一种可重构的线锯加工系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台，加工平台上设有线锯运动装置和工件进给运动装置，线锯运动装置为往复式线锯运动装置或高速单向式线锯运动装置，工件进给运动装置包括夹具，夹具上设有进给装置，夹具为固定式夹具、自转式夹具或扭转式夹具中的任意一种。通过对线锯运动系统、工件进给系统、超声振动系统以及控制系统的模块化匹配和协同，实现满足不同切割优化目标。
【专利说明】 —种可重构的线锯加工系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于机械工程【技术领域】，具体涉及一种可重构的线锯加工系统。
【背景技术】
[0002]伴随工业产品的复杂化和IC产业的高速发展，工业企业对于器件的加工质量要求也是越来越高。碳化硅单晶材料以其卓越的物理机械性能，广泛的应用于高频、高温、功率的半导体器件及紫外探测技术等领域。而SiC单晶片的制造过程正朝着大直径、超薄方向发展，这对于晶片的制造过程提出了严峻的挑战。
[0003]目前SiC单晶片的制造过程一般包括:单晶生长、切割、研磨、抛光而形成最终的成品。切割作为SiC单晶片制备的关键工序，对于后续的加工制造过程影响很大。如切片厚度较大或者表面不平度较大，根据误差复映原理，会导致后续的研磨工序花费大量的时间，或者无法达到研磨工序的要求；对于切割时间因素的考虑，在切割直径大于102mm的超薄(厚度小于等于0.5mm)切割过程中，现有的WXD170往复式金刚石线锯加工机床上，在满足切割工序表面质量、线锯保证一次完成一片的切割要求约束下，切割时间大概是24小时左右，因此加工效率是要考虑的；此外，加工过程的稳定性严重的影响晶片表面质量和加工效率，在目前的线锯加工机床上，由于其本身的特性，随着切割过程的不断进行，加工过程的力、工件与线锯的接触长度、线锯的磨损等都随加工时间变化，这就导致线锯崩断或者晶片崩碎问题，严重影响加工表面质量和加工效率。
[0004]现有的加工平台WXD170型往复金刚石线旋转点切割机，该设备的往复式线锯运动控制装置仅能调节线锯的速度，工件的进给和旋转采用独立的控制装置，可以改变工件的横向和纵向运动以及工件的旋转速度，切割工艺参数恒定，控制装置之间没有进行协调，这样导致的问题是:在切割过程中随着工件的切割直径的不断减少和线锯换向动作的周期进行，线锯与工件之间的接触弧长发生动态变化以及线锯的磨损，丛而导致切割力的动态变化，使得切割过程稳定性差，经常出现切片崩碎、材料去除率低、昂贵的线锯浪费严重、切割效率低的问题。
[0005]因此，本实用新型专利根据大直径超薄SiC单晶片实际切割过程中存在问题，为了优化和达到不同的线锯切割过程工艺需求目标，结合重构制造系统的理论，针对不同的生产批量的硬脆材料的加工需求，对该线锯加工平台进行模块化重构，按照不同的定制产品的需求实现不同的平台。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种可重构的线锯加工系统，以解决现有切割机床只能固定为一种形式，不能方便的满足不同产品的不同需求，经常出现切片崩碎、材料去除率低、昂贵的线锯浪费严重、切割效率低的问题。
[0007]本实用新型所采用的技术方案是，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台，力口工平台上设有线锯运动装置和工件进给运动装置，线锯运动装置为往复式线锯运动装置或高速单向式线锯运动装置，工件进给运动装置包括夹具，夹具上设有进给装置，夹具为固定式夹具、自转式夹具或扭转式夹具中的任意一种。
[0008]本实用新型的特点还在于，
[0009]往复式线锯运动装置包括竖直设置在加工平台上的凹形支撑板，支撑板的一侧由顶部至底部依次设有张紧轮、两个小导轮和一个过轮，支撑板上还设有冷却管道，支撑板的凹口位于工件进给运动装置的夹具旁，加工平台上还设有线锯滚筒，线锯滚筒上缠绕有若干圈线锯，线锯的一端经张紧轮、两个小导轮和过轮绕回线锯滚筒，线锯滚筒的一端连接有滚筒电机。
