新型晶體平面精密研磨拋光機(jī)的設(shè)計(jì)

鄭　強(qiáng)，王友林，馬明明，吳亞州，朱艷飛

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255049；2.青島特種汽車集團(tuán)有限公司，山東 青島　266000)

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新型晶體平面精密研磨拋光機(jī)的設(shè)計(jì)

鄭強(qiáng)1，王友林1，馬明明2，吳亞州1，朱艷飛1

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255049；2.青島特種汽車集團(tuán)有限公司，山東 青島266000)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有拋光機(jī)不能糾正晶片厚度偏斜和晶片研磨厚度無法自動(dòng)控制問題，設(shè)計(jì)了一種新型拋光機(jī)，該設(shè)備主要由拋光盤及其驅(qū)動(dòng)裝置和工件的固定調(diào)節(jié)裝置部分組成，通過控制載套的上部凸緣與載套座的上表面的距離可以控制研磨晶片的厚度，通過更換砝碼有效地控制研磨壓力，通過載套與滾針軸承的配合有效地控制晶片的平行度，防止樣品磨偏。該設(shè)備還可以用于陶瓷，金屬，玻璃等材料的研磨拋光。

關(guān)鍵詞：研磨拋光；拋光機(jī)；控制；晶片厚度；研磨壓力；平行度

0引言

隨著激光技術(shù)、遠(yuǎn)紅外線等技術(shù)的發(fā)展，紅寶石晶體、藍(lán)寶石晶體、YAG晶體等人工晶體的作用越來越突顯出來，人工晶體制備研究的成果也越來越多，研制出AgGaS2、CdZnTe等遠(yuǎn)紅外線人工晶體[1]，對(duì)夜視技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，但晶體(及陶瓷，金屬，玻璃等)材料的研磨拋光技術(shù)還是相對(duì)比較落后的。

拋光是將工件上磨削產(chǎn)生的磨痕及變形層去掉，降低工件表面粗糙度，提高表面完整性，使其成為光滑鏡面的工序[2-3]。優(yōu)良的拋光設(shè)備可以提高制樣效率和質(zhì)量,減少試樣廢品率,從而降低成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,獲得樣品質(zhì)量的高度一致性[4]。

1現(xiàn)狀分析

國外對(duì)晶體拋光技術(shù)對(duì)中國嚴(yán)格保密，資料很少。國外報(bào)道的精密研磨拋光機(jī)，磨盤采用可升降機(jī)構(gòu)或者采用彈簧加壓裝置調(diào)節(jié)磨盤與工件之間的壓力，研磨厚度也不能控制，當(dāng)樣品平整度較低或者厚度不均勻時(shí)，樣品也容易磨偏。國內(nèi)晶體拋光主要用實(shí)驗(yàn)室用金相拋光機(jī)和國內(nèi)生產(chǎn)的UNIPOL-802 型精密研磨拋光機(jī)。

圖1所示拋光機(jī)為金相試樣拋光機(jī)[4]，是一種使用較早且至今仍在使用的拋光機(jī)。該拋光機(jī)工作時(shí)，需要人手持工件(晶片)并施加一定壓力于工件使其緊貼于拋光盤表面，工件研磨面與拋光盤應(yīng)絕對(duì)平行并均勻地壓在拋光盤上，磨料顆粒或其他拋光介質(zhì)摩擦工件表面[5]，摩擦產(chǎn)生切削力，將工件表面凹凸不平的地方磨平，來達(dá)到拋光目的[6-7]。這種拋光機(jī)對(duì)工人熟練程度有較高的要求。工作過程中，需要手始終緊壓工件，所以勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。若壓力太大，則工件表面產(chǎn)生新磨痕；若壓力較小，則研磨拋光效率比較低。而且工人對(duì)工件拿捏不穩(wěn)時(shí)，工件容易被磨偏且工件容易因拋光盤的離心力而被甩出，帶有一定危險(xiǎn)性。也無法控制工件磨削厚度，容易磨過。存在拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點(diǎn)。

圖1　金相試樣拋光機(jī)

圖2所示拋光機(jī)是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中使用較多的一類金相拋光機(jī)，其與圖1所示拋光機(jī)工作方式比較接近，外觀上進(jìn)行了一定美觀改善，且對(duì)拋光機(jī)的控制上有所改進(jìn)。

圖2　金相試樣拋光機(jī)

圖3　UNIPOL-802 型精密研磨拋光機(jī)

