专利名称：往复直线加旋转运动研磨抛光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料加工设备，特别是涉及一种对非金属材料的 两个表面进行研磨抛光的装置。
技术背景非金属材料(人工晶体、特殊陶瓷、半导体等材料)也可称为新 材料，它广泛应用于现代生产与生活。它改变着人的思维，变不可能 为可能，它代表着科技发展的趋势，关系到国家的经济命脉与安全。 凡是应用集成电路控制的设备与生活用品、激光器、遥感器件、光谱 分离元器件等等都离不开这些新材料，新材料是高科技的基础材料， 因此对其加工的要求是十分精密的，同时也是相当重要的。例如，第 二代半导体材料(第一代半导体材料是单晶硅)砷化镓、第三代半导 体材料碳化硅都是大规模、超大规模集成电路的衬底材料。其要求直径100毫米，厚度0.7毫米的薄片的两个表面，平整度误差在l纳米以 下，即达到埃级单位；平行度误差在l微米以下。这对研磨与抛光提 出了严格的技术指标要求。如图1所示，已有的研磨抛光机难以完成以上技术要求，原因是 该设备结构上的缺陷所致。这种传统设备的载料盘运动是被动旋转加 弧线摆动方式，即一支柱19 (可左右摆动)上安装有载料盘支架18， 在支架的两个被动导轮16、 17中放置载料盘15，载料盘15在支柱电机 的驱动下做往复摆动。如图2所示，被磨抛材料粘接在载料盘15上，在磨料颗粒作用下， 与研磨抛光盘14做相对(被动旋转加弧线)运动，达到磨抛效果。为 分析其磨抛轨迹可把研磨抛光盘视为一条条同心圆的磨削线，这条条磨削线相对载料盘弧线运动而言。就可以得到其磨削角e。可见，其磨削角e (靠磨抛盘圆心内径处)小，摆到e'(磨抛盘 半径中线处)大，摆到e"(靠磨抛盘外径处)更大，即磨削角由小 变大再变更大往复规律变化，磨削角各轨迹是始终变量关系。而磨削 角角度变化实际反映的是磨削力的变化。磨削角和磨削力呈反比关 系，即磨削角小则磨削力大。磨削力产生的效果是磨削量的变化。因 此，弧线运动磨抛其被磨抛材料的表面所受到的磨削量始终是变化 的。在磨抛时，所用的磨料或抛光料都是液体的，其颗粒是流动的， 由于所受磨削力不一样(摩擦力也不一样)，导致磨抛料呈不均匀分 布状态(磨抛料在喷撒磨抛盘面上未进入被磨抛材料之前，由于受到 转动磨抛盘的离心作用，使磨抛盘均匀的分布在磨抛盘表面)。这样， 在被磨抛材料与磨抛料颗粒与磨抛盘相互作功时，磨抛料颗粒在变化 的磨削力作用下，呈不规则的随机聚堆或空格，造成被磨抛材料表面 的平整度破坏。还因为磨抛盘转动时，盘面的线速度呈扇形变化，即 盘的圆心处线速度为零，盘的外径处其线速度为最大。线速度从零到 最大在盘面上呈扇面扩展。假如载料盘不转动时，被磨抛材料靠磨抛 盘外径处磨削力小，但线速度高，反之靠圆心处磨削力大，但线速度 低。而盘面线速度又是一种磨削力，造成被磨抛材料(片子) 一边厚 一边薄。因为磨抛盘转动线速度代表了磨抛路径(距离)，线速度高 路径长，磨削量大，反之，线速度低路径短磨削量小。那么，什么情况下，载料盘不转呢？载料盘本身重量代表了磨削时的重力，磨抛开 始时，由于被磨抛材料(片子)表面在切割时留下的切割痕迹，该痕 迹凹凸不平，相对很平整的磨抛盘表面来讲是点接触，同时，磨抛盘 表面布满了磨抛料颗粒，当磨抛盘旋转起来，研磨抛光盘、磨抛颗粒、 被磨抛材料三者之间产生磨擦力，当载料盘重力大于磨擦力时，载料 盘不转，当载料盘重力小于磨擦力(在与研磨抛光盘盘面内外线速度 差的作用下)时，载料盘就会被动旋转起来。当研磨快结束也会产生 不转，因为，片面被研磨的平整度提高了，磨擦力降低小于载料盘重 力时，载料盘便停止转动，结果产生片子一边厚一边薄。但是，在研 磨开始至结束前的中间过程中，载料盘处于被动旋转和摆动状态的。 依据以上分析，载料块旋转可以解决片子一边厚一边薄的问题(因为 旋转可以打破线速度差带来的薄厚不均的问题)，可是解决不了片子 本身边缘薄圆心厚的问题，这是因为载料盘旋转(即被磨材料片子随 同旋转)，片子边缘的路径(即线速度)加上片子圆心路径(虽然该处的e〃角较小)，大于片子圆心的路径(线速度)。