超声波旋转掏棒机

摘要

本发明公开了一种超声波旋转掏棒机，包括切割装置、工作台和水冷却装置；切割装置包括导轨、可沿着导轨移动的架体、用于驱动架体沿着导轨移动的架体驱动电机、设有切割刀具的主轴和用于带动主轴转动的主轴驱动电机；主轴的上端设置有集流装置，主轴的内部设有空腔，空腔内设置有超声波换能器，主轴的下端固定设置有套筒，套筒的下端设置有切割刀具；主轴上设置有第二冷却水管道。水冷却装置包括水泵、出水管、回水管和水箱。本发明的超声波旋转掏棒机，具有可以很容易的磨削蓝宝石晶体、切削效率高、冷却效果好且提高了晶棒的表面质量等优点。

权利要求

1.超声波旋转掏棒机，其特征是，包括切割装置、工作台和水冷却装置； 所述切割装置包括导轨(1)、可沿着导轨(1)移动的架体(2)、用于驱动架体(2)沿着导轨(1)移动的架体驱动电机(3)、设有切割刀具(4)的主轴(5)和用于带动主轴(5)转动的主轴驱动电机(6)；所述架体(2)的两侧各设置有一根所述导轨(1)；所述架体(2)上设置有内螺纹孔，所述架体驱动电机(3)的输出端设置有丝杆(7)，所述丝杆(7)与所述架体(2)的内螺纹孔之间螺纹配合以使得所述丝杆(7)转动时可带动所述架体(2)沿着所述导轨(1)移动；所述架体(2)上设置有主轴驱动电机(6)，所述架体(2)之上还安装有由所述主轴驱动电机(6)驱动的主轴(5)；所述主轴驱动电机(6)和所述主轴(5)之间采用传动带(8)作为传动机构；主轴(5)的上端设置有集流装置，主轴(5)的内部设有空腔(9)，所述空腔(9)内设置有超声波换能器(10)，所述主轴(5)的下端固定设置有套筒(11)，所述套筒(11)的下端设置有切割刀具(4)；所述主轴(5)上设置有用于通过冷却水的第二冷却水管道(13)，所述架体(2)上设置有第一冷却水管道(12)，所述第一冷却水管道(12)和第二冷却水管道(13)相通，且所述架体(2)上的第一冷却水管道(12)与所述水冷却装置的出水管(21)相连通，由水冷却装置向第一冷却水管道(12)和第二冷却水管道(13)内注入冷却水；所述集流装置包括上集流环(14)和下集流环(15)，所述上集流环(14)和下集流环(15)均通过电源线(16)与所述超声波换能器(10)相连接； 所述工作台包括工作台本体(17)、电磁吸盘(18)和用于固定被加工工件的固定板(19)；所述电磁吸盘(18)设置于所述工作台本体(17)上，所述固定板(19)设置于所述电磁吸盘(18)上；

所述水冷却装置包括水泵(20)、出水管(21)、回水管(22)和水箱(23)；所述水箱(23)用于存储冷却水，所述水箱(23)和水泵(20)之间通过连接水管(24)相连接；所述水箱(23)上还设置有所述回水管(22)；所述出水管(21)设置于所述水泵(20)上，且出水管(21)与所述切割装置的架体(2)的第一冷却水管道(12)相连接；所述架体(2)上还设置有可将冷却水引导至被加工工件的导管(25)；所述工作台还包括第一电机(26)、第一丝杆(27)、第二电机(28)和第二丝杆(29)； 所述第一丝杆(27)由所述第一电机(26)驱动旋转，所述第一丝杆(27)的一端与所述第一电机(26)的输出端相固定连接，所述第一丝杆(27)的另一端插入所述工作台的工作台本体(17)内的第一螺孔内；

所述第二丝杆(29)由所述第二电机(28)驱动旋转，所述第二丝杆(29)的一端与所述第二电机(28)的输出端相固定连接，所述第二丝杆(29)的另一端插入所述工作台的工作台本体(17)内的第二螺孔内。