[0010]高速单向式线锯运动装置包括竖直设置在加工平台上的凹形支撑板，支撑板的一侧由顶部至底部依次设有张紧轮、两个小导轮和一个过轮，支撑板上还设有冷却管道，支撑板的凹口位于工件进给运动装置的夹具旁，加工平台上还设有支撑架，支撑架的顶部水平并列设有线锯驱动轮和包角调整轮，线锯驱动轮上缠绕有线锯，线锯的一端从包角调整轮、张紧轮、两个小导轮和过轮绕回线锯驱动轮，线锯驱动轮的一端连接有滚筒电机。
[0011]工件进给装置旁还设有超声波振动装置，超声波振动装置包括超声波振动发生器，超声波振动发生器的变幅杆位于工件进给运动装置的夹具旁且与线锯接触，超声波振动发生器通过超声波冷却液管道连接有冷却装置。
[0012]工件进给装置还连接有控制装置，控制装置包括设置在夹具上的传感器，传感器通过导线连接有计算机。
[0013]本实用新型的有益效果是，通过对线锯运动系统、工件进给系统、超声振动系统以及控制系统的模块化匹配和协同，实现满足不同切割优化目标的重构线锯加工装置，本实用新型可以分别满足提高切割生产效率、切割工件的表面质量、切割过程的最低成本、切割过程稳定性、切割过程线锯磨损最低等单优化目标的目的，同时可以根据多目标优化的数学模型和优化方法，获得多目标优化同时优化时，通过不同模块的配置和满足多目标优化的目标，为贵重脆性材料的切割提供了低成本的、柔性的、多目标优化的重构加工系统平台，解决了现有技术在切割过程中容易出现切片崩碎，材料去除率低，以及切割效率低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型一种可重构的线锯加工系统往复式线锯运动装置的结构示意图；
[0015]图2是本实用新型一种可重构的线锯加工系统高速单向式线锯运动装置的结构示意图；
[0016]图3是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例1的结构示意图；
[0017]图4是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例2的结构示意图；
[0018]图5是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例3的结构示意图；
[0019]图6是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例4的结构示意图；
[0020]图7是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例5的结构示意图；
[0021]图8是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例6的结构示意图；
[0022]图9是本实用新型一种可重构的线锯加工系统实施例7的结构示意图。[0023]图中，1.线锯滚筒，2.线锯，3.张紧轮，4.冷却管道，5.小导轮，6.滚筒电机，7.过轮，8.冷却液槽，9.线锯驱动轮，10.包角调整轮，11.驱动轮电机，15.加工平台，16.支撑板，17.发生器，18，超声波冷却液管道，20.传感器，21.支撑架，22.固定式夹具，23.自转式夹具，24.扭转式夹具。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0025]本实用新型提供了一种可重构的线锯加工系统，包括线锯运动装置、工件进给运动装置、超声波振动装置和控制装置。
[0026]具体包括加工平台15，加工平台15上设有线锯运动装置和工件进给运动装置，线锯运动装置为往复式线锯运动装置或高速单向式线锯运动装置，工件进给运动装置包括夹具，夹具上设有进给装置，夹具为固定式夹具22、自转式夹具23或扭转式夹具24中的任意一种。
[0027]其中，工件进给装置旁还设有超声波振动装置，超声波振动装置包括超声波振动发生器17，超声波振动发生器17的变幅杆位于工件进给运动装置的夹具旁且与线锯2接触，超声波振动发生器17通过超声波冷却液管道18连接有冷却装置；工件进给装置还连接有控制装置，控制装置包括设置在夹具上的传感器20，传感器20通过导线连接有计算机。
[0028]参见图1，往复式线锯运动装置包括竖直设置在加工平台15上的凹形支撑板16，支撑板16的一侧由顶部至底部依次设有张紧轮3、两个小导轮5和一个过轮7，支撑板16上还设有冷却管道4，支撑板16的凹口位于工件进给运动装置的夹具旁，加工平台15上还设有线锯滚筒1，线锯滚筒I上缠绕有若干圈线锯2，线锯2的一端经张紧轮3、两个小导轮5和过轮7绕回线锯滚筒1，线锯滚筒I的一端连接有滚筒电机6。
