovenwaartse en benedenwaartse beweging kan bijvoorbeeld worden ingeleid door een elektrisch aangedreven voedingsas 10. Deze voedingsas 10 voert de slijpschijf 6 volgens de onderhavige uitvinding in "dompelschijven" tot op de eindmaat van het werkstuk naar 15 beneden toe en heft met een snelle beweging de gehele ondersteuning naar boven toe. Gedurende deze teruggaande beweging van de ondersteuning wordt door intermitterend draaien of horizontale verschuiving van de tafel 2 het bewerkte werkstuk uit het gebied van de slijpschijf verwijderd, gelijktijd een nieuw te bewerken werkstuk onder de slijpschijf 20 gebracht en in werkpositie vastgezet;

Dit gelijktijdig verwijderen en laden vindt plaats in afstemming met de teruggaande beweging van de ondersteuning, zodat geen botsing tussen een nieuw werkstuk en de slijpschijf plaatsvindt, zolang de transportbeweging niet is afgesloten en de werkstukdrager weer is vast-25 geklemd.

Figuur 3 geeft een slijpschijf weer voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding. De weergegeven slijpschijf 40 heeft een naar het werkstuk 41 toegekeerd slijpvlak 42, dat het gedurende het slijpproces vast aangebrachte en niet aan een aanzetbeweging onderwor-30 pen werkstuk 41 volledig bedekt. Op deze wijze wordt er voor gezorgd dat gedurende het slijpen alle slijplichamen van het slijpvlak 42 spaanafnemend werkzaam worden.

Figuur 4 geeft schematische verschillende uitvoeringsmogelijkheden weer van volgens de onderhavige uitvinding te gebruiken slijplichaamv-35 lakken.

Figuur 4a geeft een uit bolletjes van slijplichaampjes gevormd slijpvlak. Figuren 4b en 4c geven slijpschijven weer, waarvan de slijp-bekledingen uit rechthoekige respectievelijk trapeziumvormige slijpbe-kledingselementen 44, 45 zijn gevormd.

40 Bij figuren 4d en 4e zijn de slijpbekledingselementen staafvormig 840 31 57 * r 8 46 respectievelijk boogvormig 47 uitgevoerd. In alle uitvoeringsvormen 4a tot 4e zijn telkens cirkelvormige werkstukken 41 getekend, waarbij kan worden gezien, dat de slijpbekledingen de werkstukken in het vlak effectief volledig afdekken. Bij elk van deze uitvoeringsvormen van 5 slijpschijven wordt ervoor gezorgd, dat gedurende het slijpen alle slijplichamen van de naar het werkstuk toegekeerde slijpbekledingssegmenten spaanverwijderend werkzaam worden. Dit staat duidelijk in tegenstelling tot het normale kopse slijpen, waarbij slechts de slijpli-chaampjes van de slijpschijfrand, spaanafnemend werken.

10 Een verder voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is het feit, dat de slijpbelasting en het ingrijpgebied van de slijpschijf aan het werkstuk gedurende de hele slijptijd constant zijn. Daardoor wordt een zeer gelijkmatig slijpbeeld en een zeer stabiel slijpproces bereikt.

15 Het vlak-zij-dwarsslijpen volgens de uitvinding is bijvoorbeeld in het ontwerp van DIN 8589, deel 11, bladzijde 10, beschreven.

840 3 1 5 7

Claims (2)

1. Toepassing van het vlak-zij-dwarsslijpen voor het bewerken van schijfvormige werkstukken uit zeer harde, bros-brokkelige, kristallijne 5 materialen met een Vickershardheid groter dan 7000 H/m^ tot een dikte tussen 60 en 250 pm.

2· Toepassing van het vlak-zij-dwarsslijpen volgens conclusie 1, voor het bewerken van schijfvormige werkstukken uit zeer harde, bros-brokkelige, kristallijne materialen bij voorkeur tot een dikte tussen 10 80 en 120 pm 840 3 1 5 7