2.根据权利要求1所述的超声波旋转掏棒机，其特征是，所述超声波换能器(10)为压电陶瓷超声波换能器。

说明书

超声波旋转掏棒机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种掏棒机，尤其是一种用于对蓝宝石材料掏棒的超声波旋转掏棒机。

背景技术

[0002] 由于大尺寸蓝宝石衬底材料应用的普及，特别是发光二极管LED及SOS(Silicon on Sapphire，硅-蓝宝石)半导体行业对于蓝宝石晶圆需求的增长，促进了业界对蓝宝石材料加工的需求快速上升。由于蓝宝石材料的物理属于硬脆材料，对大体积蓝宝石晶体，例如80～100kg级的蓝宝石晶体，进行套取大口径晶棒(特别是6、8英寸)的加工操作非常困难，而且效率低下，因此研究蓝宝石掏棒的快速有效加工成为当前的难题。

[0003] 在现有技术中，蓝宝石掏棒技术多采用套筒旋转，钻取晶棒。如图5所示为现有技术的采用下压方式套取晶棒的一种掏棒机结构，可以上下移动的移动工作台406上设置有第一电机401、齿轮传动机构402、丝杠403、套筒夹具404和由套筒夹具夹持的套筒405。移动工作台406在第二电机407的驱动下，可沿着立杆408上下移动。第一电机401带动齿轮传动机构402转动，由从动齿轮驱动安装于从动齿轮的中心的丝杠403转动，丝杠带动安装于丝杠上的套筒夹具404和由套筒夹具夹持的套筒405旋转，套筒在第一电机401驱动下高速转动并向下进给，对位于固定工作台409上的蓝宝石材料进行掏棒加工。利用套筒405底端的金刚石刀头与蓝宝石材料接触，旋转磨削，直至钻穿蓝宝石材料，取得圆柱形的蓝宝石晶棒。此种方式的掏棒机存在有以下几个缺点：1)单旋转掏棒，磨削速度慢，速率一般只有2～5mm/min，最快不超过8mm/min，加工的效率较低；2)单独外冷却，散热效果差；
若冷却不足会导致金刚石套筒刀头发热，套筒损耗大甚至导致套筒损坏，而且晶棒表面质量差、产品质量不够理想；3)对于套筒的轴向跳动要求严格，如果套筒的轴向跳动过大(一般≥0.05mm)，那么在掏棒过程中容易导致晶体炸裂。

[0004] 申请号为200610004701.8的中国发明专利公开了一种切割设备，如图6所示。该设备中旋转装置是感应电机，其包括安置在心轴的后端部上的永磁体以及绕组。压电振子连接至心轴的后端部。用来将交流电供应至压电振子的供电装置也安置在心轴单元中。冷却流体供应源通过软管将冷却流体供给至输入孔，冷却压电振子。这种切割设备主要存在以下几个问题：1)旋转装置的感应电机内嵌，设备长时间工作，不利于电机散热，容易烧坏电机；2)压电振子放置在心轴单元的后端部，传动距离过长，造成超声波振动衰减，振动效果差；3)此系统冷却流体只能给压电振子冷却，在加工界面处无冷却，切割刀具无法冷却。

发明内容

[0005] 本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种超声波旋转掏棒机，以解决当前蓝宝石材料的掏棒加工效率低下、辅料消耗大及晶棒表面质量差的问题。