[0029]往复式线锯运动装置，可提供的线锯速度为≤2m/s，该装置由滚筒电机6驱动线锯滚筒I为其提供动力，线锯滚筒I带动缠绕在线锯滚筒I上的线锯，由行程开关控制做往复运动，其中张紧轮3用做张紧线锯，两个小导轮5为切割部分提供一个平稳的切割环境，过轮7用作导向作用，冷却管道4导引冷却液冷却加工过程。
[0030]参见图2，高速单向式线锯运动装置包括竖直设置在加工平台15上的凹形支撑板16，支撑板16的一侧由顶部至底部依次设有张紧轮3、两个小导轮5和一个过轮7，支撑板16上还设有冷却管道4，支撑板16的凹口位于工件进给运动装置的夹具旁，加工平台15上还设有支撑架21，支撑架21的顶部水平并列设有线锯驱动轮9和包角调整轮10，线锯驱动轮9上缠绕有线锯2，线锯2的一端从包角调整轮10、张紧轮3、两个小导轮5和过轮7绕回线锯驱动轮9，线锯驱动轮9的一端连接有滚筒电机6。
[0031]高速单向式线锯装置可提供的线锯速度为≤10m/s,由驱动轮电机11驱动线锯驱动轮9为线锯2提供动力，从而带动线锯2做单向运动。其中张紧轮3用做张紧线锯，两个小导轮5为切割部分提供一个平稳的切割环境，过轮7用作导向作用，冷却管道4导引冷却液冷却加工过程。
[0032]工件进给运动装置包括夹具12，夹具12上设有驱动其水平运动的水平电机，还设有驱动其垂直运动的垂直电机，其中夹具为固定式夹具22、自转式夹具23或扭转式夹具24中的任意一种。[0033]固定式夹具22不能提供工件自传，只能起到一个夹持工件的作用；自转式夹具23可以固定工件，同时可以为工件提供一个12rpm至20rpm自转速度；扭转式夹具24可以为系统提供12rpm至20rpm自转速度，同时低速扭转，扭转频率为IHz至2Hz。
[0034]控制装置通过传感器20实时采集加工过程系统的受力，再通过数据采集卡转换为计算机可识别的数据文本输入到计算机，可以对加工过程进行同步控制。
[0035]本系统包括线锯运动装置和工件进给运动装置，若要实现普通低成本的切割过程，则选择往复式线锯运动装置和固定式夹具进给装置；若要加工对工件表面质量有一定要求的工件，则选择自转式夹具进给装置；若要加工对工件表面质量有较高要求的工件，则选择扭转式夹具进给装置；若要实现普通高生产效率的切割过程，则选择高速单向式线锯运动装置；若要延长线锯寿命，则在工件进给运动装置旁设置超声波振动装置；若要使切割过程稳定，则在工件进给运动装置上设置控制装置。
[0036]按照加工中不同的需要，可以将线锯运动装置、工件进给运动装置、超声波振动装置和控制装置按需选择并组合，构造成实现不同优化目标的切割系统。
[0037]实施例1
[0038]如图3所示，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有往复式线锯运动装置和固定式夹具进给装置，固定式夹具实现了普通低成本的切割过程，通过水平电机和垂直电机的联动，可以实现板类或者其他类零件的二维线锯切割过程。
[0039]实施例2
[0040]如图4所示，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有往复式线锯运动装置和自转式夹具进给装置，实现了普通低成本且满足有一定要求的工件表面质量的切割过程。
[0041]实施例3
[0042]如图5所示，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有往复式线锯运动装置和扭转式夹具进给装置，实现了普通低成本且满足有较高要求的工件表面质量的切割过程。
[0043]实施例4
[0044]如图6所示，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有高速单向式线锯运动装置和自转式夹具进给装置，实现了普通高生产效率的切割过程。
[0045]实施例5
[0046]如图7所示，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有高速单向式线锯运动装置和扭转式夹具进给装置，实现了普通高生产效率且有一定表面质量要求的切割过程。
[0047]实施例6
