硅單晶面面觀拋光機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

硅單晶面面觀拋光機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)人工晶體的表面粗糙度和平整度有所增加，比如藍(lán)藍(lán)色、單晶硅等。它被要求在納米級(jí)加工精度上實(shí)現(xiàn)過(guò)度平滑、無(wú)損壞的加工表面。雙面拋光加工作為晶片超平滑表面加工最有效的技術(shù)手段之一,近年來(lái)受到了超精密加工研究領(lǐng)域和光電子材料生產(chǎn)加工企業(yè)的廣泛關(guān)注與重視。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的雙面拋光機(jī)結(jié)構(gòu)一般采用單電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)使上下拋光盤(pán)、中心輪及齒圈運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)研磨拋光機(jī)重心低、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單,并且由于采用行星式運(yùn)動(dòng),球磨效率高、粒度細(xì),因此常用于超精密研磨拋光本文通過(guò)研究拋光機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)拋光過(guò)程中的加載均勻性影響,對(duì)行星式研磨拋光機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行改造設(shè)計(jì),使之滿足對(duì)硬脆難加工材料進(jìn)行超精密加工的精度要求。1軟件設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)拋光機(jī)的核心部件是傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)以及加工系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)機(jī)械部分主要包括動(dòng)力頭、夾持盤(pán)、磨拋光盤(pán)、主體和外觀設(shè)計(jì)。其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)拋光過(guò)程中的加載均勻性有較大影響。因此,本文從拋光機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方面對(duì)行星式研磨拋光機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。2研磨機(jī)的動(dòng)態(tài)線程設(shè)計(jì)2.1調(diào)心密封件的選擇如果氣缸活塞桿與上拋光盤(pán)采用剛性連接,則要求上下拋光盤(pán)兩個(gè)加工表面必須有很高的平行度,而且氣缸活塞桿中心與帶動(dòng)上拋光盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)的軸心要求有很高的同軸度,給機(jī)床的制造和安裝帶來(lái)許多困難。一旦制造或安裝中產(chǎn)生誤差,就會(huì)引起上拋光盤(pán)產(chǎn)生傾斜,最終使上下拋光盤(pán)不能很好地貼合,甚至上下拋光盤(pán)產(chǎn)生錯(cuò)盤(pán)現(xiàn)象,使工件受力不均,產(chǎn)生較大的尺寸誤差及平面度誤差。為了解決上述的問(wèn)題,需要在連接處改裝成可以進(jìn)行調(diào)整傾斜的連接方式。調(diào)心球軸承外圍滾道呈球面,具有調(diào)心性能,因此可自動(dòng)調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正。它主要承受徑向載荷,同時(shí)可承受較小的軸向載荷。軸的軸向位移限制在游隙限度內(nèi),具有自動(dòng)調(diào)心性能,允許內(nèi)、外圍相對(duì)傾斜不大的條件下正常工作,適用于支座座孔不能?chē)?yán)格保證同軸度的部件中。氣缸頂柱的轉(zhuǎn)速為60r/min,要求的精度較高,所以應(yīng)選用調(diào)心球軸承,軸承的型號(hào)代碼可定為“1”,頂柱直徑φ35,軸承的內(nèi)徑代碼選擇“07”。根據(jù)查表選用代碼為1207的軸承2.2調(diào)心軸承校核氣缸頂柱下行時(shí)通過(guò)軸承向下研磨盤(pán)施加載荷,上行時(shí)提起上研磨盤(pán)。最大軸向載荷Fa=800N,當(dāng)量動(dòng)載荷P=800N,載荷因素fp=1.2,壽命指數(shù)ε=3,軸承預(yù)期使用壽命L′因?yàn)镃>C′,所以選取的1207調(diào)心球軸承滿足要求。3實(shí)驗(yàn)裝置和儀器改造后的行星式研磨拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。在拋光加工過(guò)程中,不同的拋光工藝參數(shù)對(duì)拋光加工的影響不同,拋光機(jī)的性能測(cè)試主要是檢驗(yàn)拋光機(jī)在各種拋光速度和壓力下的拋光質(zhì)量,拋光質(zhì)量的好壞決定于拋光后試樣表面的質(zhì)量行星式研磨拋光機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:研磨盤(pán)規(guī)格,mm:φ380×φ148×20;最大研磨直徑,mm:φ100;加工件平面平行度,μm:0.1(φ10);游輪參數(shù):英制DP12Z=66;游輪數(shù)量,個(gè):5;最小研磨厚度,mm:0.05(φ10);主機(jī)功率,kW:1.1;下研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速,r/min:0~60;砂汞功率,W:90;流砂形式:循環(huán)或點(diǎn)滴;外形尺寸,mm:700×1000×1700;重量,kg:630。實(shí)驗(yàn)材料:101面硅片,洛陽(yáng)單晶硅廠生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)儀器:改造前后的LZM-6B行星式研磨拋光機(jī)。檢測(cè)儀器:MahrPerthometerS2表面粗糙度測(cè)量?jī)x,掃描長(zhǎng)度選擇5.6mm,采樣點(diǎn)數(shù)11200,垂直輪廓分辨率0.8nm,千分表,SHIMADZUAUY220分析天平。3.2加工前后表面粗糙度和去除率的對(duì)比在不同的拋光速度下進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn),測(cè)量材料去除率和加工表面粗糙度,對(duì)比改造前后的LZM-6B行星式研磨拋光機(jī)的加工性能。實(shí)驗(yàn)條件如表2所示,每10min觀測(cè)一次數(shù)據(jù),去除率對(duì)比見(jiàn)圖3,表面粗糙度對(duì)比見(jiàn)圖4。從圖3中可以看出,在相同的加工速度下,改造前后拋光機(jī)的加工效率接近。但改造后拋光機(jī)對(duì)材料的去除率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,而在拋光機(jī)改造前轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除率影響不大。從圖4中可以看出,在相同加工速度下,拋光機(jī)改造后對(duì)工件加工的表面粗糙度約為改造前的1/3,改造后拋光機(jī)對(duì)工件加工的表面粗糙度明顯優(yōu)于改造前的。拋光機(jī)改造前,隨著研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加,加工工件的表面粗糙度略微有所增加,但是增幅不是很明顯。而拋光機(jī)改造后,隨著磨具轉(zhuǎn)速的增加,加工工件表面的粗糙度增大。4拋光機(jī)性能試驗(yàn)研究本文針對(duì)拋光過(guò)程中的加載均勻性問(wèn)題,對(duì)行星式研磨拋光機(jī)的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì),使拋光機(jī)具有自動(dòng)調(diào)心性能,可自動(dòng)調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正。在此基礎(chǔ)上對(duì)改造前后的拋光機(jī)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,可得以下結(jié)論:(1)在相同的加工速度下,改造前后拋