[0006] 本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

[0007] 超声波旋转掏棒机，其结构特点是，包括切割装置、工作台和水冷却装置；

[0008] 所述切割装置包括导轨、可沿着导轨移动的架体、用于驱动架体沿着导轨移动的架体驱动电机、设有切割刀具的主轴和用于带动主轴转动的主轴驱动电机；所述架体的两侧各设置有一根所述导轨；所述架体上设置有内螺纹孔，所述架体驱动电机的输出端设置有丝杆，所述丝杆与所述架体的内螺纹孔之间螺纹配合以使得所述丝杆转动时可带动所述架体沿着所述导轨移动；所述架体上设置有主轴驱动电机，所述架体之上还安装有由所述主轴驱动电机驱动的主轴；所述主轴驱动电机和所述主轴之间采用传动带作为传动机构；主轴的上端设置有集流装置，主轴的内部设有空腔，所述空腔内设置有超声波换能器，所述主轴的下端固定设置有套筒，所述套筒的下端设置有切割刀具；所述主轴上设置有用于通过冷却水的第二冷却水管道，所述架体上设置有第一冷却水管道，所述第一冷却水管道和第二冷却水管道相通，且所述架体上的第一冷却水管道与所述水冷却装置的出水管相连通，由水冷却装置向第一冷却水管道和第二冷却水管道内注入冷却水；所述集流装置包括上集流环和下集流环，所述上集流环和下集流环均通过电源线与所述超声波换能器相连接；

[0009] 所述工作台包括工作台本体、电磁吸盘和用于固定被加工工件的固定板；所述电磁吸盘设置于所述工作台本体上，所述固定板设置于所述电磁吸盘上；

[0010] 所述水冷却装置包括水泵、出水管、回水管和水箱；所述水箱用于存储冷却水，所述水箱和水泵之间通过连接水管相连接；所述水箱上还设置有所述回水管；所述出水管设置于所述水泵上，且出水管与所述切割装置的架体的第一冷却水管道相连接。

[0011] 本发明的超声波旋转掏棒机还具有以下技术特点。

[0012] 所述架体上还设置有可将冷却水引导至被加工工件的导管。

[0013] 所述工作台还包括第一电机、第一丝杆、第二电机和第二丝杆；

[0014] 所述第一丝杆由所述第一电机驱动旋转，所述第一丝杆的一端与所述第一电机的输出端相固定连接，所述第一丝杆的另一端插入所述工作台的工作台本体内的第一螺孔内；

[0015] 所述第二丝杆由所述第二电机驱动旋转，所述第二丝杆的一端与所述第二电机的输出端相固定连接，所述第二丝杆的另一端插入所述工作台的工作台本体内的第二螺孔内。

[0016] 所述超声波换能器为压电陶瓷超声波换能器。

[0017] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0018] 本发明的超声波旋转掏棒机，旋转附加超声波掏棒技术，通过超声波振动将工作的被加工面冲去形成微裂纹，套筒可以很容易的磨削蓝宝石晶体，是普通的掏棒速率的3-5倍。磨削力的降低，也使套筒磨损减轻，提高了套筒的使用寿命。另外采用内外双冷却，使散热效果明显提高，容易排屑，防止了加工时产生的粉末积留，伤害晶棒，保证了晶棒的表面质量。本发明通过超声波辅助振动，磨削速率达到20mm/min以上，内外冷却很好的解决了加工过程的散热问题，减少套筒的损耗率，产品质量也得到了提高。

[0019] 和现有技术相比，本发明的掏棒机有以下几个特点：1)旋转装置中的驱动电机独立于主轴之外，通过同步带带动主轴旋转，利于电机散热；2)压电陶瓷换能装置与刀头直接连接，减少振动传送距离，超声波振动效果明显改善；3)冷却系统的内置冷却管通过压电陶瓷换能器通至刀头，另有外喷管对套筒刀口冷却，实现内外冷却系统，且冷却液经过回水管流回水箱，实现循环利用。