[0048]如图8所示，参见图5，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有高速单向式线锯运动装置、自转式夹具进给装置和超声波振动装置，实现了普通高生产效率并延长线锯寿命的切割过程。
[0049]实施例7
[0050]如图9所示，一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有高速单向式线锯运动装置、扭转式夹具进给装置和超声波振动装置，实现了普通高生产效率并延长线锯寿命且有一定表面质量要求的切割过程。
[0051]实施例8
[0052]一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有高速单向式线锯运动装置、自转式夹具进给装置、超声波振动装置和控制装置，实现了普通高生产效率并延长线锯寿命的稳定切割过程。
[0053]实施例9
[0054]一种可重构的线锯加工系统，包括加工平台15，加工平台15上设有高速单向式线锯运动装置、扭转式夹具进给装置、超声波振动装置和控制装置，实现了普通高生产效率并延长线锯寿命且有较高表面质量要求的稳定切割过程。
[0055]以提高切割生产率为目标，可以将线锯运动装置设置为单向高速单向式线锯运动装置；控制装置采用自适应控制系统，在保证线锯2切割过程力的变化稳定，线锯2不发生断裂的状况下，调整进给量，达到最短的切割时间而实现最大的切割生产效率；如果以切割后单晶片的表面粗糙度为目标，其重构模块的配置可选用往复式线锯运动装置，扭转式夹具进给装置，超声波振动装置以及开环控制装置，保证切割过程中线锯2不发生断裂，工件与线锯2接触的长度保持稳定进而达到单晶片最好的切割表面质量。
【权利要求】
1.一种可重构的线锯加工系统，其特征在于，包括加工平台(15)，加工平台(15)上设有线锯运动装置和工件进给运动装置，所述的线锯运动装置为往复式线锯运动装置或高速单向式线锯运动装置，所述的工件进给运动装置包括夹具，夹具上设有进给装置，夹具为固定式夹具(22)、自转式夹具(23)或扭转式夹具(24)中的任意一种。
2.如权利要求1所述的一种可重构的线锯加工系统，其特征在于，所述的往复式线锯运动装置包括竖直设置在加工平台(15)上的凹形支撑板(16)，支撑板(16)的一侧由顶部至底部依次设有张紧轮(3)、两个小导轮(5)和一个过轮(7)，支撑板(16)上还设有冷却管道(4)，支撑板(16)的凹口位于工件进给运动装置的夹具旁，所述的加工平台(15)上还设有线锯滚筒(1)，线锯滚筒(I)上缠绕有若干圈线锯(2)，线锯(2)的一端经张紧轮(3)、两个小导轮(5)和过轮(7)绕回线锯滚筒(1)，线锯滚筒(I)的一端连接有滚筒电机(6)。
3.如权利要求1所述的一种可重构的线锯加工系统，其特征在于，所述的高速单向式线锯运动装置包括竖直设置在加工平台(15)上的凹形支撑板(16)，支撑板(16)的一侧由顶部至底部依次设有张紧轮(3)、两个小导轮(5)和一个过轮(7)，支撑板(16)上还设有冷却管道(4)，支撑板(16)的凹口位于工件进给运动装置的夹具旁，所述的加工平台(15)上还设有支撑架(21)，支撑架(21)的顶部水平并列设有线锯驱动轮(9)和包角调整轮(10)，线锯驱动轮(9)上缠绕有线锯(2)，线锯(2)的一端从包角调整轮(10)、张紧轮(3)、两个小导轮(5)和过轮(7)绕回线锯驱动轮(9)，线锯驱动轮(9)的一端连接有滚筒电机(6)。
4.如权利要求2或3中任意一项所述的一种可重构的线锯加工系统，其特征在于，所述的工件进给装置旁还设有超声波振动装置，超声波振动装置包括超声波振动发生器(17)，超声波振动发生器(17)的变幅杆位于工件进给运动装置的夹具旁且与线锯(2)接触，超声波振动发生器(17)通过超声波冷却液管道(18)连接有冷却装置。
5.如权利要求4所述的一种可重构的线锯加工系统，其特征在于，所述的工件进给装置还连接有控制装置，控制装置包括设置在夹具上的传感器(20)，传感器(20)通过导线连接有计算机。
【文档编号】B28D5/04GK203579915SQ201320614546
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】李淑娟, 王鑫, 崔丹, 刘永, 赵智渊, 李言 申请人:西安理工大学