圖3所示拋光機(jī)為沈陽某公司生產(chǎn)的UNIPOL-802 型精密研磨拋光機(jī)[8]。該拋光機(jī)配備了203mm直徑的研磨拋光盤和兩個(gè)加工工位，可用于研磨拋光直徑≤80mm或矩形的平面。兩個(gè)加工工位用兩個(gè)搖擺的機(jī)械臂控制。該類型拋光機(jī)是目前實(shí)驗(yàn)室中使用較為普遍的一類拋光機(jī)。但是該拋光機(jī)無法控制工件的磨削厚度，磨削過程中觀察不到工件的磨削厚度等情況的變化，工件可能會(huì)被磨盡，或者被磨削過薄也會(huì)影響其使用性能。且拋光壓力受固定載料塊的局限不易調(diào)整,影響研磨質(zhì)量。若晶片切割不均，使用該拋光機(jī)磨削時(shí)無法糾正。為解決上述問題，研究設(shè)計(jì)了一種新型研磨拋光機(jī)[9-12]。

2新型拋光機(jī)

該拋光機(jī)主要由拋光盤及其驅(qū)動(dòng)裝置和工件的固定調(diào)節(jié)裝置部分組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。拋光盤7通過螺釘固定于轉(zhuǎn)軸20上。驅(qū)動(dòng)裝置主要由電機(jī)3，V帶22，轉(zhuǎn)軸20等組成。電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)V帶22運(yùn)動(dòng)，V帶22帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸20轉(zhuǎn)動(dòng)，由于拋光盤7與轉(zhuǎn)軸20固聯(lián)，因此拋光盤7也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。立柱17的上、下兩端通過螺栓分別與橫梁16、底座1固定連接且與精密絲杠2保持平行。升降臺(tái)11安裝在橫梁16和底座1之間且位于拋光盤7的上方，其通孔處安裝的直線軸承18與立柱17間隙配合，絲杠螺母10與精密絲杠2配成螺栓螺母副，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦阻力小，精度高，能獲得高精度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。升降臺(tái)11的中心設(shè)有吊環(huán)23，與橫梁16上的滑輪機(jī)構(gòu)15、配重塊4通過鋼絲繩5連接形成配重機(jī)構(gòu)，用來平衡升降臺(tái)11的重量，使其等于或者略大于升降臺(tái)11與其承載所有物件的重量和。升降臺(tái)11上帶有帶有輻射狀排列的導(dǎo)軌，其上設(shè)有等距離的螺紋盲孔。載套座12可以沿著導(dǎo)軌滑動(dòng)，這樣工件8在升降臺(tái)11上的徑向位置就可以調(diào)整，選擇好位置后用螺釘將其固定在導(dǎo)軌上。底部固定有工件8的載套9安放在軸承24中，載套9可以上下自由滑動(dòng)，軸承24鑲嵌在載套座12中央。載套9內(nèi)部為中孔結(jié)構(gòu)，空腔中可以放置若干砝碼13。精密絲杠2的上端裝配手柄14，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄14帶動(dòng)絲杠2旋轉(zhuǎn)，由絲杠螺母副將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，便可帶動(dòng)升降臺(tái)11沿立柱作上下直線運(yùn)動(dòng)。橫梁16固定于立柱17上方。

圖4　拋光機(jī)結(jié)構(gòu)

其工作原理如下：工件(晶片)8用膠粘接在載套9上，放入安裝在升降臺(tái)11上的載套座12中，載套座12內(nèi)裝有無內(nèi)圈的滾針軸承24，滾針軸承24支撐載套9既可以旋轉(zhuǎn)又可以上下移動(dòng)。載套9與滾針軸承24配合，保證載套9底面與拋光盤7平行，當(dāng)晶片8的下表面，亦即磨削面偏離拋光盤的平行面時(shí)，此結(jié)構(gòu)能夠給予有效修正，防止工件磨偏，可很好地控制晶片8的平行度；搖動(dòng)手柄14，通過絲杠2與螺母10帶動(dòng)升降臺(tái)11上下移動(dòng)，控制載套9的上部凸緣與載套座12的上表面的距離，可以有效控制晶片的研磨厚度，也可防止晶片被磨過或磨盡；拋光盤7旋轉(zhuǎn)時(shí)由摩擦力帶動(dòng)晶片8旋轉(zhuǎn)，在研磨劑的參與下實(shí)現(xiàn)對(duì)晶片8的研磨，由于研磨過程中晶片8變薄，載套9下移，當(dāng)下移量與載套9的上部凸緣與載套座12的上表面的距離相同時(shí)，載套9的凸緣與載套座12的上表面接觸，載套9停止下移，可以有效地控制研磨晶片8的厚度；通過更換砝碼13，可以有效地控制研磨時(shí)的壓力，可以有效地控制研磨效率。多立柱結(jié)構(gòu)可以提高工作過程的平穩(wěn)性。