因此，片子边缘 磨得多，圆心磨得少，片子呈"心高"现象，为了解决这一问题，采 用使载料盘摆动的措施，以打破线速度所带来的"心高"问题。但实 际结果，由于采用的是弧线摆动方式，磨削角的台终处于变化，引发 磨削量始终变化，虽然"心高"问题得以改善，但"心高"问题并没 有彻底解决，使得较高技术指标平整度的片面无法实现，片子平行度 因而无法实现。这些存在的问题正是本发明装置构思依据。 发明内容本发明的目的在于提供一种通过其往复直线加旋转运动对非金属材料进行研磨抛光的装置，该装置的修整环旋转，并带动载料盘一同旋转；直线导轨座做往复直线运动，可使被磨抛材料在研磨抛光盘 上做直线加旋转运动。解决了被磨抛材料"心高"片面凹凸大，片子 平整度不高、平行度不好的问题。本发明的目的是通过以下技术方案实现的往复直线加旋转运动研磨抛光装置，该装置包括研磨抛光盘、回 转体、研磨抛光盘驱动电机、载料盘、载料盘支架、主动支架导轮、 被动支架导轮、导轮驱动电机、直线导轨座、导轨驱动电机、偏心拨 杆和修整环，其中粘有被磨抛材料的载料盘面向放置在研磨抛光盘的 盘面上，研磨抛光盘与研磨抛光盘驱动电机相连接，回转体与研磨抛 光盘相连接，载料盘外径套有修整环，修整环置于主动支架导轮和被 动支架导轮之中，并由载料盘支架上的导轮驱动电机驱动主动支架导 轮，载料盘支架与直线导轨座平行连接，直线导轨座通过驱动电机主 轴上的圆盘偏心拨杆与导轨驱动电机相连接。如上所述的往复直线加旋转运动研磨抛光装置，其载料盘支架与直线导轨座之间安装有翻板，载料盘支架可在直线导轨座上做90度翻转。如上所述的往复直线加旋转运动研磨抛光装置，其表面粘有被磨 抛材料的载料盘与研磨抛光盘相对放置在研磨抛光盘面上，修整环外 径与载料盘支架上的两支架导轮相接触，并由支架上的导轮驱动电机 驱动主动支架导轮，可使修整环主动旋转，修整环内置的载料盘便与其一同旋转；直线导轨座由其驱动电机主轴上的圆盘偏心拨杆拉动做 往复直线运动，使被磨抛材料在研磨抛光盘的盘面上做直线加旋转运动并对其进行研磨抛光。本发明的优点与效果是本发明的研磨抛光装置是由于载料盘在研磨抛光盘圆心的轴线 上做往复直线运动，其磨削角是相等的，故磨削力是相等的；并通过 套在载料盘上的修整环的旋转带动载料盘旋转，研磨抛光后得到的片 子薄厚一致，不产生所谓的"心高"问题。又由于磨削角均相等，使 磨料颗粒分布均匀，故片面没有因颗粒分布不均产出的凹凸现象，有 效地提高了片面的平整度和光洁度以及平行度。
图l为现有研磨抛光装置的结构示意图；图2为现有研磨抛光装置载料盘与研磨抛光盘运动方式示意图； 图3为本发明研磨抛光装置的主视图； 图4为本发明研磨抛光装置的俯视图； 图5为本发明研磨抛光装置的运动方式示意图； 图6为本发明与现有研磨抛光装置的运动方式对比示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。如图3、 4所示，该研磨抛光装置包括研磨抛光盘3、回转体2、 研磨抛光盘驱动电机l、载料盘5、载料盘支架7、主动支架导轮8、 被动支架导轮9、导轮驱动电机6、直线导轨座10、导轨驱动电机11、 偏心拨杆12和修整环4。其中，载料盘5的表面粘有被磨抛材料， 其面向放置在研磨抛光盘3的盘面上；载料盘5外径套有修整环4， 使载料盘5置于修整环4中。修整环4置于主动支架导轮8和被动支架导轮9之中，并由载料盘支架7上的电机驱动主动支架导轮8，被 动支架导轮9为被动轮，可使修整环4主动旋转。这样修整环4中的 载料盘5也随修整环4 一同旋转。载料盘支架7与直线导轨座10平 行连接，载料盘支架7与直线导轨座10之间安装有翻板13，载料盘 支架7可在直线导轨座10上做90度翻转，让出载料盘支架7在磨抛 盘3上方的空间，便于更换磨抛盘。直线导轨座10由导轨驱动电机 11主轴上的圆盘偏心拨杆12拉动做往复直线运动。载料盘往复直线加旋转运动在重力和磨抛料与磨抛盘的相互作 用下，其保证被磨抛材料较高的平整度和平行度，主要是因为，磨削 角e始终相等，周期线速度始终均等。往复直线研磨抛光是在分析弧线摆动研磨抛光存在问题的基础 上，有所针对地提出了本发明装置的设计思想。