[0020] 本发明的超声波旋转掏棒机，可以很容易的磨削蓝宝石晶体，切削效率高，冷却效果好，提高了晶棒的表面质量。

附图说明

[0021] 图1为本发明的超声波旋转掏棒机的切割装置的结构示意图。

[0022] 图2为本发明的超声波旋转掏棒机的工作台的主视图。

[0023] 图3为本发明的超声波旋转掏棒机的工作台的俯视图。

[0024] 图4为本发明的超声波旋转掏棒机的水冷却装置的结构图。

[0025] 图5为现有技术的一种掏棒机的结构示意图。

[0026] 图6为现有技术的掏棒机的切割装置的结构示意图。

[0027] 附图1～附图6中标号：1导轨，2架体，3架体驱动电机，4切割刀具，5主轴，6主轴驱动电机，7丝杆，8传动带，9空腔，10超声波换能器，11套筒，12第一冷却水管道，13第二冷却水管道，14上集流环，15下集流环，16电源线，17工作台本体，18电磁吸盘，19固定板，20水泵，21出水管，22回水管，23水箱，24连接水管，25导管，26第一电机，27第一丝杆，28第二电机，29第二丝杆，30被加工工件，406工作台，401第一电机，402齿轮传动机构，403丝杠，404套筒夹具，405套筒，407第二电机，408立杆，409固定工作台。

[0028] 以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

[0029] 参见图1，超声波旋转掏棒机，包括切割装置、工作台和水冷却装置；所述切割装置包括导轨1、可沿着导轨1移动的架体2、用于驱动架体2沿着导轨1移动的架体驱动电机3、设有切割刀具4的主轴5和用于带动主轴5转动的主轴驱动电机6；所述架体2的两侧各设置有一根所述导轨1；所述架体2上设置有内螺纹孔，所述架体驱动电机3的输出端设置有丝杆7，所述丝杆7与所述架体2的内螺纹孔之间螺纹配合以使得所述丝杆7转动时可带动所述架体2沿着所述导轨1移动；所述架体2上设置有主轴驱动电机6，所述架体2之上还安装有由所述主轴驱动电机6驱动的主轴5；所述主轴驱动电机6和所述主轴5之间采用传动带8作为传动机构；主轴5的上端设置有集流装置，主轴5的内部设有空腔9，所述空腔9内设置有超声波换能器10，所述主轴5的下端固定设置有套筒11，所述套筒11的下端设置有切割刀具4；所述主轴5上设置有用于通过冷却水的第二冷却水管道13，所述架体2上设置有第一冷却水管道12，所述第一冷却水管道12和第二冷却水管道13相通，且所述架体2上的第一冷却水管道12与所述水冷却装置的出水管21相连通，由水冷却装置向第一冷却水管道12和第二冷却水管道13内注入冷却水；所述集流装置包括上集流环14和下集流环15，所述上集流环14和下集流环15均通过电源线16与所述超声波换能器10相连接；

[0030] 具体实施时，导轨可设置为两根竖直放置的圆柱体，架体的左右两侧各设置有一个上下穿透所述架体的圆孔，所述导轨穿过所述架体的圆孔且导轨下端固定；架体驱动电机固定，丝杆固定在架体驱动电机的输出端且和所述架体驱动电机的输出轴同轴转动。

[0031] 如图1，切割装置的主轴中有内部空腔，在空腔的底端设有压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器的上端连有两根压电陶瓷换能器的电源线，这两根电源线穿过空腔分别与集流装置上的上集流环和下集流环连接在一起，上集流环和下集流环与超声波电源连接在一起。内部有细水管通至切割刀具。

[0032] 冷却液由第一冷却水管道12进入架体，然后进入第二冷却水管道13，再进入套筒上的中心通孔后进入套筒的内腔中，由于切割刀具位于套筒底端，冷却液下落时自然就掉落于切割刀具之上，从而可为切割刀具冷却降温，以免刀具过热而损坏。由所述第一冷却水管道12和第二冷却水管道13构成的冷却系统，起到了从套筒的内部对刀具进行冷却的效果。

[0033] 所述工作台包括工作台本体17、电磁吸盘18和用于固定被加工工件的固定板19；所述电磁吸盘18设置于所述工作台本体17上，所述固定板19设置于所述电磁吸盘18上；

[0034] 所述水冷却装置包括水泵20、出水管21、回水管22和水箱23；所述水箱23用于存储冷却水，所述水箱23和水泵20之间通过连接水管24相连接；所述水箱23上还设置有所述回水管22；所述出水管21设置于所述水泵20上，且出水管21与所述切割装置的架体2的第一冷却水管道12相连接。