圖5　新型拋光機(jī)

加工工件時(shí)，取下載套9，將需要研磨、拋光的工件8用膠粘在載套9上，然后將載套9放入載套座12中，再施加一定砝碼13于載套9，使工件8獲得合適的拋光壓力。搖動(dòng)手柄14，使載套9的凸緣與載套座12上表面接觸，同時(shí)使被拋光工件8的下表面與拋光盤7接觸，然后再搖動(dòng)手柄14使載套9上移一定距離。接著啟動(dòng)電機(jī)3，拋光盤7隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，工件下表面與磨粒之間產(chǎn)生摩擦力帶動(dòng)工件8旋轉(zhuǎn)，拋光劑中的拋光介質(zhì)摩擦工件的表面，將工件的表面凹凸不平的地方磨平，降低工件表面粗糙度。拋光過程中，工件變薄，載套9下移，當(dāng)載套9的凸緣與載套座12的上表面接觸時(shí)，載套停止下移，此時(shí)可移去部分砝碼，以減輕拋光壓力，繼續(xù)拋光一段時(shí)間，直到完成全部磨削量或者工件8表面達(dá)到滿意的拋光效果，使電機(jī)停止工作，取下工件。

現(xiàn)已研制了一臺(tái)拋光機(jī)，如圖5所示?？稍O(shè)定拋光時(shí)間，運(yùn)行一段時(shí)間后自動(dòng)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人看管自動(dòng)化；可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該拋光機(jī)操作簡(jiǎn)單，效率比較高，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效降低了工人對(duì)拋光機(jī)操作熟練程度的要求。圖6所示為使用新型拋光機(jī)對(duì)一碲-鋅-鎘(CdZnTe)晶片拋光后的效果圖。其表面光亮，平行度高，研磨厚度由控制載套上部凸緣與載套座上表面的距離進(jìn)行控制，更換砝碼調(diào)整研磨壓力,提高研磨效率與研磨質(zhì)量。且厚度偏斜的晶片也可得到糾正。

圖6　CdZnTe晶片在新型拋光機(jī)下的拋光效果圖

3結(jié)束語

該拋光設(shè)備通過工件固定調(diào)節(jié)裝置中各零部件的有機(jī)配合，既可以控制晶片的研磨厚度，又可以保證晶片平行度，防止樣品磨偏，還代替了人手持工件的的操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度又調(diào)高了加工效率與工件的研磨質(zhì)量。并且可以通過加減砝碼靈活調(diào)整研磨壓力，有效提高了研磨質(zhì)量與研磨效率。而且可以同時(shí)研磨多片晶片，提高了研磨效率?？梢杂行в糜诰w，陶瓷，金屬，玻璃等材料的研磨拋光制樣。

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(編輯趙蓉)

Design of New Type of Precision Polishing Machine for Grinding Crystal Plane

ZHENG Qiang1，WANG You-lin1，MA Ming-ming2，WU Ya-zhou1，ZHU Yan-fei1

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China;2.Qingdao Special Automobile Group Co.,Ltd., Qingdao Shandong 266000, China)

Abstract：In view of the thickness deviation of crystal can't be corrected and the grinding thickness of crystal can't be controlled automatically by the existing polishing machine, a new type of polishing machine is designed. This device is mainly composed of polishing disk and its drive and the fixed device and adjusting device of the workpiece . The thickness of the grinding crystal can be controlled by controlling the distance between the upper flange of the carrier and the upper surface of the carrier block.The grinding pressure can be controlled effectively by changing the weights.The parallelism of the crystal plate can be controlled and the sample will be parallel after grinding .The device also can be effectively used for the grind and polish of ceramic, metal, glass and other materials.

Key words：grind and polish; polishing machine; control; the thickness of the chip; grinding pressure; parallelism

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0123-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.034

收稿日期：2015-06-27；修回日期：2015-08-10

作者簡(jiǎn)介：鄭強(qiáng)(1990—)，男，山東臨沂人，山東理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備，(E-mail)820227374@qq.com；通訊作者：王友林(1955—)，男，黑龍江宜春人，山東理工大學(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備，(E-mail)wangyoulin_1006@126.com。

中圖分類號(hào)：TH122;TG591

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A