即针对弧线摆动载料 盘被动旋转加装了使载料盘主动旋转的电机驱动装置；针对弧线摆动 改装了由电机偏心拉杆驱动直线导轨座连接的载料盘支架做载料盘 与磨抛盘圆心成一条直线的往复直线运动，保证磨削角e各处相等， 保证磨抛盘周期线速度均等。由图6中可以清楚地看到往复直线运动与往复弧线运动载料盘运动的轨迹和磨削角e的比较情况，以及往复直线研磨抛光载料盘的 轨迹和载料盘与磨抛盘相对运动的磨削角e的情况。可以得出结论 直线加旋转运动的载料盘与磨抛盘作相对运动时，其磨削角& = e2 = e3 ，磨削力在各点分布上也是相等的。同时，往复直线运动的载料 盘在其往复距离的路径与磨抛盘相接触的其内径至外径的个点的线 速度从直线往复的频率(即周期)来计算是均等的。可视为均等线速度。而现有技术往复弧线运动载料盘运动的轨迹和磨削角e，其磨削 角w >e，，。本装置实施后，经对直径100毫米，0.7毫米厚度的砷化镓片子 磨抛，实验结果达到了技术指标要求，平整度达到5埃，平行度达到 0.5微米。本发明研磨抛光装置的主要性能指标整机质量《50kg;外形尺寸700x800x800mm;磨抛盘直径380mm;载料盘直径115mm; 修整环外径145mm;内径115mm;磨抛盘转速0 250转/分(无 级调速)；载料盘转速0 300转/分(无级调速)；直线导轨座往复频率0 30次/分(无级调整)；工件位180度轴线上2个；磨 抛盘直流电机功率100瓦；减速箱速比10:1;载料盘直流电机功 率25瓦，减速箱速比10:1;直线导轨直流电机功率25瓦，减速箱速比30:1;直线导轨座往复距离100mm至40mm (无级调整)；CNC控制，实现对磨抛盘、载料盘、直线导轨座无级调速，LED显示，紧急停机保护等研磨抛光工艺所需的数据管理。
权利要求
1.往复直线加旋转运动研磨抛光装置，该装置包括研磨抛光盘、回转体、研磨抛光盘驱动电机、载料盘、载料盘支架、主动支架导轮、被动支架导轮、导轮驱动电机、直线导轨座、导轨驱动电机、偏心拨杆和修整环，其特征在于，其中载料盘(5)放置在研磨抛光盘(3)的盘面上，研磨抛光盘(3)与研磨抛光盘驱动电机(1)相连接，回转体(2)与研磨抛光盘(3)相连接，载料盘(5)外径套有修整环(4)，修整环(4)置于主动支架导轮(8)和被动支架导轮(9)之中，并由载料盘支架(7)上的导轮驱动电机(6)驱动主动支架导轮(8)，载料盘支架(7)与直线导轨座(10)平行连接，直线导轨座(10)通过驱动电机主轴上的圆盘偏心拨杆(12)与导轨驱动电机(11)相连接。
2. 如权利要求1所述的往复直线加旋转运动研磨抛光装置，其 特征在于，载料盘支架(7)与直线导轨座(10)之间安装有翻板(13)， 载料盘支架(7)可在直线导轨座(10)上做90度翻转。
3. 如权利要求1所述的往复直线加旋转运动研磨抛光装置，其 特征在于，表面粘有被磨抛材料的载料盘(5)与研磨抛光盘(3)相 对放置在研磨抛光盘面上，修整环外径与载料盘支架(7)上的两支 架导轮相接触，并由支架上的导轮驱动电机(6)驱动主动支架导轮(8)，可使修整环主动旋转，修整环内置的载料盘便与其一同旋转； 直线导轨座(10)由其驱动电机(11)主轴上的圆盘偏心拨杆(12) 拉动做往复直线运动，使被磨抛材料在研磨抛光盘的盘面上做直线加 旋转运动并对其进行研磨抛光。
全文摘要
往复直线加旋转运动研磨抛光装置，涉及一种材料加工设备，该装置包括研磨抛光盘、回转体、研磨抛光盘驱动电机、载料盘、载料盘支架、主动支架导轮、被动支架导轮、导轮驱动电机、直线导轨座、导轨驱动电机、偏心拨杆和修整环，其中粘有被磨抛材料的载料盘面向放置在研磨抛光盘的盘面上，研磨抛光盘与研磨抛光盘驱动电机相连接，回转体与研磨抛光盘相连接，载料盘外径套有修整环，修整环置于主动支架导轮和被动支架导轮之中，载料盘支架与直线导轨座平行连接，直线导轨座通过驱动电机主轴上的圆盘偏心拨杆与导轨驱动电机相连接。本发明解决了被磨抛材料“心高”片面凹凸大，片子平整度不高、平行度不好的问题。
文档编号H01L21/02GK101249632SQ20081001070
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者莹 张 申请人:沈阳材佳机械设备有限公司