[0035] 具体操作时，工作台置于套筒上的刀具的正下方，以便于刀具向下进给时切割蓝宝石晶体。将被加工的晶体工件固定在工作台上的固定板上之后，启动主轴驱动电机和架体驱动电机，接通超声波换能器的电源，同时开启水泵启动水冷却功能。架体驱动电机带动丝杠转动，丝杠转动时推动架体沿着导轨下移。架体下移时，带动主轴及主轴上的套筒和刀具向下移动，同时主轴、套筒和刀具在主轴驱动电机的带动下高速转动，刀具在接触蓝宝石晶体后开始切割并向下进给，从而可对晶体进行掏棒加工，钻取晶棒。所述超声波换能器用于提供超声振动，使得在加工过程中套筒和刀具产生超声波振动，在振动的过程中切削蓝宝石材料，可通过超声波振动将工作的被加工面冲去形成微裂纹，套筒可以很容易的磨削蓝宝石晶体，并可提高切削速度。同时有冷却系统提供的冷却液冷却刀具，可避免刀具在切割的过程中过热损坏，提高了切割效率，也保证了良好的切割质量。

[0036] 所述架体2上还设置有可将冷却水引导至被加工工件的导管25。

[0037] 如图1，导管的出口恰好对准切割刀具的下方，因而冷却液经导管引导后，落于被加工的蓝宝石的被切割部位，可对被加工的蓝宝石进行冷却，同时可对套筒和切割刀具的外表面进行冷却。

[0038] 所述工作台还包括第一电机26、第一丝杆27、第二电机28和第二丝杆29；

[0039] 所述第一丝杆27由所述第一电机26驱动旋转，所述第一丝杆27的一端与所述第一电机26的输出端相固定连接，所述第一丝杆27的另一端插入所述工作台的工作台本体17内的第一螺孔内；

[0040] 所述第二丝杆29由所述第二电机28驱动旋转，所述第二丝杆29的一端与所述第二电机28的输出端相固定连接，所述第二丝杆29的另一端插入所述工作台的工作台本体17内的第二螺孔内。

[0041] 所述超声波换能器10为压电陶瓷超声波换能器。

[0042] 所述工作台上设置有两个轴线相互垂直的螺孔，两个轴线相互垂直的丝杆分别插入两螺孔中，由两个电机带动两个丝杆，可使得工作台的工作台本体17可分别沿着两个相互垂直的方向移动，将这两个相互垂直的方向可记作X方向和Y方向。图2和图3所示，工作台包括电磁吸盘和用于固定被加工的蓝宝石的固定板19，晶体固定在固定板19上。工作台可在两个电机的带动下进行X、Y轴的移动。工作台的两轴移动是通过两个电机驱动的，第一电机26转动带动第一丝杆27旋转，第一丝杆27与工作台本体17的内螺纹孔之间螺纹配合以使得第一丝杆27转动时刻带动工作台17和所述电磁吸盘18沿X轴移动。同理通过第二电机28和第二丝杠29配合实现工作台17的Y轴方向的移动。

[0043] 图4中冷却水系统包括水箱、水泵，出水管和回水管，通过该系统为图1中的出水管21为第一冷却水管道12和第二冷却水管道13、导管25供水。水泵开启后，将水箱内冷却液通过出水管送至套筒加工处，出水管将冷却液分为两路，一路从导管25喷出直接对刀口4处进行水冷，并且及时冲走加工时产生的碎屑；另一路从第一冷却水管道12和第二冷却水管道13通过套筒的中心孔进入套筒内，因为套筒内部为中空，冷却液可直接进入套筒内部，进行散热，防止刀口4因加工过程中过热而损坏，实现内外双冷却。通过回水管，可实现冷却水的回收与循环。

[0044] 本发明的超声波旋转掏棒机，旋转附加超声波掏棒技术，且可内外双冷却，提高磨削效率，由原来的2-5mm/min提高至20mm/min；降低辅料消耗，例如套筒的损耗，由原来的2400mm/个，提高至6000mm/个；提高产品质量，套取的晶棒表面无裂纹和刮痕。